基于分源预测法的华阳煤矿9＃、15＃煤层瓦斯涌出量预测

宋常胜 苌延辉

（河南理工大学能源科学与工程学院，河南省焦作市，454003）

基于分源预测法的华阳煤矿9＃、15＃煤层瓦斯涌出量预测

宋常胜 苌延辉

（河南理工大学能源科学与工程学院，河南省焦作市，454003）

采用钻屑解吸指标法对华阳煤矿9＃煤层和15＃煤层的瓦斯含量和残存瓦斯含量进行了测定，并分析了瓦斯含量分布特征；利用线性回归方法研究获得9＃煤层和15＃煤层瓦斯含量与埋藏深度的关系，得出了9＃煤层和15＃煤层原始瓦斯含量增长梯度；最后采用分源预测法对华阳煤矿开采前期、中期和后期的瓦斯涌出量进行了预测，确定华阳煤矿在9＃煤层和15＃煤层开采时属于低瓦斯矿井，为矿井通风设计和瓦斯治理提供了依据。

瓦斯含量 瓦斯涌出量 预测 分源预测法 钻屑解吸指标法

瓦斯灾害是影响煤矿安全生产的主要因素之一，为了有效防治瓦斯灾害，必须进行瓦斯涌出量预测。准确预测瓦斯涌出量是防治矿井瓦斯灾害的关键因素之一，并能为工作面布置、井下瓦斯抽放设计、通风管理等提供基本依据。因此，瓦斯涌出量预测的准确性显得尤为重要。本文运用分源预测法对华阳煤矿进行了瓦斯涌出量预测，为该矿的安全生产和瓦斯抽放设计提供了理论及数据基础。

1 矿井概况

1.1 地质构造

华阳井田位于太行山复式背斜西翼，沁水盆地东翼南段，晋获褶断带的西侧。井田南部发育一条小型断层F1，断距10m，倾角45°。井田内构造总体上为一宽缓的褶曲构造，轴向北西，煤层总体走向北东，倾向北西，倾角4～7°，未见岩浆岩侵入。井田构造总体上属于简单类型，为单斜背景上发育次级褶曲。

1.2 煤层赋存

华阳煤矿井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，含煤地层总厚为148.15m，共含煤11层，煤层总厚度为13.60m，含煤系数为9.18%，含稳定可采煤层3层，即3＃煤层、9＃煤层和15＃煤层，总厚11.09m，含煤系数7.49%。

该矿原先开采3＃煤层，下一步设计开采9＃煤层和15＃煤层，9＃煤层与15＃煤层平均间距30.9m。9＃煤层上距3＃煤层底板62m，煤层厚度1.47～2.33m，平均1.74m，煤层结构简单，夹0～2层夹矸。其直接顶板多为粉砂岩和泥岩，底板多以K4石灰岩为主，局部为泥岩。15＃煤层厚度2.41～4.09m，平均2.78m，煤层厚度变化大，结构复杂，含0～5层夹矸，顶板为K2灰岩，底板为泥岩和铝土泥岩。

1.3 矿井开拓开采

华阳煤矿设计生产能力为600万t／a，井田开拓方式为斜井开拓，即主斜井、副斜井、回风立井。矿井兼并重组后主要可采煤层为9＃煤层和15＃煤层，采用联合开拓，设一个水平分别开采井田范围内9＃煤层和15＃煤层，水平标高＋665m（15＃煤层顶板）。结合各煤层的厚度，采用走向（倾斜）长壁综合机械化一次采全高采煤法，顶板管理采用全部垮落法。

根据大巷布置原则，矿井共划分为5个采区，15＃煤层东北部为一采区，9＃煤层为二采区，15＃煤层西北部为三采区，15＃煤层西南部为四采区，15＃煤层东南部为五采区。

2 煤层瓦斯含量

2.1 煤层瓦斯含量测定方法

钻屑解吸法测定煤层瓦斯含量的原理是：井下采集新鲜的原始煤样，实测煤样瓦斯解吸量，根据煤样瓦斯解吸规律推算取样过程煤样的损失瓦斯量，然后在实验室测定煤样的残存瓦斯量，最后根据煤样的取样损失量、井下瓦斯解吸量、残存瓦斯量和煤样重量计算煤层瓦斯含量。利用钻屑解吸法对华阳煤矿9＃煤层和15＃煤层瓦斯含量进行测定，测定结果见表1和表2。

表1 华阳矿井工作面瓦斯成分测定结果

表2 华阳矿井地勘瓦斯含量测定结果

2.2 煤层瓦斯含量分布规律

（1）从表1和表2获得的煤层瓦斯含量控制点的瓦斯成分和瓦斯含量来看，9＃煤层瓦斯中甲烷（CH4）成份为34.81%～79.16%，平均56.74%；二氧化碳（CO2）成份为12.36%～24.43%，平均16.88%；氮气（N2）成份为6.21%～50.06%，平均26.38%。可以推测，9＃煤层处于瓦斯风化带中的氮气－甲烷带。15＃煤层一部分处于瓦斯风化带中的氮气－甲烷带，一部分处于甲烷带。

（2）华阳煤矿9＃煤层和15＃煤层瓦斯含量（y）与埋藏深度（x）有着明显的线性关系，煤层瓦斯含量随着埋藏深度的增加而增大。华阳煤矿9＃煤层埋深与瓦斯含量相关关系见图1，华阳煤矿15＃煤层埋深与瓦斯含量相关关系见图2。9＃煤层满足线性关系y＝0.0139x＋1.4181，拟合度R2＝0.738。15＃煤层满足线性关系y＝0.0064x＋3.4681，拟合度R2＝0.2227。

图1 华阳煤矿9＃煤层埋深与瓦斯含量相关关系图

（3）华阳煤矿9＃煤层原始瓦斯含量增长梯度为1.39m3／t／100m，15＃煤层原始瓦斯含量增长梯度为0.64m3／t／100m。

图2 华阳煤矿15＃煤层埋深与瓦斯含量相关关系图

3 瓦斯涌出量预测

3.1 预测方法的选用

目前，国内外很多专家学者对瓦斯涌出量预测进行了大量的研究并提出了多种预测方法，大致可以归纳为三类：以数理统计为基础的矿山统计法，以瓦斯含量为基础的分源预测法和灰色预测法。长期以来，我国煤矿一直采用矿山统计法预测矿井瓦斯涌出量，这种方法不但要求有足够大的样本空间，而且要求预测区的地质条件、煤层开采技术条件与生产区相同或类似。一旦上述要求不能够满足，预测值可能与实际值严重偏离甚至完全不符；分源预测法是以煤层瓦斯含量、煤层开采技术条件为基础，根据各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律，计算回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量；灰色系统预测理论是以时间序列作为基点来进行预测的，它适用于呈指数规律发展的系统的预测。但是，有时尽管时间序列呈指数变化，也会出现一些拟合效果差甚至完全失败的情况。它要求数据要光滑、GM（1，1）模型的背景值和GM（1，1）模型辨识参数。

鉴于上述原因，况且本矿井9＃煤层和15＃煤层均正处于巷道开拓布置阶段，瓦斯涌出量数据较少，所以采用分源预测法预测本矿井瓦斯涌出量。

3.2 分源预测法

矿井瓦斯涌出源汇关系见图3。根据煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出的源汇关系，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律并结合煤层的赋存条件和开采技术条件，通过对回采工作面和掘进工作面瓦斯涌出量的计算，达到预测采区和矿井瓦斯涌出量的目的。

图3 矿井瓦斯涌出源汇关系示意图

3.3 预测条件

（1）矿井设计生产能力为60Mt／a。

（2）矿井生产前期：把15＃煤层一采区开采期间定为前期。在一采区布置1个综采工作面、2个综掘工作面，综采工作面长度120m，采高2.78 m，回采率为95%；1个运输巷道，断面积为8.4 m2，1个回风巷道，断面积为9.45m2，每个煤巷掘进队掘进速度为300m／月，矿井采掘比为1︰2。

（3）矿井生产中期：把9＃煤层开采期间定为中期。设计9＃煤层布置1个综采工作面、2个综掘工作面。综采工作面长度160m，采高1.74m，回采率为95%；1个运输巷道，断面积为8.0m2，1个回风巷道，断面积为8.0m2，每个煤巷掘进队掘进速度为300m／月，矿井采掘比为1︰2。

（4）矿井生产后期：把15＃煤层一采区剩余资源开采期间定为后期。

（5）年工作日330d。

3.4 瓦斯涌出量预测结果

考虑到矿井通风设计和生产期间瓦斯防治的需要，现对矿井达产后不同时期采区联合开采时的最大瓦斯涌出量进行预测。瓦斯涌出量预测结果见表3～表6。

由表6可以看出：生产前期，矿井最大绝对瓦斯涌出量7.66m3／min，最大相对瓦斯涌出量6.07 m3／t；生产中期，矿井最大绝对瓦斯涌出量9.48 m3／min，最大相对瓦斯涌出量7.51m3／t；生产后期，矿井最大绝对瓦斯涌出量8.23m3／min，最大相对瓦斯涌出量6.52m3／t。按照《煤矿安全规程》第133条的规定，无论是生产前期、中期还是后期的9＃煤层和15＃煤层开采，华阳煤矿都属于低瓦斯矿井。

表3 回采工作面瓦斯涌出量预测结果

表4 掘进工作面瓦斯涌出量预测结果

表5 采区瓦斯涌出量预测结果

表6 矿井瓦斯涌出量预测结果

4 结语

（1）用线性回归方法，研究获得了华阳煤矿9＃煤层和15＃煤层瓦斯含量（y）与埋藏深度（x）的关系。

（2）华阳煤矿9＃煤层原始瓦斯含量增长梯度为1.39m3／t／100m，15＃煤层原始瓦斯含量增长梯度为0.64m3／t／100m。

（3）采用分源预测法对华阳煤矿不同生产时期的瓦斯涌出量进行了预测，并得到了科学的预测结果，按照《煤矿安全规程》第133条的规定，无论是生产前期、中期还是后期，华阳煤矿9＃煤层和15＃煤层开采都属于低瓦斯矿井。

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Prediction on gas emission in 9＃and 15＃coalbeds in Huayang Mine based on different－source predicting method

Song Changsheng，Chang Yanhui
（School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454003，China）

With the method of desorption index of drill cuttings，the paper determines the gas content and residual gas content in 9＃and 15＃coalbeds of Huayang Mine and analyzes the distribution characteristics of the gas content；using the linear regression method，it obtains the relationship between the gas content and the burial depth of 9＃and 15＃coallbeds，and gets the original gas content growth gradient of the two coalbeds；finally，adopting the different－source predicting method，it predicts the gas emission rate in early，middle and late periods of coal mining in Huayang Mine，and determines that in mining of 9＃and 15＃coalbeds，Huayang Mine belongs to the low－gas mines，which provides a basis for ventilation design and gas control of the mine.

gas content，gas emission rate，predicting，different－source predicting method，method of desorption index of drill cuttings

TD712.53

A

宋常胜（1977－），男，江苏睢宁人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事采矿工程方面的教学科研工作。

（责任编辑 张艳华）