分层开采掘进工作面瓦斯涌出规律及预测.pdf

2 0 0 6 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 3 卷第6 期 分层开采掘进工作面瓦斯涌出规律及预测 王恩营 河南理工大学 资源环境学院， 河南 焦作 4 5 4 0 0 0 摘要 以瓦斯地质理论为基础， 根据相似原理， 用多元统计分析的方法研究了豫西新安煤矿分层 开采掘进工作面瓦斯涌出规律， 并对瓦斯涌出量进行了预测。研究结果表明， 煤层巷道标高是影响瓦斯 涌出量的主要因素， 其次是瓦斯含量、 煤层厚度、 煤层顶板泥岩厚度； 井田中部瓦斯涌出量较小， 浅部、 深 部和井田的东西翼部涌出量大。预测结果可以作为掘进工作面瓦斯治理的依据。 关键词 分层开采； 掘进工作面； 瓦斯涌出规律； 预测 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 6 0 6 0 0 1 2 0 3 豫西新安煤矿属于高瓦斯矿井， 开采煤层为山 西组二． 煤， 煤厚平均 4 ． 5 m 。矿井 1 9 8 8 年建成投 产， 设计年生产能力 1 5 0 万 t 。2 0 0 0年以前主要采用 分层开采的方法开采， 目前已经全部采用放顶煤开 采。在一分层煤巷掘进过程中， 经常出现瓦斯涌出 异常， 为掘进工作面通风安全增加了很大的难度。 1 掘进工作面风量、 瓦斯浓度、 瓦斯涌出量 研究中共统计了 l 8 个工作面 3 6 条煤巷的瓦斯 涌出量资料， 约占矿井历年来全部掘进巷道的5 0 ％， 其中一分层 1 3 个工作面2 6 条巷道， 二分层5 个工作 面 l 0条巷道。 1 ． 1 风量 一 般在 2 0 0 ～2 5 0 ／ m i n ， 又分两个 时问段 ， 1 9 9 9 年5 月之前一般供风量为2 0 0 ／ m i n ， 以后供风量主 要稳定在 2 5 0 m 3 ／ m i n 左右， 反映了近几年较过去明 显增大的特点。 1 ． 2 瓦斯浓度 一 分层 瓦斯浓度总体上稳定在 0 ． 1 ％ 0 ． 3 ％， 但异常点较多， 规律性不明显。据统计， 瓦斯浓度≥ 0 ． 4 ％的月统计点有 1 8 个， 约占全部统计的 1 1 ％， 其 中， 瓦斯浓度≥0 ． 7 ％的点 1 个； 0 ． 7 ％一 0 ． 6 ％的点 5 个 ； 0 ． 6 ％一0 ． 5 ％的点 4 个 。 二分层 瓦斯浓度很稳定， 异常点较少， 瓦斯浓 收稿日期 2 0 0 6 0 3 0 3 ； 2 0 0 6 0 6 0 5修回 基金项目 国家“ 十五” 科技攻关资助项 目 2 0 0 4 B A 8 0 3 B O 1 0 3 作者简介 王恩营 1 9 6 3 一 ， 男， 河南新 乡人， 硕士， 副教 授， 主要从事煤矿地质与煤矿安全教学与研究工作。 l 2 度10 ． 4 ％的月统计点只有 2 个， 说明一分层回采之 后， 异常点位置瓦斯得到释放， 二分层掘进时不再有 异常涌 出。 1 ． 3 瓦斯涌出量 瓦斯涌出量变化总体上与瓦斯浓度特点一致。 其 中 一 分层瓦斯涌出量一般为 0 ． 4 0 ． 7 ／ m i n ， 平 均0 ． 6 l m ] ／ m i n 。最大和最小瓦斯涌出量为 1 ． 9 3 0 ． 3 3 ／ m i n ， 瓦斯涌出异常点较多， 对安全生产构成 了一定 的威胁 ， 见图 1 。 竺 广 一 、、． 鲍 ／ I n 7 u j J 一0 ． 5 0 ⋯一 粟 区 图 1 巷道瓦斯涌出量变化折线图 二分层瓦斯涌出量一般为 0 ． 4 0 ． 6 rI l3 ／ m i n ， 平 均 0 ． 5 2 n l 3 ／ m i n 。最大和最小 瓦斯涌出量为 1 ． 3 4～ 0 ． 2 2 m ] ／ m i n ， 瓦斯涌出异常点较少， 涌出量较稳定 见图 1 。 一 分层瓦斯涌 出量 比二分层约 大 0 ． 1 n l 3 ／ m i n ， 即 1 5 ％一 2 0 ％， 说明煤层瓦斯透气性较小， 上分层开 采对下分层正常瓦斯涌出量影响不大， 但对异常涌 出量有影响 ， 一分 层有异常 ， 二分层不再 出现异 常， 但是反过来， 一分层没有异常， 二分层仍然可能出现 异常。 同⋯ 亡 作面上下巷平均瓦斯涌出量近似， 理论 维普资讯 2 0 0 6 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第 3 3 卷第6 期 上下巷应高于上巷， 实际上这一规律性不明显， 见 图 2 。 月 统 计 点 图 2 1 2 1 2 1 工作面上 、 下巷瓦斯涌出量折线图 1 ． 4 瓦斯涌出量沿走向方向的变化 根据对各采掘巷道瓦斯涌出量分析， 沿煤层走 向有一定的变化趋势 一 分层， 瓦斯涌出量在矿井中部的 1 1 ， 1 2 采区 最低， 向井田东部、 西部的 l 3 ， l 4 采区逐渐增大。 二分层， 同一分层相似， 变化较小， 总体上比较 稳定， 瓦斯涌出量比一分层低， 符合一般瓦斯涌出规 律， 说明一分层回采后， 有部分瓦斯得到释放。 2 巷道瓦斯涌出规律分析 对一分层 2 6条巷道、 二分层 1 0条巷道的一般 瓦斯涌出量与巷道标高、 煤厚、 瓦斯含量以及煤层顶 板泥岩厚度之间的关系进行 了研 究 ， 发现 瓦斯涌 出 量与巷道标高关系比较密切， 与其它 3个因素关系 较小。例如， 在煤厚相似条件下， 涌出量可以变化很 大， 而在煤厚变化很大的条件下， 瓦斯涌出量又变化 不大等。 一 分层 一分层 2 6 条巷道一般瓦斯涌出量与巷 道标高的关系见图3 ， 总体上看瓦斯涌出量呈现出由 6 0 m标高向深部 、 浅部逐渐增高的趋势， 最小瓦斯 涌出量平均在 0 ． 6 r n 3 ／ m i n左右 ， 向浅部 瓦斯 涌出量 递增 梯 度 约 0 ． 4 4 ／ m i n- h m ， 向 深 部 约 0 ． 1 8 m ／ mi n - h m 言 量 置 书 耀 越 y 1 0 一 0 0 0 5 I x 0 ． 7 0 2 9●◆ ● RZ 0 ． 4 1 2 2‘ ， 、 ． L．． 7． _． ． ’’ O ． ’ 巷道标 高 ， m 图 3 一分层巷道瓦斯涌出量与标高的关系 由此推算， 在一水平浅部 6 0 一1 5 0 m 平均 瓦斯涌出量一般为 0 ． 6～1 ． 0 m 3 ／ m i n ， 深部 6 0～ 一 2 0 m 一般 为 0 ． 6～0 ． 8 m 3 ／ m i n 。二 水平 一2 0． 一 一 2 0 0 m 瓦斯涌出量约在 0 ． 8 ～1 ． 1 5 IT l3 ／ m i n 。但是， 瓦斯涌出量数值分布点离散性比较大， 相关系数 R 值较小， 说明巷道瓦斯涌出量除了与埋深有关外， 还 与其它因素有关。 二分层 瓦斯涌出量随埋深有增大 的趋势 ， 其正 常递增梯度约为 0 ． 1 1 m 3 ／ m i n - h m ， 符合正常瓦斯 涌出量规律。同一分层相似 ， 瓦斯涌出量数值分布 点离散性比较大， 相关系数 尺值较小， 也反映了其 它因素对瓦斯涌出量的影响。 3 瓦斯涌出量预测 矿井瓦斯涌出量预测方法可分为三类 一是建 立在数理统计基础 上的矿山统计法 ； 二是 以煤 层 瓦斯含量为基本预测参数的瓦斯含量法 ； 三是瓦 斯地质数学模型法 3 J 。 研究区瓦斯涌出量预测不具备瓦斯含量法和瓦 斯地质数学模型法预测的条件， 因此， 以相似原理为 基础 ， 用多元统计分析 的方法进行预测 。 研究区地质条件简单， 对比可靠 ， 因此 ， 预测结 果应当是可信的。 3 ． 1 一分层瓦斯涌 出量预测 在综合因索分析中， 为了最大限度地拟合巷道 瓦斯涌出量 ， 根据定性研究 中所取得 的基本认识 ， 巷 道标高、 煤层厚度、 瓦斯含量、 煤层顶板泥岩厚度 4 个参数全部参与计算； 另外， 为了尽可能地排除局部 地质因索的影响， 采用一般巷道瓦斯涌出量建立数 学模型如下 Q0 ． 2 6 8 0 ． 0 0 3 4 0 9 Kl 0 ． 0 0 8 9 9 5 K 2 0． 0 3 2 0 9K30． 0 8 0 8K4 式中 p为巷道瓦斯涌出量， rn 3 ／ m i n ； K 。 ， K 2 ， K 3 ， ／q分 别为巷道标高、 煤层厚度、 瓦斯含量、 顶板泥岩厚度。 利用该模型计算巷道瓦斯涌出量复相关系数 尺0 ． 5 9 0 ， 瓦斯涌出量最大误差 0 ． 2 5 3 ， 最小误差 0 ， 平均误差 0 ． 1 0 3 ， 约相当于巷道平均瓦斯涌出量的 1 5 ％。说明利用该公式进行预测是可信的， 预测结 果见图 4 。 巷道瓦斯涌出量具有如下特征 1 总体上看， 在井田浅部及中深部， 巷道瓦斯涌 出量在0 ． 4 ～ 0 ． 6 m 3 ／ m i n ， 涌出量较稳定。在井 田深 部瓦斯涌出量随深度的增加逐渐增大， 规律性 十分 明显 。 2 井田中部瓦斯涌出量较低 ， 井田的东部及西 部特别是西部较高。 3 瓦斯涌出量具有沿走 向及倾 向对称分布的 特点。 1 3 维普资讯 2 0 0 6 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 3 卷第6 期 曩 ． ／▲ ■ 、 - _ r 一 一 I ． 4 l 3 】2 1 ． I l O 0 ． 9 0 8 0 7 0 6 ／ 0 5 ’ 一 麟 04 r ■ 0 3 0 2～ ， _ I ＼ 01 ．0 图 4 巷道 瓦斯涌出量预测图 在实际应用中， 由于煤层厚度、 煤层顶板泥岩厚 度、 瓦斯含量、 巷道掘进速度等因素与巷道瓦斯涌出 量相关性很小， 因此， 为了增强认识 ， 简化计算， 可以 依据煤层埋深一个因素来进行计算和预测 略 。 3 ． 2 二分层瓦斯涌出量预测 巷道瓦斯涌出量除了受各种地质因素作用外， 还受上分层开采的影响。鉴于矿井今后不再分层开 采， 只掘进一分层巷道， 因此， 对二分层不再进行预 测研究 。 上接第 1 1 页 4 结论 图5 下沉模拟图 分析了地表移动和沉陷的各类影响因素， 根据 最小体元的方法， 通过特定曲面差值法得出了新的 地表沉陷预计公式。该公式考虑了较多的因索， 在 程序中与传统的预计方法进行了比较 ， 得出了较准 确的预计值。同时， 将这种思想用程序予以实现， 其 程序的设计思想容易理解， 并充分运用人机交互和 1 4 4 结论 1 瓦斯涌出量在矿井中部的 l 1 ， 1 2 采区最低 ， 向井田东部、 西部的 l 3 ， 1 4 采区逐渐增大。 2 一分层瓦斯涌出量一般为 0 ． 4～0 ． 7 m 3 ／ m i n ， 平均 0 ． 6 1 m 3 ／ m i n ， 最大和最小瓦斯涌出量为 1 ． 9 3 ～ 0． 3 3 m3 ／ mi n ，瓦斯涌出异常点较多。二分层瓦斯涌 出量一般在 0 ． 4． ， 0 ． 6 m ／ m i n ， 平均 0 ． 5 2 m 3 ／ m i n ， 最 大和最小瓦斯涌出量为 1 ． 3 4 ～ 0 ． 2 2 m 3 ／ ra in ， 瓦斯涌 出异常点较少， 涌出量较稳定。 3 影响瓦斯涌出量的因素较多， 包括巷道标高、 瓦斯含量、 煤厚、 煤层顶板泥岩厚度等， 其中， 巷道标 高是影响瓦斯涌出量的最主要因素。 4 以相似原理为基础， 用多元统计分析的方法 对全井田巷道瓦斯涌出量进行了预测， 预测结果可 信， 可以作为巷道掘进中瓦斯防治的依据。 参考文献 [ 1 ]刘新荣， 鲜学福， 等． 煤层瓦斯涌出量与煤层埋藏深度关 系的探讨[ J ] ．矿业安全与环保， 2 0 0 1 ， 2 8 1 4 1 ～4 2 [ 2 ]王兆丰．矿井瓦斯涌出量分源预测及其应用． 煤矿安全 [ J ] ．1 9 9 1 ， 1 8 1 2 [ 3 ]张子戊， 袁崇孚．瓦斯地质数学模型法预测矿井瓦斯涌 出量研究[ J ] ．煤炭学报， 1 9 9 9 ， 2 4 4 3 6 8 ～3 7 2 责任编辑 吴 自立 面向对象技术， 增强了程序的可用性和实用性， 为近 一 步对地表沉陷的三维显示打下了一定的基础。 参考文献 [ 1 ]成祥恩， 李德海， 勾攀峰．巨厚松散层下开采及地表移 动[ M ] ． 徐州中国矿业大学出版社， 2 0 0 1 [ 2 ]何国清，杨伦，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学[ M] ．徐 州中国矿业大学出版社，1 9 9 1 [ 3 ]李永树，王金庄，邢安仕．任意分布形式煤层开采地表 移动预计方法[ J ] ． 煤炭学报， 1 9 9 5 ， 2 0 6 6 1 9 6 24 [ 4 ]赵经彻， 何满潮． 建筑物下煤炭资源可持续开采战略 [ M] ．徐州 中国矿业大学出版社，1 9 9 7 [ 5 ]郭广礼， 王悦汉， 马占国． 煤矿开采沉陷有效控制的新 途径[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 4 ， 3 3 2 1 5 0 1 5 3 责任编辑 卫蓉 维普资讯