近距离煤层群开采工作面瓦斯涌出量预测方法研究

马文伟，付 巍，薛彦平

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016;2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 122113)

0 引 言

新建矿井或生产矿井新水平，都必须进行瓦斯涌出量预测，以确定新矿井、新水平、新采区投产后瓦斯涌出量的大小，预测结果作为矿井和采区通风设计、瓦斯抽采及瓦斯管理的依据，因此必须准确预测矿井或采掘工作面的瓦斯涌出量，提前采取必要的防治措施，以确保矿井的安全生产[1-3]。在矿井瓦斯涌出量预测方法的研究方面，专家学者进行了大量的研究，并取得了丰富的成果。最早进行矿井瓦斯涌出量方面研究的专家，提出矿山统计法和分源预测法，并在全国范围内进行了广泛的应用，于2006年发布了行业标准《矿井瓦斯涌出量预测方法》。随着现代科学技术的发展，特别是计算机技术的应用，学者们提出多种矿井瓦斯涌出量的计算方法，主要有数学模型法、灰色系统理论法、神经网络预测法等[4-9]，但这些方法理论性较强，尚处于探索阶段。分源预测法仍是目前应用最为广泛的一种方法[10-12]。

本煤层开采时，回采工作面的瓦斯涌出量是开采层和邻近层瓦斯涌出量之和，传统的分源预测法未考虑到上部邻近层开采对本煤层瓦斯涌出的影响，造成预测结果有一定程度偏差[13-16]，特别是近距离煤层群开采时，下部本煤层由于受上部多个煤层开采的影响，瓦斯多次释放，在按照行业标准《矿井瓦斯涌出量预测方法》进行本煤层瓦斯涌出量计算时，将不可避免地造成预测结果的偏差，针对此种情况，笔者在前人研究的基础上，引入开采层对邻近层瓦斯涌出影响系数，建立了开采层和邻近层瓦斯涌出量计算公式，并利用河北某矿实测数据进行初步应用验证，以期对近距离煤层群开采时工作面瓦斯涌出量的准确预测提供参考。

1 回采工作面瓦斯涌出量计算

回采工作面的瓦斯涌出主要包括开采层(包括围岩)和邻近层瓦斯涌出，预测时一般用相对瓦斯涌出量表达，计算公式为

qc=q1+q2

(1)

式中：qc为回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；q1为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。

近距离煤层群开采时，回采工作面的瓦斯涌出量计算模型如图1所示，由于近距离煤层群的开采顺序一般为自上而下，故设定1号煤层为首采层，依次向深部n号煤层进行回采，煤层间距设为h1、h2…hn-1，假设最深部n号煤层也在1号煤层回采影响范围内。

图1 近距离煤层群回采工作面的瓦斯涌出量计算模型Fig.1 Calculation model of gas emission in the mining face of contiguous seams

1.1 开采层相对瓦斯涌出量计算

根据行业标准《矿井瓦斯涌出量预测方法》，薄及中厚煤层开采时，开采层相对瓦斯涌出量q1可表示为

(2)

式中：K1为围岩瓦斯涌出系数；K2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，其值为采出率的倒数；K3为准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数；m为开采煤层厚度，m；M为开采层工作面采高，m；W0为煤层原始瓦斯含量，m3/t；Wc为煤运出地面后的残存瓦斯含量，m3/t。

1.1.1 煤的残存瓦斯含量分析

式(2)中，Wc为计算开采层瓦斯涌出量的核心数据之一，在《矿井瓦斯涌出量预测方法》中指出，瓦斯含量大于10 m3/t的高变质煤和低变质煤的Wc可根据表1所示数据取值，原始瓦斯含量小于10 m3/t的高变质煤的Wc可按式(3)计算。

(3)

分析表1可见，原始瓦斯含量大于10 m3/t的高变质煤和低变质煤的Wc的选取主要依据为煤的挥发分，当煤的挥发分大于26%时，纯煤的残存瓦斯含量均为2 m3/t，当遇到原始瓦斯含量较低的低变质煤时，可能会出现残存瓦斯含量比原始瓦斯含量大的情况，与实际不相符。

对于原始瓦斯含量小于10 m3/t的高变质煤，其残存瓦斯含量Wc采用式(3)进行计算，假设煤层原始瓦斯含量为8 m3/t，计算得到的残存瓦斯含量为0.000 96 m3/t，也与实际不符合。

表1 纯煤的残存瓦斯含量取值Table 1 Residual gas content in pure coal

综合分析，笔者认为运出矿井后的煤的残存瓦斯含量应该与煤本身的物理性质以及所处的环境有关，为统一计算且接近实际，可近似按照1个大气压下(地面气压)，残留在煤中的瓦斯含量计算，可利用式(4)代替式(3)进行计算。

(4)

式中：a、b为煤的吸附常数；Ad为煤的灰分，%；Mad为煤的水分，%；Φ为煤的孔隙率；γ为煤的视密度。

1.1.2 煤层原始瓦斯含量分析

在煤层群开采中，上部煤层的回采会引起下部煤层的瓦斯涌入上部煤层回采空间和采空区，当下部煤层回采时，其瓦斯含量相比其原始瓦斯含量有较大的降低，尤其是最下部开采层，将受到上部多个煤层开采产生的影响，造成绝大部分瓦斯的释放。笔者引入开采层i号煤层对邻近层j号煤层的瓦斯涌出影响系数ηij，结合图1的计算模型，各个煤层开采时的瓦斯含量可用式(5)计算。

(5)

式中：W01、W02、W03…W0n分别为1、2、3…n号煤层原始瓦斯含量，m3/t；W0(1)、W0(2)、W0(3)…W0(n)分别为1、2、3、…n号煤层开采时的瓦斯含量，m3/t；ηij里i的取值为1、2…(n-1)，j的取值为2、3…n，且i

故式(2)可改写为

(6)

式中：Wc(k)为k号煤层煤运出矿井后的残存瓦斯含量，m3/t，k的取值为1～n。

1.2 邻近层相对瓦斯涌出量计算

以图1计算模型为例，开采近距离煤层群中各个煤层时，其邻近层的瓦斯涌出量计算如下。

1)开采1号煤层时，邻近层的瓦斯涌出量为

(7)

2)开采2号煤层时，邻近层的瓦斯涌出量为

(8)

3)开采3号煤层时，邻近层的瓦斯涌出量为

(9)

4)以此类推，开采n-2号煤层时，邻近层的瓦斯涌出量为

(10)

5)开采n-1号煤层时，邻近层的瓦斯涌出量为

(11)

经过式(7)—式(11)的类推分析后，邻近层瓦斯涌出量可归纳为

(12)

式中：mj为第j个邻近层煤层厚度，m；Mi为i号开采层工作面采高，m；ηkj为k号煤层开采时邻近j号煤层的瓦斯涌出影响系数，%，当k≥j时，ηkj=0。

2 算例分析

河北唐山某矿为高瓦斯矿井，井田内煤系地层由石炭、二叠纪煤岩系组成，区内自上而下7、8、9、12煤层为近距离煤层群，其中7、8、9煤层为全区可采煤层，12煤层为局部可采煤层。各煤层均以焦煤为主，局部为瘦煤或贫瘦煤，煤层赋存情况及各类参数见表2。

表2 煤层赋存情况及各类参数特征Table 2 Condition of coal seam and characteristics of various parameters

矿井在回采过程中，按照自上而下的顺序，先开采7煤层，再开采8、9、12煤层。该矿在同一时间在各个煤层均有回采工作面进行回采，故需对各个煤层的回采工作面瓦斯涌出量进行预测。

将表2中各煤层的参数代入式(4)，可得7、8、9、12各煤层的残存瓦斯含量分别为0.16、0.18、0.15、0.12 m3/t。根据式(5)同时结合图1及表2的参数，计算可得各煤层在不同阶段的残余瓦斯含量，见表3—表5。

表3 7煤层开采后其余各煤层瓦斯含量Table 3 Gas content of other coal seams after No.7 coal seam mining

2.1 开采层瓦斯涌出量预测

根据式(6)及表2—表5的数据，各个煤层开采时，开采层瓦斯涌出量见表6。

表4 8煤层开采后其余各煤层瓦斯含量Table 4 Gas content of other coal seams after No.8 coal seam mining

表5 9煤层开采后12煤层瓦斯含量Table 5 Gas content of No.12 coal seams after No.9 coal seam mining

表6 开采层瓦斯涌出量计算结果Table 6 Calculation results of gas emission in mining

2.2 邻近层瓦斯涌出量

依据式(12)及表3—表5，得出开采各煤层时，其邻近层瓦斯涌出量见表7。

表7 邻近层瓦斯涌出量计算结果Table 7 Calculation results of gas emission in adjacent layers

2.3 工作面瓦斯涌出量计算

结合表6和表7，综采工作面瓦斯涌出量结果见表8。

表8 综采工作面瓦斯涌出量结果Table 8 Results of gas emission in working face

3 工作面瓦斯涌出量计算结果分析

由表8可见，当进行首采7煤层的开采时，工作面的相对瓦斯涌出量为7.44 m3/t，瓦斯主要来源于本煤层，本煤层瓦斯涌出约占总涌出量的74.3%。

1)当进行8煤层开采时，由于上部7煤层已经回采，在7煤层回采时8煤层作为邻近层瓦斯大部分已经释放，8煤层工作面相对瓦斯涌出量为1.09 m3/t，其中本煤层瓦斯涌出量只占总瓦斯涌出量的3.7%。

2)当进行9煤层开采时，上部7、8煤层已经回采，下部12煤层经过7、8煤层回采的影响，瓦斯已多次释放，9煤层工作面瓦斯涌出量为0.9 m3/t，其中本煤层瓦斯涌出量只占总瓦斯涌出量的25%。

3)当进行12煤层开采时，上部各煤层均已回采，且无邻近层，12煤层工作面瓦斯涌出量为1.76 m3/t。

为更好地说明问题，将本次各煤层回采工作面的相对瓦斯涌出量计算结果与按照标准《矿井瓦斯涌出量预测方法》所计算的结果进行对比，见表9。可见，两者的计算结果在首采层开采时基本一致，偏差为0.35 m3/t，在其余煤层开采时计算结果偏差相对较大，最大偏差为计算8煤层工作面相对瓦斯涌出量时，按标准所计算的结果是按修正后公式计算结果的4.45倍，两者偏差值达到3.76 m3/t。从矿井实际情况来讲，按照修正后计算公式所计算的结果更接近于各煤层工作面的真实瓦斯涌出量。

表9 回采工作面计算结果对比Table 9 Comparison on calculation results of mining face

4 结 论

1)在煤层群开采中，上部煤层的回采会引起下部煤层的瓦斯涌入上部煤层回采空间和采空区，当下部煤层回采时，其瓦斯含量相比其原始瓦斯含量有较大的降低，尤其是最下部开采层，由于受到上部多个煤层开采产生的影响，造成绝大部分瓦斯的释放。在针对近距离煤层群开采条件下本煤层回采工作面瓦斯涌出量的计算时，引入开采层对邻近层的瓦斯涌出影响系数，对煤的原始瓦斯含量和残存瓦斯含量进行修正，提出了修正后的开采层相对瓦斯涌出量计算公式。

2)在煤层群开采中，下部煤层的瓦斯会随着其上部煤层的回采多次释放，在引入开采层对邻近层的瓦斯涌出影响系数的基础上，通过递推归纳总结，提出针对近距离煤层群开采时邻近层相对瓦斯涌出量的计算公式。

3)利用修正后的开采层及邻近层相对瓦斯涌出量计算公式对河北某矿近距离煤层群开采条件下各煤层回采工作面的瓦斯涌出量进行算例分析，并与行标所述方法进行比对，结果表明，两者之间在计算首采层瓦斯涌出量时结果基本一致，偏差为0.35 m3/t，在计算其余各煤层回采工作面的瓦斯涌出量时，计算值均有较大幅度的偏差，偏差最大时，按标准所计算的结果是按修正后公式计算结果的4.45倍，两者偏差达到3.76 m3/t。结合矿井工作面实际瓦斯涌出情况，按照修正后的计算公式计算的工作面瓦斯涌出量结果更接近于矿井实际回采工作面的瓦斯涌出量，验证了所提出的修正后的开采层瓦斯涌出量和邻近层相对瓦斯涌出量计算公式的准确性。