煤矿掘进工作面瓦斯涌出规律

强威

摘要：为了研究掘进工作面落煤瓦斯涌出规律，确定瓦斯灾害治理与采区通风合理设计，通过解吸法测定掘进工作面落煤瓦斯含量，探讨落煤瓦斯解吸量与暴露时间二者的关联性，由此建立数学模型。研究表明，瓦斯解吸量与暴露时间二者呈反相关性，表现出似双曲线变化特征，由此建立掘进工作面瓦斯涌出规律预测模型，该研究对掘进工作面瓦斯管理具有重要借鉴意义。

Abstract： To study the law of coal gas emission from driving face and determine the reasonable design of gas disaster control and ventilation in mining area， the coal gas content of driving face is determined by desorption method， and the correlation between coal gas desorption and exposure time is discussed. The mathematical model is established. The results show that the gas desorption and exposure time are inversely correlated， showing hyperbolic variation characteristics， based on this， the prediction model of gas emission law of driving face is established. This study has important reference significance for gas management of driving face.

关键词：掘进工作面;解吸法;瓦斯涌出规律;数学模型;瓦斯管理

Key words： driving face;desorption method;law of gas emission;mathematic model;gas management

中图分类号：TD712.5                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）31-0202-02

0  引言

掘进工作是煤矿井下工作的重要环节，随着煤层开采深度的不断增加以及掘进工作面的不断推进，煤岩层中瓦斯释放量不断增加，其必将打破煤岩层中瓦斯原有平衡状态，即煤岩层中瓦斯发生解吸，随着掘进工作面暴露时间增加以及掘进工作面通风，煤岩层中瓦斯不断减少。掘进工作面瓦斯涌出量因采用的工作面煤岩破落方式、破落煤岩性质等不同而不同。本文基于已有研究[1-4]，主要分析煤层掘进工作面落煤瓦斯释放量，即探讨煤层掘进工作面落煤瓦斯解吸量与时间二者之间的关联性，由此分析掘进工作面瓦斯涌出规律，以期为煤层掘进工作面瓦斯管理提供技术支撑。

1  掘进工作面基本情况

实验工作面所在区域地质条件相对简单，小型背向斜、断层、挠曲等构造较为发育，煤层结构较为简单，有少量夹矸，顶板以粉砂岩、泥质砂岩为主，平均厚度2.6m，101掘进工作面采用爆破掘进方式，102掘进工作面采用机械化掘进方式，采用锚网梁索支护。

2  掘進落煤瓦斯含量分析

煤层瓦斯解吸是多变复杂的，煤层瓦斯压力（或含量）高低不同其解吸形式不同，在瓦斯压力（或含量）较高的情况下，解吸过程主要表现为渗透形式，辅以扩散形式;在瓦斯压力（或含量）较低的情况下，解吸过程主要表现为渗透形式。在掘进工作面推进过程中，随着煤体不断破落，煤层中瓦斯原始的平衡状态也随之打破，煤层原始地应力也随之打破，同时在矿井通风的作用下，掘进工作面瓦斯不断涌出，随着时间的推移及通风的作用，落煤瓦斯不断减少。

落煤瓦斯为掘进工作面主要瓦斯来源，因采用的破煤方式、工艺不同，破煤粒径不同，瓦斯放散速度也不同，瓦斯放散速度与破煤粒径具有反相关性。在工作面煤体刚揭露过程中，收集2kg左右煤样，暴露时间50min，按原煤筛分标准以0mm、6mm、13mm、25mm为临界值划分四级，并记录煤质、粒度，筛分后进行密封。收集试样在实验室进行脱气实验，测定试样破碎前、后瓦斯脱气量。测定其水分、挥发分、灰分、重量等参数，求出每一级别的残存瓦斯含量，计算方法如下：

式中：Xci——某一级别试样残存瓦斯含量，mL/（g·r）;

V1——破碎前试样瓦斯脱气量，mL;

V2——破碎后试样瓦斯脱气量，mL;

G——试样重量，g;

Af——灰分含量，%;

Wf——水分含量，%。

按粒度分级确定落煤残存瓦斯量，如下式：

式中：Xc——试样平均残存瓦斯量，mL/（g·r）;

X1、X2、X3、X4——不同粒级试样残存瓦斯量，mL/（g·r）;

G1、G2、G3、G4——各粒级试样占原煤总量比，%。

为探讨掘进工作面落煤瓦斯涌出规律，分析残存瓦斯量与落煤时间关联性，采用瓦斯解吸仪对101掘进工作面落煤残存瓦斯量进行实验测定，实验结果如表1所示。[5]

由表1数据可知，落煤残存瓦斯含量不同，掘进工艺及落煤粒度对残存瓦斯量有较大影响，該掘进工作面残存瓦斯含量为2.79m3/t左右。

3  掘进落煤瓦斯涌出规律

为分析掘进落煤瓦斯涌出规律，探讨落煤瓦斯解吸量与时间二者之间的关联性，采用瓦斯含量法分析不同时间落煤瓦斯解吸量与试样重量，探讨落煤瓦斯与时间二者的关联性。具体方法为工作面刚揭露煤体时收集破落的块粒煤，装入试样容器内，以瓦斯涌出量衰减平缓为终止点，记录不同时间测得的瓦斯解吸量。[5-6]

落煤瓦斯解吸量由下式计算：

式中：V？驻t——t2-t1时间内落煤瓦斯解吸量，mL/（g·min）;

t1、t2——测定时间，min;

Q1、Q2——t1、t2时间瓦斯解吸总量，mL。

采用上述方法测定101掘进工作面、102掘进工作面落煤瓦斯涌出量，其测定数据如表2所示。根据测得数据绘制V？驻t-t曲线，如图1所示。

由图1可知，落煤瓦斯解吸量与暴露时间呈反相相关，二者为似双曲线关系，在复对数坐标系中，其表现为线性关系，如下式：

式中：VL —— 1+t时间后落煤瓦斯解吸量，mL/（g·min）;

V0—— t=0时落煤瓦斯解吸量，mL/（g·min）;

t—— 落煤暴露时间，min;

a —— 解吸量衰减系数。

将式（4）化为线性方程式：

V0、？琢为待定系数，VL为不同暴露时间t落煤瓦斯解吸量实测值。将表2数据代入式（5），采用回归法可获得落煤瓦斯解吸量V0和衰减系数？琢，如表3所示。

V0和a因自然、开采条件变化而不同。

通过对式（4）微积分可求得单位时间落煤瓦斯涌出量表达关系式：

根据表3及式（6）可求得掘进工作面单位时间落煤总瓦斯涌出量，表达关系式如下：

在实际工作中，可根据式（7）求得某时间范围内瓦斯涌出量。

4  结束语

通过掘进落煤瓦斯涌出规律研究，获得101掘进工作面残存瓦斯量2.79m3/t左右，揭示了掘进面落煤瓦斯解吸量与时间为反相关关联，二者关系呈似双曲线特征，并建立了掘进面单位时间落煤瓦斯涌出模型，其表达关系式为，该研究可为同类条件下掘进工作面瓦斯预测和瓦斯灾害管理提供重要参考。

参考文献：

[1]杨键，孙章应，李炳玉.基于LS-SVM 预测掘进工作面瓦斯涌出量[J].山东煤炭科技，2019（9）：103-105.

[2]陈俊明.煤矿掘进工作面瓦斯涌出规律研究[J].能源与节能，2017（7）：42-43.

[3]吕俊高，邬运美.基于掘进工作面瓦斯涌出量的煤层瓦斯含量预测研究[J].煤炭技术，2015，34（11）：152-153.

[4]颜爱华.煤层瓦斯含量多源数据分析及其预测研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2010.

[5]MT/T-77-94，煤层气测定方法（解吸法）[S].1994.

[6]AQ-1018 2006，矿井瓦斯涌出量预测方法[S].北京：煤炭工业出版社，2006.