采煤工作面煤壁瓦斯涌出分源预测方法研究

韦柳屾，崔洪庆，2，3，马志奇

( 1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000； 2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室(省部共建国家重点实验室培育基地)，河南 焦作 454000； 3.中原经济区煤层(页岩)气协同创新中心，河南 焦作 454000)

我国煤矿煤与瓦斯突出形势日趋严峻，瓦斯灾害事故时有发生，瓦斯治理工作在煤矿安全生产过程中尤为重要[1]。回采工作面是矿井防止瓦斯突出、瓦斯治理的重点及关键所在[2]。煤矿生产过程中，整体矿井瓦斯涌出主要来源为采煤工作面。采煤工作面的瓦斯涌出主要取决于该矿井的瓦斯地质条件和开采方式等，而其主要瓦斯源为采空区瓦斯涌出和煤壁瓦斯涌出以及采落煤瓦斯涌出[3-5]，其中煤壁瓦斯涌出为采煤时瓦斯涌出主要成分之一。因此，对工作面煤壁瓦斯涌出分析研究将有利于更合理有效地对采面瓦斯涌出进行治理。

通常，用于矿井瓦斯涌出量预测的分源预测法主要是根据矿井开拓方式、煤层赋存及煤质、煤层含量分布规律等[6-7]实测数据，通过相关性分析建立预测、数学模型[8-11]进行分源预测，从而对采面通风设计提供依据，很少有在煤层回采阶段通过实时瓦斯监测数据曲线进行分源预测。基于此，本文提出基于采煤工作面瓦斯浓度实时监测曲线的采面煤壁分源预测方法。

1 技术原理

1.1 瓦斯涌出源的划分

根据我国采煤工作面特点，将采面的瓦斯涌出分为3大分源：煤壁瓦斯涌出QB、采落煤瓦斯涌出QL、采空区瓦斯涌出QK。而采面煤壁瓦斯涌出又分为3个分源：回风巷煤壁瓦斯涌出QB2和采煤工作面煤壁瓦斯涌出QB1以及运输巷煤壁瓦斯涌出QB3。由于运输巷、回风巷在进行回采前已掘进完成，因此运输巷与回风巷的瓦斯涌出已处于较为稳定涌出状态，但采煤机在工作面进行循环割煤工作，会一直揭露出煤壁新鲜面。

1.2 采面探头布置与影响源

采煤工作面一般装有3个瓦斯传感器，探头T1安装在工作面回风巷距离采空区侧充填带约10m处；探头T2安装在距工作面上出口约10m处；探头T3安装在进风巷距离工作面约10m处。如图1所示。

图1 采面瓦斯浓度监测探头布置

我国矿井实行“两采一准，8小时工作制”，在不同的生产工序中瓦斯涌出量亦不同，各位置探头在不同工序中探测瓦斯涌出源也不同。从图1中得知：在开采中形成采空区之后，维修阶段时，探头T3仅受到运输巷煤壁瓦斯涌出QB3单个分源的影响，在采煤工序时受到运输巷煤壁瓦斯涌出QB3、运煤瓦斯涌出QY影响；T1探头在维修工序时同时受到运输巷煤壁瓦斯涌出QB3、采面煤壁瓦斯涌出QB1、采空区瓦斯涌出QK影响，在采煤工序时受到运输巷煤壁瓦斯涌出QB3、采面煤壁瓦斯涌出QB1、采落煤瓦斯涌出QL、运煤瓦斯涌出QY、采空区瓦斯涌出QK影响。具体如表1所示。

1.3 采面瓦斯涌出分源方法

1.3.1 绝对瓦斯涌出量计算公式

瓦斯探头所监测的数据为实时瓦斯体积分数，绝对瓦斯涌出量的计算公式为：

Q=Cq或C=Q/q

(1)

式中，Q为绝对瓦斯涌出量，m3/min；C为瓦斯体积分数，%；q为风量，m3/min。

由式(1)中可以看出，风流中的瓦斯浓度体积分数与瓦斯涌出量成正比，与风量成反比。为了更简捷地阐述主要问题，本文假设采煤工作面通风风量不变，并以瓦斯体积分数的变化代表煤壁瓦斯涌出量的变化。

1.3.2 采面煤壁瓦斯涌出分源方法

借鉴崔洪庆等[12]和杨永清等[13]提出对工作面分源瓦斯涌出量计算方法。在采煤工序时，采面煤壁属于新揭露煤壁，在回采工作面采空区形成后，正常采煤工序阶段所观测割煤期间采面、运输巷瓦斯涌出量两者之差即为工采面采空区瓦斯涌出量QK和采落煤瓦斯涌出量QL以及煤壁瓦斯涌出量QB1这三者总和。根据T1，T3探头监测数据，按下列公式计算以上组合源瓦斯涌出量：

QB1+QL+QK=C11q11-C31q31

(2)

式中，C11，C31为探头T1、探头T3在采煤阶段观测的瓦斯浓度(体积分数)，%；q11，q31分别是T1，T3在采煤工序阶段探测到的风量，m3/min。

虽然瓦斯赋存条件、煤层结构复杂，各个矿区的衰减规律不尽相同，但总体趋势相似[14]。随着割煤机向前推进，工作面会持续揭露出新鲜煤壁，煤壁瓦斯涌出逐渐增加，由于采煤机造成的煤体破碎也会使工作面整体瓦斯涌出加大。瓦斯持续向外涌出增加采面瓦斯涌出，因此在实时瓦斯监测曲线上呈现出波动较大的衰减形态，而煤壁瓦斯涌出强度与暴露时间在瓦斯浓度数据曲线上呈现出较为平缓的衰减形态[15-18]。

以古汉山14171工作面正常地质条件下，一天中正常采煤阶段的实时瓦斯浓度监测曲线为例，如图2所示。从图2中可知，T3探头监测曲线平稳说明带式运输机不在运煤状态，则采煤机不在采煤工作状态，此时T3探头只受到运输巷煤壁瓦斯涌出的影响；T1探头受到运输巷煤壁涌出、采空区瓦斯涌出、采面煤壁瓦斯涌出影响，通过公式(2)可知，此时T1，T3探头观测到的采面、运输巷瓦斯涌出量两者之差即为新揭露煤壁瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量之和，通过瓦斯浓度曲线反应，如图3所示。

图2 瓦斯体积分数监测曲线

图3 煤壁瓦斯体积分数变化曲线

矿井采空区瓦斯涌出主要受大气压力、气温、配风量、埋藏深度等因素影响[19-20]，地面大气压与气温突然变化都会对采空区瓦斯涌出有明显的作用，且大气压力是通风静压主要影响因素，煤层埋藏深度越大，大气压力对其作用越小。本文均在短时间内进行监测数据点取值分析，大气压力、温度、配风量在短时间内变化较小，故而对采空区影响忽略不计，且古汉山14171工作面埋深为400m，因此认为一天中割煤期间采空区瓦斯涌出处于稳定状态，不影响对采面煤壁瓦斯体积分数变化趋势的分析。因此图3中曲线可视为煤壁瓦斯体积分数的变化趋势。

2 实例应用

2.1 工作面简介

古汉山煤矿14171采煤工作面煤层主要以中灰、低硫、优质无烟煤为主，工作面标高为-385～-336m。受地质构造的影响，煤岩产状有较大变化，煤层产状呈宽缓状褶皱，平均煤厚为4.8m。进行钻孔后残余瓦斯含量3.75～7.48m3/t，可以进行回采作业。

14171采煤工作面装有3个瓦斯传感器，具体位置如图1所示，其中探头T1和探头T3随着割煤机的推进而改变其与工作面相对位置。

2.2 采面煤壁瓦斯涌出信息

为便于确定一个工作日内一次正常生产工序中采煤工作面煤壁瓦斯体积分数(%)与暴露时间(t/min)的关系，通过对矿井实时监测数据处理、提取后分析结果如表2所示。

表2 采煤工作面煤壁瓦斯体积分数

2.3 采面煤壁瓦斯体积分数变化规律

2.3.1 采煤阶段采面煤壁瓦斯体积分数变化特征

借鉴大量文献以及多次拟合，提出如下基础拟合公式：

y=y0+A1e-t/t1

(3)

式中，y为经过时间t后采面煤壁瓦斯体积分数，%；t为煤壁暴露时间，min；y0，A1，t1为Origin待定拟合参数。

根据表2中各参数，正常瓦斯地质条件下，一天中一次正常采煤阶段回采工作面煤壁瓦斯体积分数CB及暴露时间t，通过Origin进行指数拟合，绘制出CB-t*关系曲线，如图4所示，拟合系数及其精度如表3所示。

图4 CB-t*拟合曲线

参数y0A1t1数值009150180825264标准误差001062001953467149

由表3可知拟合公式为y=0.0915 +0.1808e-t/25.264，经计算机拟合的系数精度高，可靠性大；由图4可知，CB-t*拟合曲线决定系数R2为0.95843，拟合结果相关性强，公式(3)可靠度高。图4中采面煤壁瓦斯体积分数和暴露时间两者之间的变化关系表明，采面煤壁瓦斯涌出随着暴露时间的延长在一定时间内逐渐降低后达到稳定释放阶段，两者关系曲线呈负指数衰减趋势形态；CB-t*拟合曲线宽度为55min，曲线最大倾角为35°；采面煤壁暴露初期的瓦斯体积分数为0.28%，达到平缓释放阶段时瓦斯体积分数为0.1%，达到稳定释放阶段所需时间约为55min。

2.3.2 异常采面煤壁瓦斯涌出曲线特征判断

根据古汉山矿井14171工作面生产日志得知，在2014年11月10日揭露了F17-1，F71-2，F71-3，F1430共4个断层，从2014年11月17日实时瓦斯浓度监测曲线中分析提取了煤壁瓦斯体积分数的数据，并拟合绘制出CB-t曲线，如图5所示。

图5 CB-t拟合曲线

从图5中可知，该CB-t曲线宽度为20min，曲线最大倾角为70°，采面煤壁暴露初期时瓦斯体积分数为0.37%，达到平缓释放阶段的瓦斯体积分数为0.1%，达到稳定释放阶段所需时间约为20min。

与正常瓦斯地质条件下采煤工序拟合曲线(图4)对比可得，相同点：两者均呈现出负指数幂衰减趋势，瓦斯体积分数随着时间增加而逐渐减少最后达到平稳；不同点：CB-t拟合曲线宽度变窄，倾角变大。说明在遇到断层后，采面煤壁瓦斯涌出量依旧会随着时间而减少，最终达到稳定，但是采面煤壁在暴露初期的绝对瓦斯涌出量变大，达到稳定释放所需时间变短。由此可知，遇到断层后，采面煤层透气性变大。因此可以根据对实时瓦斯浓度监测曲线进行分源处理获得采面煤壁瓦斯涌出状态与特征，通过与正常瓦斯地质条件下采煤工序阶段采面煤壁瓦斯涌出曲线进行对比分析得知，在当前生产过程中，采面煤壁瓦斯涌出是否异常，结合实际情况判断是否需要采取防治措施，从而达到预测的效果。

3 结 论

(1)通过不同生产工序、矿井布置的瓦斯传感器探头，结合实时瓦斯浓度监测曲线进行分析与数据提取，能够实现通过实时监测曲线对采面煤壁瓦斯涌出分源。

(2)在正常瓦斯地质条件下，一个工作日内一次正常生产工序中，采煤工作面煤壁瓦斯体积分数与暴露时间拟合曲线呈负指数幂衰减形态，采面煤壁瓦斯涌出随着时间的延长而逐渐减少，最后达到平稳释放，CB-t*曲线宽度约为55min，曲线最大倾角约为35°。

(3)在煤矿生产中，应当更大程度利用实时瓦斯监测曲线和数据对采面瓦斯进行分源分析与研究，针对异常变化，结合实际情况判断是否需要进行超前预测，从而采取相应的防治措施。

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