厚煤层综放工作面回采期间瓦斯涌出量预测

王武

（山西晋神集团 沙坪煤业有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

瓦斯是指在成煤过程中，原始的有机质在厌氧细菌的催化分解作用下，生成并储存在煤层孔隙当中的可燃性气体，其主要成分为甲烷。在井工煤矿作业当中，瓦斯一直影响煤矿的安全生产，对井下作业人员的生命安全构成重要威胁。瓦斯防治工作，是煤矿安全工作的重中之重。回采工作面的瓦斯涌出是矿井瓦斯的主要来源之一，对瓦斯涌出量进行预测，得到科学合理的预测值，将为矿井瓦斯的防治工作提供重要的数据参考[1]。针对瓦斯涌出量预测方面的研究，我国学者也做了大量的研究工作。王兆丰归纳总结了矿井瓦斯涌出源，将瓦斯涌出源分为4部分，并提出了瓦斯涌出量分源预测法[2]；张春璞将分源预测法应用于成庄矿，对3号煤层的瓦斯涌出量进行了预测，并总结了煤层的瓦斯分布规律[3]；徐青伟等针对矿山统计法的公式进行了推导计算，并应用EXCEL软件对矿山统计法的瓦斯涌出量预测公式进行了重新拟合[4]；赵鹏伟应用矿山统计法对王庄煤矿的瓦斯涌出量进行了预测等[5]。目标矿井目前产能2.4 Mt/a，计划将产能提升至4.0～8.0 Mt/a，煤炭产能增加，瓦斯涌出量就极大可能也随之增加，需要对产能增加后回采工作面的瓦斯涌出量进行预测，以便于在工作面回采前制定出行之有效的瓦斯防治方案，保障工作面回采工作安全顺利进行。

1 工程概况

矿井目前开采13号煤层，13号煤层位于石炭系上统太原组，煤层厚度10.32～26.87 m，平均16.84 m。13号煤层目前仅布置有13103综放工作面一个回采工作面，在13号煤层投产之后，13103综放工作面的生产能力占到矿井总生产能力的97%。该工作面顺槽走向长度约1 860 m，工作面长度约240 m，选用长臂后退式综采放顶煤的回采方式，其中机采高度4.3 m，放顶高度12.54 m，采放比为1∶2.9，选用全部垮落法管理顶板。

2 瓦斯含量参数测定

瓦斯含量是表现区域内瓦斯赋存水平的最直观的测定参数，它通过现场取样的方式直接进行测定，数据真实可靠，在瓦斯治理问题研究中被广泛应用。研究13103回采工作面瓦斯涌出量的预测值，就要对13103回采工作面的不同位置的瓦斯含量进行测定，此次针对13103回采工作面瓦斯含量的测定工作选取12个点，平均分布在胶运顺槽和回风顺槽两侧，巷道每掘进300 m进行一次瓦斯含量测定，通过钻屑解析法直接测定瓦斯含量。这样制定施工方案的优点是保证回采工作面的不同区域都能进行瓦斯含量测定，最后通过加权取得平均值能够较为准确的展现回采工作面的瓦斯含量水平。在施工中，要确保钻屑的取样位置为煤壁向里15 m以上，越深层的钻屑受到煤壁暴露的影响越小，瓦斯散逸得越少，结果更加真实精确。具体的测点位置以及瓦斯含量测定结果见表1。

通过表1的数据可以看出，13103回采工作面不同地点的瓦斯含量并未随着走向延深、埋深变化而呈现出明显规律，说明工作面处于典型的风化带内，瓦斯含量与煤层埋深并不具备正相关规律，且瓦斯含量分布规律具有明显的偶然性，进行加权平均计算之后，可以代表煤层瓦斯含量的平均水平。根据取样地点确定加权系数，根据式（1）、式（2）对煤层平均瓦斯含量以及煤层平均瓦斯残存量进行计算。

表1 13号煤层瓦斯含量测定情况明细Table 1 Gas content determination details

根据表1、表2数据进行计算，确定了13103综放工作面的加权平均瓦斯含量为1.46 m3/t，加权平均瓦斯残存量为1.05 m3/t。

表2 各测点加权系数Table 2 Weighted coefficient of each measuring point

3 瓦斯涌出量预测

3.1 瓦斯涌出来源分析

在实际生产过程中，对回采工作面的瓦斯涌出量预测结果是矿井通风设计、瓦斯防治措施、矿井安全管理的重要理论依据，对于矿井产量的限定、通风机风量型号的确定、瓦斯灾害防治措施的决策起到决定性的参考作用。为了更加精确的计算瓦斯涌出量预测值，应逐步分析回采工作面瓦斯涌出的来源，确定相关的参数。根据以往的研究表明，一般回采工作面的瓦斯涌出基本可以分为2部分，开采层以及邻近层。其中开采层的瓦斯涌出又包括落煤瓦斯涌出、丢煤（余煤）瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出、围岩瓦斯涌出；邻近层的瓦斯涌出又包括上邻近层和下邻近层的瓦斯涌出[6]，见式（3）。

式中：q采、q1、q2分别为回采工作面的相对瓦斯涌出量、开采煤层的相对瓦斯涌出量、邻近层的相对瓦斯涌出量，m3/t。

3.2 开采煤层瓦斯涌出量预测

开采煤层的瓦斯涌出需要考虑三方面因素对瓦斯涌出量的影响，一是煤层围岩中瓦斯涌出；二是工作面丢煤瓦斯涌出；三是回采巷道的预排瓦斯涌出。依据三方面因素的影响，开采煤层的瓦斯涌出量计算公式[7]为：

式中：q1为开采煤层的相对瓦斯涌出量，m3/t；k1为围岩瓦斯涌出系数，根据顶板管理方式取值，13103综放工作面是全部垮落法管理顶板，取1.3；k2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，根据工作面回采率取值；k3为回采巷道的预排瓦斯涌出系数，根据回采巷道的相关参数进行计算取值；m为煤层的实际厚度，m；M为煤层的开采厚度，m，13103综放工作面一次采全高，开采厚度等于煤层厚度；W0为煤层瓦斯含量，m3/t，根据计算结果，13号煤层的瓦斯含量为1.46 m3/t；Wc为煤的残存瓦斯含量，根据计算结果，13号煤层煤的残存瓦斯含量为1.05 m3/t。

式中：C为工作面的回采率，%。

13103综放工作面的回采分为机采和放顶煤2部分，而这2种割煤方式的回采率也会略有不同，其中机采的回采率为95%，放顶煤的回采率为75%，根据采放比，通过加权平均计算，工作面整体的回采率为80%。

式中：L为工作面长度，m；h为回采巷道瓦斯预排等值宽度，m；该参数根据回采巷道煤壁暴露的时间进行取值，回采巷道煤壁暴露时间通常是回采巷道掘进贯通所用的时间，13103综放工作面的回采巷道掘进时间约为180 d，h取18 m。

通过公式进行计算，13103综放工作面的开采煤层的相对瓦斯涌出量为0.57 m3/t。

3.3 邻近层瓦斯涌出量预测

依据以往经验和相关规范，上邻近层的采动影响范围是60 m，下邻近层的采动影响范围是30 m[8]。在13103综放工作面回采期间，影响工作面瓦斯涌出的上邻近层包括9号、10号、11号、12号煤层，下邻近层包括15号煤层（表3）。邻近层的瓦斯涌出量通过式（7）进行计算。

表3 煤层基本情况Table 3 Basic situation of coal seam

式中：q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；mi为第i个邻近层厚度，m；M为开采层厚度，m；W0i为第i层的瓦斯含量，m3/t；Wci为第i邻近层残存瓦斯含量，m3/t；ηi为第i邻近层瓦斯排放系数，按照相关规范，通过式（8）进行计算。

式中：hi为第i邻近层与开采层垂直距离，m；M为工作面采高，m；L为工作面长度，m。

在计算邻近层瓦斯涌出量时，由于各邻近层都无法直接测定煤层瓦斯含量和残存瓦斯含量数据，所以各邻近层的瓦斯含量和残存瓦斯含量数据要参考开采煤层的瓦斯含量和残存瓦斯含量进行计算，邻近层瓦斯涌出量为0.19 m3/min（表4）。

根据表4的计算结果，13103综放工作面邻近层的相对瓦斯涌出量为0.19 m3/t。因此，在开采13103综放工作面时，工作面的相对瓦斯涌出量为0.76 m3/t。按照工作面的生产能力，以每年330个工作日进行计算，在矿井生产能力分别达到4.0～8.0 Mt/a时，工作面绝对瓦斯涌出量预测将达到6.23～12.45 m3/min（表5）。

表4 13103综放工作面邻近层瓦斯涌出量预测结果Table 4 Prediction results of gas emission in adjacent layer of 13103 fully mechanized caving face

表5 回采工作面最大瓦斯涌出量预测结果Table 5 Prediction results of maximum gas emission in mining face

4 结 语

历年来的瓦斯等级鉴定结果显示，矿井原为低瓦斯矿井，但在13号煤层投产以后，由于产能的增加，矿井的绝对瓦斯涌出量也会随之增加，瓦斯治理问题也逐渐成为了矿井安全生产问题中的主要问题。利用已有的煤层瓦斯含量数据，通过分源预测法分析13103综放工作面的瓦斯涌出来源，并计算出工作面回采期间的瓦斯涌出量预测值，结果显示工作面产量4.0～6.0 Mt/a时，工作面绝对瓦斯涌出量预测将达到6.23～9.35 m3/min，为矿井的瓦斯治理方案提供科学参考，保障矿井安全高效地进行生产工作。