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第二章 瓦斯涌出量预测方法 第一节 概述 矿井瓦斯涌出量是指矿井生产过程中涌入采掘空间及抽放瓦斯量之和，可用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两个参数来表示。绝对瓦斯涌出量是单位时间内涌出的瓦斯体积，单位通常以m3/min表示；相对瓦斯涌出量是指在正常生产条件下，每采1t煤涌出的瓦斯体积，以m3/t表示。我国现有国有重点煤矿600多个，其中高瓦斯和突出矿井约占一半。在1985-1995年期间，国有重点煤矿的瓦斯涌出量由31.2亿m3/a增至46.4亿m3/a，年平均增加瓦斯涌出量1.5亿m3。根据1994年矿井瓦斯鉴定资料统计，国有重点煤矿中有92个矿井的绝对瓦斯涌出量在30m3/min以上，其中5个矿井超过100m3/min。抚顺矿务局老虎台矿瓦斯涌出量为233m3/min，居全国首位。 矿井瓦斯涌出量预测是矿井通风、瓦斯抽放设计和瓦斯管理必不可少的基础工作。现用矿井瓦斯涌出量预测方法可概括为两大类，一是矿山统计法，二是煤层瓦斯含量预测法。矿山统计法的实质是根据生产矿井不同生产水平的实测瓦斯资料，经过分析得出瓦斯涌出量随开采深度的变化规律。根据该规律推算深部水平或邻近新矿井的瓦斯涌出量。煤层瓦斯含量预测法的实质是按照矿井生产过程中瓦斯涌出源的多少、各个涌出源瓦斯涌出量的大小来预测矿井、采区、回采面和掘进工作面等的瓦斯涌出量。各个瓦斯源涌出瓦斯量的大小是以煤层瓦斯含量、瓦斯涌出规律及煤层开采技术条件为基础进行计算确定的。这一方法又称矿井瓦斯涌出量分源预测法。 抚顺分院根据多年的现场和试验室试验研究，于“八五”期间提出了分源预测法。将矿井瓦斯源归纳为以下6个开采层瓦斯涌出、邻近层瓦斯涌出、生产采区采空区瓦斯涌出、已采采空区瓦斯涌出、掘进工作面煤壁瓦斯涌出和掘进工作面落煤瓦斯涌出。并给出了上述6种瓦斯源的瓦斯涌出量计算方法。 第二节 掘进工作面瓦斯涌出量预测 掘进工作面的瓦斯由巷道煤壁和掘进落煤两部分组成，一般可用下式计算 Q q3 q4 （2-2-2-1） 式中 Q掘进工作面瓦斯涌出量，m3/min； q3掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min； q4掘进落煤瓦斯涌出量，m3/min。 一、掘进巷道煤壁瓦斯涌出量预测 （2-2-2-2） 式中 q3掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min； n煤壁暴露面个数，单巷掘进时，n2； m0 煤层厚度，m； 巷道平均掘进速度，m/min； L巷道长度， m； qo煤壁瓦斯涌出初速度, m3/m2min；无实测值时可按下式计算 （2-2-2-3） Vr煤中挥发份含量, ； W0煤层原始瓦斯含量， m3/t。 二、掘进落煤的瓦斯涌出量预测 （2-2-2-4） 式中 q4掘进巷道落煤的瓦斯涌出量，m3/min； S掘进巷道断面积，m2； 巷道平均掘进速度，m/min； 煤的密度，t/m3； 煤层原始瓦斯含量，m3/t； 运至地表煤的残存瓦斯含量，m3/t； 三、综合机械化掘进工作面瓦斯涌出量 与普通掘进工作面的瓦斯涌出一样，综合机械化掘进工作面的瓦斯也是由巷道煤壁和掘进落煤两部分组成。而区别在于综合机械化掘进落煤瓦斯涌出形式表现是均匀的，且与落煤量、运煤速度、工作面长度有关。 1. 综合机械化掘进工作面巷道煤壁瓦斯涌出量 （2-2-2-5） 式中q3--掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min； --巷道的煤壁周边长度，m； --巷道日平均掘进速度，m/d； L1--巷道长度，m； --瓦斯解吸强度衰减系数。 2．综合机械化掘进工作面掘进落煤的瓦斯涌出量 （2-2-2-6） 式中q4--掘进巷道落煤的瓦斯涌出量，m3/min； 煤的密度，t/m3； s掘进巷道断面积，m2； --巷道平均掘进速度，m/min； --运输机的运煤速度（一般取刮板运输机的速度），m/min； L2--运输机的运煤长度，m； --采落煤的极限瓦斯解吸强度，m3/m2.min； --瓦斯解吸强度衰减系数。 第三节 回采工作面瓦斯涌出量预测 回采工作面瓦斯由落煤、煤壁、采空区瓦斯涌出三部分组成。采空区瓦斯又由围岩瓦斯、厚煤层下分层瓦斯涌出两部分组成。 一、回采工作面瓦斯涌出量预测有关参数 （一） 厚煤层分层开采瓦斯涌出系数 厚煤层分层开采时，各分层的瓦斯涌出量是不同的。我们这样定义分层开采工作面相对瓦斯涌出量与一次采全高时的相对涌出量比值为厚煤层开采涌出系数。显然，各分层的瓦斯涌出系数是不同的。对不同矿区的瓦斯涌出资料利用统计方法进行了分析，不同分层开采工作面瓦斯涌出系数Kf值见表2-2-3-1 不同分层开采工作面瓦斯涌出系数Kf值 表2-2-3-1 分两层开采 分三层开采 Kf1 Kf2 Kf1 Kf2 Kf3 1.504 0.496 1.820 0.692 0.488 （二） 邻近层瓦斯排放率 在邻近层瓦斯涌出量预测时，邻近层瓦斯排放率是一个重要的参数。抚顺分院在“七五”、“八五”、 “九五”期间对邻近层瓦斯排放率测定作了大量的工作，根据在阳泉、北票、淮南等矿区测定的结果，得到的邻近层瓦斯排放率的曲线如图2-2-3-1所示 （三） 推进速度修正系数 实际观测表明，工作面绝对瓦斯涌出量在开采强度不大的情况下，随着开采强度的增大而增加，并较好的符合直线关系。当开采强度继续增加时，采面绝对瓦斯涌出量增长速度减慢，并呈一种比较复杂的曲线关系。经分析认为，其主要原因是工作面推进速度的快慢直接影响到围岩的移动和变形。图2-2-3-2是实测的平煤戊-21191采面瓦斯涌出量和按分源法预测的瓦斯涌出曲线。我们把瓦斯涌出量实际值与分源法预测的涌出量之比称作推进速度修正系数。在产量不大的情况下，预测值与实测值基本接近；反之，实际值比预测值小,因此推进度修正系数小于1。 统计结果表明，工作面推进度大于4m/d时，需进行修正。经实测，在平煤集团一矿修正系数与推进速度的关系如图2-2-3-3。 图2-2-3-1 不同层间距邻近层瓦斯排放率曲线 日产量（t） 瓦斯涌出量（m3/min） 2 1 图2-2-3-2 21191采面瓦斯涌出量和分源法预测的瓦斯涌出曲线 1---瓦斯涌出量实际值 2传统分源法预测的涌出量 二、回采工作面瓦斯涌出量预测 ㈠ 开采层瓦斯涌出量预测 1 煤壁瓦斯涌出量预测 根据对煤壁瓦斯涌出强度的实测，同时考虑到煤壁瓦斯的不均匀涌出现象，通过数学分析判明，煤壁卸压带中瓦斯含量随时间的变化，基本上呈负指数函数衰减，其表达式为 m3／t 2-2-3-1 式中W0煤层原始瓦斯含量，m3／t W1卸压带中煤的瓦斯含量，m3／t； b取决于矿山压力和煤层透气性的系数； t采煤机循环时间，d。 则回采带中煤壁的瓦斯涌出量为 m3／t 2-2-3-2 式中v工作面平均推进速度，m/d； h-面循环进尺，m. 图2-2-3-3 平煤集团一矿修正系数与推进速度的关系 2落煤瓦斯涌出量预测 将实测的落煤的瓦斯涌出强度曲线，转换为含量曲线，结果表明，落煤瓦斯含量随时间变化，符合双曲线函数关系 m3／t 2-2-3-3 则落煤的相对瓦斯涌出量为 m3／t 2-2-3-4 式中t煤在井下的暴露时间； n采落煤炭瓦斯放散速度系数（与煤的物理、化学性质及破碎程度有关）. 3 开采层（本煤层）瓦斯涌出量预测 开采层瓦斯涌出主要由工作面煤壁和落煤两部分构成。在不考虑其它因素影响时，开采层采落瓦斯涌出量（q开）可由下式计算 q开＝ m3／min 2-2-3-5 研究表明当采落煤炭运出工作面进风流时，即为残存瓦斯含量Wc，这样式2-2-3-5可简化为 m3／t 2-2-3-6 对于一次采全高的工作面，考虑到开采层掘进巷道预排影响和围岩瓦斯涌出等因素时，其开采层瓦斯涌出量可用下式计算 ｑ开＝K1K2K3m/M（Ｗ0-Ｗc） 2-2-3-７ 式中q开开采层瓦斯相对涌出量，ｍ3/t； k1围岩瓦斯涌出系数，k11.1-1.3; K2工作面丢煤瓦斯涌出系数，为回采率的倒数； K3采面巷道预排瓦斯影响系数，按K3＝L-2h/L计算。其中L为工作面长度,ｈ为掘进巷道预排等值宽度,h18-25m； Ｗ0煤层原始瓦斯含量,m3 /t； Ｗc运出矿井后煤残存瓦斯含量,m3 /t； m开采层厚度，m； M开采层采高，m。 厚煤层分层开采时，除上述影响因素外，各分层间的采动影响也是一个重要因素，生产实践证明，厚煤层分层开采时，各分层的瓦斯涌出是不同的，其开采层瓦斯涌出量可按如下公式计算 ｑ开＝K1K2K3Kf（Ｗ0－Ｗc） 2-2-3-8 式中Kf取决于煤层分层数量和顺序的分层瓦斯涌出系数； 其它符号意义同前。 ㈡ 邻近层瓦斯涌出量预测 煤层开采前，围岩应力处于平衡状态。煤层开采过程中，围岩原有应力状态被破坏，使处于冒落带、裂隙带的邻近层瓦斯在瓦斯压力梯度的作用下,将经由采空区源源不断的涌入到回采工作面。 开采层回采后，第i邻近层单位面积的瓦斯涌出量为 m3／m2 2-2-3-9 换算成开采1t煤的瓦斯涌出量应为 2-2-3-10 式中ｑ邻邻近层瓦斯涌出量， ｍ3 /t； mi 第ｉ个邻近层煤层厚度，ｍ； 煤的密度，t/m3； M 采高， ｍ； 第ｉ个邻近层瓦斯排放率，％； Ｗoi第ｉ个邻近层煤层瓦斯原始含量，ｍ3 /t。 n个邻近层总的相对瓦斯涌出量为 m3／t. 2-2-3-11 ㈢ 回采工作面瓦斯涌出量 回采工作面瓦斯涌出由开采层和邻近层两部分组成，其计算公式为 m3／t 2-2-3-12 ㈣ 高产工作面瓦斯涌出量预测方法 由于推进速度的加快，采空区内各瓦斯涌出源的相对瓦斯涌出量都有不同程度的减少。研究表明，采空区内各源瓦斯涌出变化，最终将体现在回采工作面总瓦斯涌出量的变化。根据研究结果，对回采工作面瓦斯涌出量计算要引入工作面推进度修正系数。这样式2-2-3-12将变成 q＝kv（q开＋q邻 ） 2-2-3-13 即q＝kv[K1K2K3Kf（Ｗ0－Ｗc） 2-2-3-14 式中 kv推进度（产量）影响系数。 WC运出工作面时煤的残存瓦斯含量，m3/t; 其余参数同上。 必须指出，在工作面瓦斯涌出量预测中，残存瓦斯量WC 不是一个常数，而是一个变量，与采落煤块运出工作面的时间相对应；引入KV后，当工作面推进速度改变时，工作面瓦斯涌出量亦发生变化。 19