刘小鹏

（潞安环能股份公司 常村煤矿，山西 长治 046102）

摘 要：以常村矿区的高产高效工作面为研究对象，在现场调研和实测的基础上，通过采用引进算法的分源法，确定了矿井北部和南部的瓦斯涌出量，为矿井通风设计、瓦斯抽采等提供了理论基础数据。同时根据高产高效工作面瓦斯涌出特点，引进煤运至地表时残存瓦斯含量损失率这一系数，进一步完善和发展了分源预测法，提高了预测精度。

关键词: 分源预测法；高产高效；瓦斯涌出量

Application of the Introduction of the Sub-Source Prediction Algorithm in High Efficiency Mine

Abstract: Chang Cun mine of the shanxi province is chosen as the study object with the characteristic of" High Efficiency", Based on actual data collected and measured in Li Dian mine, the gas emission of north and south is gained through the introduction of the sub-source prediction algorithm,which provid the theoretical basis data to the design of mine ventilation and gas extraction.In addition,according to the characteristics of high efficiency gas emission, the sub-source prediction method is improved and developed through the introduction of  the loss rate of residual gas content when coal transportation to the surface.

Keywords: sub-source prediction, high efficiency, gas emission

1 概述

近年来，随着煤炭开采技术和装备的发展，矿井集约化程度大幅度提高。集约化生产是我国煤炭生产方式的一大飞跃,具有高产高效、成本低、经济效益显著的特点。但由于开采强度大、生产集中、推进速度快,造成采面瓦斯涌出集中、涌出不均衡等特点,对安全生产构成了极大威胁,严重制约了高产高效工作面优势的发挥。因此高产高效工作的瓦斯预测工作就显得尤其重要。同时由于运煤速度的加快致使煤在井下瓦斯解析量减小，采用原有的分源预测法出现了预测结果大于实际瓦斯涌出的现象。因此针对高产高效工作面的瓦斯涌出特点，通过引进算法进行特殊处理进而扩大分源预测法的适用范围就变得很有现实意义。

2 矿井概况

常村井田内含煤地层有下二叠统山西组及上石炭统太原组，含煤地层总厚163.36m，含煤10~17层，煤层总厚11.25m，含煤系数6.9%。

山西组厚54.10m，含本区最主要可采煤层3#煤层，煤层厚度4.84~7.32m，平均厚度6.05m，含煤系数11.20%。山西组顶部、底部，局部发育不稳定薄煤层1~3层，一般均不达可采厚度。

太原组厚109.26m。含稳定的可采煤层15-3#煤层，不稳定的局部可采煤层8-2#、9#、12#、15-1#、15-2#煤层及不稳定薄煤层6#、7#、8-1#、11#、13#、14#等煤层，太原组煤层总厚5.20m，含煤系数4.8%，旋回结构清晰，K2、K3、K4、K5石灰岩与砂岩、泥岩和煤层相间出现，为煤层对比明显的可靠的依据.

本区计算储量的可采煤层7层，即3#、8-2#、9#、12#、15-1#、15-2#、15-3#煤层，发育情况详见表1-1。

表1-1 可采煤层发育情况表

3 高产高效工作面瓦斯涌出特点

通过对常村煤矿综采工作面的涌出特点进行分析，得出高产高效工作面瓦斯涌出具有如下特点：采用综合机械采煤，机组割煤比较连续，工作面推进速度快，采落煤块较小，煤粉较多，工作面长度大，走向长度长，采用皮带运煤，运煤速度快。煤层瓦斯含量不是很高，但由于开采强度大，产量集中，瓦斯涌出量较大，经常造成隅角及回风瓦斯超限。采煤完的N3-3综采工作面及S5-9综采面的日产量均在8000t左右，月推进速度约在500m，瓦斯含量在5左右，但瓦斯涌出量可达25—45左右，是典型的高产高效工作面。

4 矿井瓦斯涌出量预测

4.1 预测方法及技术原理

从目前国内的研究状况来看，矿井瓦斯涌出量预测主要有两类：一类是建立在数理统计基础上的矿山统计法；一类是以煤层瓦斯含量为基础参数的分源预测法。矿山统计法存在严重的应用局限性，难以保证预测结果的可靠性^[1]。因此，笔者选择采用分源预测法预测常村煤矿的矿井瓦斯涌出量。

分源预测法是以瓦斯含量为基础的，其实质是按照矿井生产过程中瓦斯涌出源的多少、各个涌出源瓦斯涌出量的大小来预测矿井、采区、采煤工作面和掘进工作面等的瓦斯涌出量。各个瓦斯源涌出瓦斯量的大小是以煤层瓦斯含量、瓦斯涌出规律及煤层开采技术条件为基础进行计算确定的^[2]。矿井瓦斯涌出源构成关系见图1。

图1 矿井瓦斯涌出构成

4.2 采煤工作面瓦斯涌出量预测

采煤工作面瓦斯来源包括两个部分，即采落煤炭、采场丢煤、围岩瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出。常村煤矿首采3号煤，对3号煤层有影响的邻近煤层有15-1号煤层，其他煤线或局部赋存的煤层，在这里不予考虑。故开采3号煤层期间采煤工作面瓦斯涌出量主要来自本煤层及邻近层。采煤工作面的瓦斯涌出量计算方法如下：

4.2.1开采层瓦斯涌出量计算

式中：——开采层瓦斯涌出量，；

      ——围岩涌出系数，取值=1.2；

      ——工作面丢煤瓦斯涌出系数,按下式计算：；

      ——综放面回采率，该地区矿区一般为84%，则=1.19；

      ——巷道预排瓦斯涌出系数，按下式计算：；

——工作面长度：250m；

h——巷道预排宽度：无烟煤一般为11m，取=0.85；

——开采层瓦斯含量，根据区内瓦斯含量，综合确定3号煤层首采工作面瓦斯含量值为：北部5.02，南部取4.01m³/min；

——采落煤运出工作面的残存瓦斯含量：取Wc=1.9m³/t；

——煤运至地表时残存瓦斯含量损失率：由于我矿运煤速度较快，经过测算得出运至地表损失20%左右，因此=20%；

m——开采层厚度，m=6.01m；

M——工作面采高，M=3.2m。

4.2.2邻近层瓦斯涌出量计算

式中：——邻近层瓦斯涌出量，；

      ——邻近层煤层厚度，=0.62；

       ——邻近层瓦斯排放率，由于采高为4.8m大于4.5m，因此按下式计算：

             ，其中为邻近层与开采层垂直距离为45.6m；

      ——邻近层煤层原始瓦斯含量，参照开采层取；

      ——邻近层煤层残存瓦斯含量，参照开采层取。

采煤工作面的瓦斯涌出量即为上述两部分之和，即

预测采煤工作面瓦斯涌出量详见表1-2。

表1-2-1 北部采煤工作面瓦斯涌出量预测结果

表1-2-1 南部采煤工作面瓦斯涌出量预测结果

4.3 掘进工作面瓦斯涌出量预测

掘进工作面瓦斯涌出来源包括两部分，即煤壁和落煤。

4.3.1掘进巷道煤壁瓦斯涌出量计算

式中：——掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，；

       D——巷道断面内暴露煤壁面的周边长度，取D=2m；

      ——巷道平均掘进速度，北部取=0.0116，南部取=0.0239；

       L——巷道长度，取L=1800m；

——煤壁瓦斯涌出强度，按下式计算：， 为煤中挥发分含量，取=10.15%（山西省常村煤矿瓦斯等级鉴定报告）。

4.3.2掘进落煤的瓦斯涌出量计算

式中：——掘进巷道落煤的瓦斯涌出量，；

       S——掘进巷道断面积，S=3.8；

   ,     r——煤的密度，r=1.36（山西省常村煤矿瓦斯等级鉴定报告）。

掘进工作面的瓦斯涌出量即为上述两部分之和,即

预测掘进工作面瓦斯涌出量详见表1-3。

表1-3                          掘进工作面瓦斯涌出量预测结果

4.4 生产采区瓦斯涌出量预测

生产采区瓦斯涌出量采用下式计算：

式中：——生产采区内采空区瓦斯涌出系数，取1.2；

          ——生产采区平均日产量，=2200t;

          ——回采工作面平均日产量。

预测采区瓦斯涌出量详见表1-4。

表1-4 采区瓦斯涌出量预测结果

4.5 矿井瓦斯涌出量预测

矿井瓦斯涌出量采用下式计算：

式中：——矿井相对瓦斯涌出量，；

      ——第i个生产采区相对瓦斯涌出量，；

      ——第i个生产采区平均日产量，t；

      ——已采采空区瓦斯涌出系数，一般为，取1.20。

矿井瓦斯涌出量依各个时期的矿井配采安排不同而异。为确定矿井最大时期瓦斯涌出量，我们结合重庆煤科院提出的配采方案、排产接替表进行了瓦斯涌出量预测，预测结果详细见表1-5。

表1-5 矿井瓦斯涌出量预测结果

4.6 预测结果及分析

根据国家安全生产监督管理总局2009年颁布的《煤矿安全规程》第一百三十三条规定：矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分，矿井相对瓦斯涌出量大于10或矿井绝对瓦斯涌出量大于40，为高瓦斯矿井^[3]。

对常村煤矿通过实测资料分析研究，分源预测法测出的北部采区日产量为2200t时的相对瓦斯涌出量值为9.43。在考虑瓦斯涌出不均衡系数后高峰值则为14.15（采煤及掘进工作面瓦斯涌出不均衡系数取）。南部采区日产量为2200t时的绝对瓦斯涌出量值为32.05，在考虑瓦斯涌出不均衡系数后高峰值为48.08。因此我们鉴定常村矿井为高瓦斯矿井。

预测矿井瓦斯涌出源如下：采煤工作面瓦斯涌出占58.6%，掘进瓦斯涌出占27.2%。采空区瓦斯涌出占14.2%。

考虑到常村矿现在开采的为该井田浅部，根据其他邻近矿区的煤层赋存规律，随着采深的增加瓦斯有增大的可能，建议在今后开采过程中深度每增加50m进行瓦斯参数测定，以便进行瓦斯治理，确保矿井安全生产。

5 预测结果的可靠性评价

分源预测法预测矿井瓦斯涌出量具有较高的准确性，准确率可达80%以上，这已为淮南、焦作、阳泉、沈阳、晋城、铁法等十多个矿区的预测实践所证实。但应用到常村煤矿是否会有同样的准确率呢？下面从已采盘区采煤工作面以下（风化带以下）瓦斯涌出量预测结果、实测结果已经矿井瓦斯涌出量预测结果、实测结果对比评价分源预测法的可靠性。

表1-6 常村煤矿工作面瓦斯涌出量预测值与实测值对比表

表1-7 常村煤矿瓦斯涌出量预测值与实测值对比表

表1-6和1-7为部分采煤工作面瓦斯涌出量预测结果与对应工作面瓦斯涌出量实测值、矿井瓦斯涌出量预测结果与对应时间矿井瓦斯涌出量实测值的对比情况。由表可以看出：采煤工作面预测误差为-1.59+6.88，矿井的瓦斯涌出量预测误差为-5.16+9.89，具有很好的预测准确率，准确率可达85%以上，所以可以满足矿井的生产要求。

参考文献

[1]  林柏泉，张建国, 矿井瓦斯抽发与技术.中国矿业大学出版社,2007,12

[2]  张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术.煤炭工业出版社.2001.3.

[3]  国家煤矿安全监察局.《防治煤与瓦斯突出规定》.煤炭工业出版社.2009.9.