煤炭安全开采最高允许含气量求算模型.pdf

煤炭安全开采最高允许含气量求算模型 第六图书馆 以国家煤矿安全规程中的相关规定为切入点,考虑煤层气地质条件、矿井瓦斯状况、煤炭开采强度、煤矿通风安全措施 等4方面主要影响因素,建立了求算最高允许含气量的数学模型,提出了最高允许解吸量等新的概念,并据此模型对我国6个矿 区34个单元进行了测算.测算结果显示,最高允许解吸量平均为2.24 m3/t,最高允许含气量平均为7.51 m3/t,即只要煤层 气平均预抽采率达到25.32,6个矿区在总体上就能达到防止矿井瓦斯爆炸的安全规定上限要求.不存在全国统一的煤炭安全 生产最高允许含气量标准,而最高允许解吸量和最低预抽采率可能是建立矿井瓦斯保安标准的核心.以国家煤矿安全规程 中的相关规定为切入点,考虑煤层气地质条件、矿井瓦斯状况、煤炭开采强度、煤矿通风安全措施等4方面主要影响因素,建 立了求算最高允许含气量的数学模型,提出了最高允许解吸量等新的概念,并据此模型对我国6个矿区34个单元进行了测算.测 算结果显示,最高允许解吸量平均为2.24 m3/t,最高允许含气量平均为7.51 m3/t,即只要煤层气平均预抽采率达到 25.32,6个矿区在总体上就能达到防止矿井瓦斯爆炸的安全规定上限要求.不存在全国统一的煤炭安全生产最高允许含气量 标准,而最高允许解吸量和最低预抽采率可能是建立矿井瓦斯保安标准的核心.煤矿安全 煤层气 矿井瓦斯 最高允许 含气量 最高允许解吸量煤炭学报秦勇 吴财芳 胡爱梅 杨兆彪 范志强 叶建平中国矿业大学资源与地球科学学 院 中联煤层气有限责任公司 中联煤层气有限责任公司 江苏徐州 江苏徐州2007第六图书馆 第六图书馆 第32卷第10期煤 炭 学 报Vol . 32 No. 10 2007年10月JOURNAL OF CHI NA COAL SOC IETYOct . 2007 文章编号0253 - 9993200710 - 1009 - 05 煤 炭 安 全 开 采 最 高 允 许 含 气 量 求 算 模 型 秦 勇 1 ,吴财芳 1 ,胡爱梅 2 ,杨兆彪 1 ,范志强 2 ,叶建平 2 11中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221008;21中联煤层气有限责任公司,北京 100011 摘 要以国家 煤矿安全规程 中的相关规定为切入点,考虑煤层气地质条件、矿井瓦斯状 况、煤炭开采强度、煤矿通风安全措施等4方面主要影响因素,建立了求算最高允许含气量的数 学模型,提出了最高允许解吸量等新的概念,并据此模型对我国6个矿区34个单元进行了测算. 测算结果显示,最高允许解吸量平均为2124 m 3 / t,最高允许含气量平均为7151 m 3 / t,即只要煤 层气平均预抽采率达到25132, 6个矿区在总体上就能达到防止矿井瓦斯爆炸的安全规定上限 要求.不存在全国统一的煤炭安全生产最高允许含气量标准,而最高允许解吸量和最低预抽采率 可能是建立矿井瓦斯保安标准的核心. 关键词煤矿安全;煤层气;矿井瓦斯;最高允许含气量;最高允许解吸量 中图分类号TD712 文献标识码 A 收稿日期 责任编辑高雪梅 基金项目国家重点基础研究发展计划3资助项目B ;国家自然科学基金资助项目55 作者简介秦 勇5 ,男,重庆人,博士,教授T5 683536,yq11 M athematica lm odel of perm issive coalbed2ga s conten t for safe coa l2m i n i ng Q I N Yong 1 , WU Cai2 fang 1 , HU Ai2 mei 2 , YANG Zhao2 biao 1 , FAN Zhi2qiang 2 , YE Jian2 p ing 2 11Institute ofM inera lResources and Geoscience, China University ofM ining and Technology, Xuzhou 221008,China;21China United Coa lbedM eth2 ane Co . , Ltd, Beijing 100011,China Abstract Taking the relative p rovisions ofNational CoalM ine Safety Regulations as a p ilot, developed a mathe2 matical model for computing the per m issive CBG content PCBGC in the lights of some factors such as CBG geolo2 gy, mine2 gas, coal2 mining activity and mine ventilation coalbed gas; m ine gas; per m issive coalbed2gas content; per m issive gas2desorbed quantity 1 建模背景 先采气后采煤,是国家为保障煤矿安全生产作出的强制性要求国发改能源[2005 ] 1137号文件. 然而,煤层气预抽采到什么程度可以保证煤炭安全生产对此,国内先前曾从不同角度进行过探讨.归纳 起来,有含气量、瓦斯压力、预抽率3种意见1煤矿安全规程 2005第190条规定,预抽煤层 瓦斯后如无实测数据,可依据下列指标之一确定其预抽的有效性.①预抽煤层瓦斯后,突出煤层的残余 瓦斯含量小于该煤层始突深度的原始瓦斯含量;②煤层瓦斯预抽率大于30.2某些研究者认为,如 2007-01-14 972002C 21170440 7209 19 7 -.el0 1-901E - mailong incumt edu cn 第六图书馆 第六图书馆 煤 炭 学 报 2007年第32卷 果将煤层瓦斯压力在矿井下测定,不等于储层压力降低到110 MPa以下,则可能防止巷道回风流中 瓦斯浓度超标的问题.3根据实践经验认定最高允许含气量的经验值.例如,焦作煤业集团认为,如 果将煤层含气量降到13 m 3 / t以下,则焦作矿区现有生产矿井一般不会出现回风流瓦斯浓度超标的现象. 上述意见尽管来自国家规定或专家经验,但未见完整的测算依据.进一步来说,如果单纯考虑煤层含 气量、瓦斯压力、预抽率等,而不与具体工作面或矿井的通风安全措施、煤炭开采进度、煤炭采出率等结 合,没有一套科学可行的核算方法,则这些讨论或规定就失去了针对性. 实质上,煤矿安全生产条件不仅与地质条件密切相关,而且极大地受到煤炭开采工艺、开采活动强 度、安全管理措施等因素影响.鉴于此,煤炭安全开采最高允许含气量的影响因素十分复杂,耦合各方面 因素形成符合客观情况且具可操作性的求算模型,是解决这一问题的重要途径. 2 影响因素分析 无论煤层原位含气量高低如何,求算最高允许含气量的基本原则,应落实到采煤工作面和矿井回风流 中瓦斯浓度不得超限,否则就有发生矿井瓦斯爆炸的危险性.为此,建立煤炭开采保安最高允许含气量求 算模型的切入点,就是国家煤矿安全监察局2005年实施的新版 煤矿安全规程 中对采煤工作面和矿井 回风流中瓦斯浓度限值的严格规定. 影响最高允许含气量的因素包括煤层气地质条件、矿井瓦斯状况、煤炭开采强度、煤矿通风安全措施 4个方面.其中地质条件是内在基础,煤炭开采强度和煤矿安全措施是外在条件,而矿井瓦斯状况是联 结内在基础与外在条件的纽带,也是反演最高允许含气量切入点的具体体现. 1煤层气地质条件构成了决定矿井瓦斯涌出量的地质基础.前人研究表明,煤层原位含气量和受 控于瓦斯压力、吸附/解吸特性、含气饱和度等因素的瓦斯放散速度,对瓦斯涌出状况的控制具有较大普 遍性,而井田构造、矿井水文等均属局部影响因素.但是,在其他地质条件相似的前提下,煤层含气量与 矿井瓦斯涌出量之间往往具有显著的正相关关系. 2矿井瓦斯涌出状况常用绝对涌出量和相对涌出量两个参数加以衡量.一般来说,绝对涌出量增 大,相对涌出量随之增高,但两者之间不是简单的线性正相关关系,还受其他自然因素如围岩含气性、 开采深度、地面大气压力、煤炭开采工艺技术如开采顺序与回采方法、回采速度与产量、落煤工艺与 老顶来压步距、采空区封闭程度、采场通风系统、其他瓦斯来源如老空区瓦斯涌出、围岩瓦斯涌出 等因素的影响,关系十分复杂. 3煤炭开采强度决定于劳动生产率以及开采工艺与技术方法.在地质条件相似的情况下,该方面 因素在很大程度上控制着采煤工作面瓦斯涌出的强度.劳动生产率、采煤工艺、采煤技术3者之间的耦 合,直接决定了一个工作面单位时间内的煤炭产量.为此,与煤炭产量有关的开采参数如工作面迎头 宽度、采煤推进速度等可考虑作为反演煤炭开采强度的具体参数. 4煤矿通风安全措施极大地控制着矿井回风流中瓦斯浓度的高低.从理论上来讲,增大风量,可 将风流中瓦斯浓度降低到安全限值.但是,巷道风量的增大,会造成发生其他事故或影响矿工身体健康的 隐患.为此, 煤矿安全规程 2005对不同井巷的最大风速作出了限制性规定.由于对最高允许风速 的限制,可能导致矿井瓦斯在采煤工作面和回风流中的积聚. 以上4方面因素的综合作用,必须落实到保证采煤工作面和井巷回风流中瓦斯浓度不超过 煤矿安 全规程 所规定的瓦斯浓度限值.因此,在推演煤炭开采保安最高允许含气量求算模型的过程中,必须 通过瓦斯浓度限值才能将其它因素耦合起来. 3 数学模型 基于上述分析,本文采用的建模思路为建立回风流甲烷最高允许浓度与绝对涌出量、风量、相对涌 出量、剩余含气量、可采可解吸量、已抽采含气量、回风巷几何参数、最高允许风速、采煤工作面推进速 0101 第六图书馆 第六图书馆 第10期秦 勇等煤炭安全开采最高允许含气量求算模型 度之间的数学关系,由此导出吨煤剩余可解吸量的数学表达方程;将吨煤剩余可解吸量的数学表达方程代 回前述数学关系,得到最高允许含气量数学模型. 巷道回风流甲烷最高允许浓度与瓦斯绝对涌出量回风流中甲烷量和风量之间的关系为 Mc≤Ea/Qw, 1 其中,Mc为回风流中甲烷最高允许浓度;Ea为单位时间内总绝对涌出量回风流中甲烷量, m 3 / s;Qw 为单位时间内回风巷风量, m 3 / s .根据绝对/相对涌出量之间的理论换算关系,有 Mc≤Ea/Qw PErt/Qw, 2 式中,P为相对涌出量换算系数,为绝对涌出量与相对涌出量之比值,理论上相当于单位时间内的煤炭产 量,t;Ert为相对瓦斯涌出量, m 3 /t. 单位时间内总瓦斯相对涌出量在理论上等于单位时间内已抽采资源量.矿井瓦斯的相当一部分来源于 尚未回采但受到采掘扰动的煤层,估算风流中甲烷浓度时应将该部分甲烷考虑在内.取工作面迎头前方影 响距离为推进速度的n倍,考虑相关限定因素,Ea可表达为 Ea SfnvfdCid- Crd nPCid- Crd, 3 其中,Sf为工作面迎头面积, m 2; vf为工作面迎头推进速度, m / s;d为煤的视密度,t/m 3 ;Cid为吨煤煤 层气原地可解吸量, m 3 /t;Crd为吨煤煤层气剩余可解吸量, m 3 / t .将式3代入式2,得 Mc≤Ea/Qf SfnvfdCid- CrdShvh nP Cid- Crd / Shvh ,4 式中,Sh为回风巷断面积, m 2 ;vh为回风巷最高允许风速, m / s . 变换式4,吨煤煤层气剩余可解吸量可表达为 Crd Cid- McShvhSfnvfd Cid- McShvh/ nP.5 由于吨煤煤层气原地可解吸量等于最大允许解吸量与剩余可解吸量之和,有 Cpd Cid- Crd McShvh/ nP ,6 式中,Cp d为最高允许吨煤解吸量, m 3 /t. 式6中,单位时间煤炭产量P没有考虑煤炭回采损耗.实际上,煤层被采过以后,即使残留 在井下的上、下部分层或落煤,其可解吸的煤层气也基本上释放出来.因此,在考虑矿井瓦斯来源时,应 对单位时间煤炭产量除以煤炭资源采出率β.同时,除了上述因素外,风流中甲烷浓度还受其他因素 影响,如围岩和邻近煤层瓦斯涌入等,即应考虑其他影响因子ε.由此得到普适性更强的最高允许吨 煤解吸量数学模型为 Cp dβ εMcShvh/nP. 7 CrCic- Cid Cic1- R, 8 CpCr Cpd Cic1- R Cpd, 9 其中,Cr为吨煤残气量, m 3 / t;Cic为吨煤原地含气量, m 3 /t;R为煤层气解吸率, ;Cp为煤层最高允许 含气量, m 3 / t .联立式7和式9,推导出在给定边界条件下求算煤炭开采保安最高允许吨煤含气量 的普适性数学模型为 Cp Cic1- R β εMcShvh/ nP .10 只要取得特定工作面或矿井的吨煤原地含气量、煤层气解吸率以及回风巷断面积、单位时间煤炭产 量、采煤工作面迎头面积、采煤工作面推进速度、煤炭资源采出率等实际数据,就可求得该工作面或矿井 最高允许吨煤含气量的限定值.根据式10数学模型,可进一步推导出通过预抽采达到最高允许吨煤 含气量所需要的煤层气抽采率,即最低预抽采率ηL, ,即 η L 基于式,结合煤层气井产能储层数值模拟结果,可进一步求得达到最低预抽率所需要的时 间,即最低预抽时限 1101 Cic- Cp/Cic100.11 11 . 第六图书馆 第六图书馆 煤 炭 学 报 2007年第32卷 4 实例测算与讨论 411 模型简化及测算边界条件 在实际测算之前,需要对数学模型10中涉及的某些参数的边界条件加以定义①回风流中最高 允许甲烷浓度.国家 煤矿安全规程 2005中相关条款规定,在不同场合和不同情况下回风流中甲烷 最高允许浓度于015～215之间变化.本文综合采用矿井回风流中瓦斯最高允许浓度110和115两 个档次进行测算.②回风流允许最高风速.煤矿安全规程 2005第101条规定,在采煤工作面以及 掘进过程中的煤巷和半煤巷中,回风流中甲烷浓度不得超过4 m / s,本文采用这一限值.③采动影响距 离.采动影响区内每点的压力与时间的拟合关系为指数衰减形式 [ 1 ] ,采动影响区最多涉及到巷道宽度的5 倍 [ 2 ] ,巷道周围的裂隙和卸压区最终等于巷道宽度的3～4倍 [ 3, 4 ] ,最大可达5倍 [ 5 ]. 鉴于此,本文取单 位时间内采煤工作面推进距离或速度的4倍,作为对本煤层采动影响距离的边界限制条件,而对邻近层影 响区暂不考虑.④煤炭采出率.我国 生产矿井煤炭资源采出率暂行管理办法 1998第9条规定以 及我国目前煤炭采出率的实际状况 [ 6 ] ,本文分别取采区采出率30, 50, 70为计算边界条件.⑤其 它影响因子ε.该方面影响因素十分复杂,本文暂不考虑,即设ε1. 由此,数学模型10可简化为Cp≤Cic1- RβMcSh/P,风流瓦斯浓度Mc分别取110和115, 采区采出率β分别取30, 50和70.由此,组成最高允许含气量的交叉求算方案. 412 测算结果 对6个矿区34个单元的测算结果表明,在给定的回风流瓦斯浓度和采出率条件下最高允许解吸量 在0117～9113 m 3 / t之间变化,多数在515 m 3 / t以下,平均2124 m 3 /t,随允许解吸量增高,分布频率呈降 低趋势;最高允许含气量分布范围为2127～17121 m 3 /t,多数在515～910 m 3 / t之间,平均7151 m 3 /t 表 1.也就是说,只要煤层气平均预抽采率达到25132 , 6个矿区在总体上就能达到防止矿井瓦斯爆炸的 安全规定上限要求. 413 初步认识 1不存在全国统一的煤炭安全生产最高允许含气量标准.测算结果显示,煤层原位含气量增高, 最高允许含气量随之增大,即最高允许含气量是一个变数,这是不同矿区/煤层/工作面的地质状况、开采 状况、通风条件等各有差异的必然结果.同时,巷道通风能力在很大程度上控制着回风流中甲烷的浓度, 给定风速下的巷道通风能力与最高允许含气量之间并无相关关系.同理,也不存在全国统一的煤层最高允 许瓦斯压力和煤层气最低预抽采率. 2不同矿区不同矿井通风措施对煤炭安全生产保障能力的差别较大.由数学模型10可知,回 风巷断面积与最高允许含气量之间呈正相关关系,由此影响到预抽难度的大小.由表1可见焦作和水城 两个矿区最高允许含气量较高,原因在于其回风巷通风能力较强;就焦作矿区4个测算单元煤层含气性状 况而言,在较高煤炭采出率和较高风流甲烷浓度条件下,甚至不需要预抽就可保障回风巷风流甲烷浓度不 超过安全标准.但对于平顶山、盘江等矿区多数测算单元,即使在较高的煤炭采出率和风流甲烷浓度条件 下,仍需要较高预抽采率才能达到矿井保安要求. 3最高允许解吸量和最低预抽采率是规定矿井瓦斯保安标准的核心.根据估算结果,这两个参数 是衡量矿井瓦斯安全程度的最直接标志,涵盖了煤层原位含气量、煤炭开采状况、矿井通风措施等各种自 然和非自然的因素,具有高度的综合性和可表征性.同时,通过对最低预抽采率的厘定,有助于高瓦斯地 区拟建矿井或工作面接替计划的合理规划和安排.因此,基于对这两个参数的限定,有助于合理把握安全 /经济/效率/资源利用率 “4个效益 ”之间的综合平衡关系. 诚然,核算最高允许解吸量和最低预抽采率涉及到地质条件、矿井通风、煤炭开采、安全管理等方方 面面,需要进一步开展专项研究,本文只是进行了初步探索此外,关于最高允许含气量、最高允许解吸 量、最低预抽采率的影响因素,作者将另文予以专门讨论 2101 . . 第六图书馆 第六图书馆 第10期秦 勇等煤炭安全开采最高允许含气量求算模型 表1 最高吨煤允许含气量计算参数与计算结果 Table 1 Ca lcu la tion param eter san d results of perm issive coa lbed gas con ten t per ton coa l 矿区煤层 Cic /m3t- 1 R / 采出率 / 110Mc Cpd/m3t- 1Cp/m3t- 1 115Mc Cpd/m3t- 1Cp/m3t- 1 备 注 30 0122～0132 0127 7115～7131 7124 0134～0143 0139 7128～7142 7136 3个测算单元成庄矿 晋城3煤9185～1010529～3150 0137～0154 0145 7131～7153 7142 0156～0171 0165 7149～7170 7162 2315,3306工作 面,寺 河矿3301工作面.数据 采集时限2006年45 月 70 0152～0166 0160 7146～7161 7157 0178～0199 0190 7172～7198 7187 30 0117～0184 0149 4113～6131 5162 0125～1126 0173 4127～6154 5187 4个 测 算 单 元一 矿 81042工作面;二矿 阳泉15煤6100～916034～3650 0128～1139 0181 4132～6167 5195 0142～2109 1122 4156～7137 6136 80607工 作 面;新 景 矿 71126,7304工作面.数 70 0139～1195 1114 4151～7123 6127 0158～2193 1170 4184～8121 6184 据采集时限2006年4 5月 30 1137～2186 1197 7179～11110 10130 2106～4129 2195 10148～12153 11128 4个测 算单元演马 矿 22041,25042工 作 面; 九里山矿15011,14091 焦作 二1煤 11160～1212029～3150 2128～4176 3127 12170～13100 11161 3143～6184 4176 11185～15108 13109 工作面.数据采集时限 70 3120～6157 4153 11162～14181 12185 4180～8189 6146 13122～17121 14178 2006年56月 30 0154～2129 1119 2127～5199 4164 0181～3146 1179 2172～6172 5124 10个 测 算 单 元八 矿 13270,14040工作面;十 矿24060, 20160工作面; 平顶山二1煤5180～1410059～7750 0190～3181 1198 2188～6197 5143 1135～5172 2131 3165～8119 6142 十一矿22101, 22071工作 面;十二矿17022,17180 工作面;十三 矿11030, 13041工作面.数据采集 70 1126～5134 2178 3149～7195 6122 1189～8100 4108 5125～11192 7151 时限2006年67月 30 0124～1152 0169 3131～5128 4120 0136～2128 1103 3179～6104 4154 6个测算单元火铺矿、 老屋基矿、山脚树矿、月 盘江10, 12,5110～910046～5350 0140～2153 1114 3165～6129 4167 0160～3180 1172 4107～7156 5123 亮田 矿、土 城矿、金 佳 矿.数据采集时限2005 7等煤 70 0156～2124 1160 3199～7130 5111 0185～5131 2140 4144～9107 5192 30 0144～3143 1168 6150～10131 8159 0165～5115 2151 7116～10161 9142 7个测 算单元汪家 寨 矿、大湾矿、木冲沟矿、 水城7, 1111150～1810046～5550 0173～5172 2179 7138～11112 9171 1109～8158 4119 8148～13198 11109 那罗寨矿、大河边矿、老 鹰山矿、红旗矿.数据采 等煤 70 1102～8101 3191 8126～13141 10182 0105～9113 4115 9109～15134 11199 集时限2005 参考文献 [1 ] 丁广骧 1矿井大气与瓦斯三维流动[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1996.232～242. [2 ] 徐芝纶.弹性力学[M ].北京高等教育出版社, 1978.78～82. [3 ] 俞启香.矿井瓦斯防治[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1992.21～29. [4 ] 包剑影,苏 燧,李贵贤,等.阳泉煤矿瓦斯治理技术[M ].北京煤炭工业出版社,1996.114～128. [5 ] 傅雪海,秦 勇,周荣福,等 采动影响区煤层动态含气量数值模拟[]天然气地球科学,5,6335～ 36 [6 ] 我国煤炭回采率只有3 不到国际水平的一半[ B OL ],5 3101 .J .20019 2. 0E/.http//www.lgmi .com200 . 第六图书馆 第六图书馆