煤层瓦斯涌出量预测.doc

煤层瓦斯涌出量预测 一、目的 掌握矿山统计法、分源预测法预测煤层瓦斯涌出量的方法。 二、内容及步骤 1、矿山统计法 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。然后，根据该规律推算深部水平或邻近新矿井的瓦斯涌出量。如果预测地区的地质、采矿因素没有明显的变化，那么预测结果可以满足工程的需要。 （一）相对瓦斯涌出量与深度的关系近似为线性 在现代开采深度范围的瓦斯带内，如果地质、采矿条件变化不大，相对瓦斯涌出量与深度的关系大多近似为直线，如图7-3-1所示。因此，可以采用作图法或公式法进行预测。 1. 作图法 图2-2 某矿井相对瓦斯涌出量随深度变化的关系 其方法步骤如下 （1）统计出矿井已生产水平不同加权平均开采深度时的相对瓦斯涌出量； （2）根据这些资料，以矿井加权平均开采深度为横坐标，相对瓦斯涌出量为纵坐标，做出涌出量随深度变化曲线如图7-4-1所示， 7-3-1 （3）将此曲线外延，即可预测出深部的瓦斯涌出量。 加权平均开采深度可按下式计算 式中 HW 加权平均开采深度，m ； Hi 统计期内，第i 采煤区段的开采深度，m ； Ai 统计期内，第i 采煤区段的产煤量，t。 2. 公式法 由于在瓦斯风化带内，瓦斯涌出量变化缓慢且无规律。因此，采用公式法的两个重要参数是瓦斯风化带下界深度和相对瓦斯涌出量与深度的比值（预测直线的斜率）。 深度与相对瓦斯涌出量的比值，称瓦斯涌出量梯度，也即预测直线斜率的倒数。它的物理含义为相对瓦斯涌出量每增加lm3/t时，开采深度增加的米数，其单位为m / m 3/t 。瓦斯涌出量梯度愈小，矿井瓦斯涌出量随深度增加的速度愈快。 瓦斯涌出量梯度为 g[（H2-Hl ）/ q2-q1 ]n 7-3-2 式中 g瓦斯涌出量梯度m/m 3/t或t/m2 ; H1、H2 甲烷带内的两个已采深度，m ; q1、q2 对应于H1、H2 深度的相对瓦斯涌出量，m3 /t ; n 指数系数，大多数煤田在垂深1000m 内时n 1 。 已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯风化带下界深度时，就可用下式预测相对瓦斯涌出量。 q＝q0H-H0/g 7-3-3 或 q＝q1 H -Hl/g 7-3-4 式中 q 预测深H m 处的相对瓦斯涌出量，m3 /t； H0 瓦斯风化带下界深度，m ； g 瓦斯涌出量增深率， m.t / m3 ； q0、ql 瓦斯风化带下界或H1处的相对瓦斯涌出量，q0 2 m3 /t 。 图2-3 煤层瓦斯涌出量等值线图 （二）相对瓦斯涌出量与深度的关系为非线性 某些缓倾斜煤层和矿井的深部，瓦斯涌出量梯度不是常数，即矿井的相对瓦斯涌出量与深度间是非线性的关系。在此情况下，可以采用图7-3-2的做图法，即在矿井开采层面图上及时标出各个已采区的平均相对瓦斯涌出量，并把瓦斯涌出量相同的点连成曲线（如同底板等高线一样），外推找出预测深度处的相对瓦斯涌出量。这种瓦斯涌出量等值线图能够比较清晰可靠地地反映煤层走向和倾斜的瓦斯涌出量变化情况，对于预测不同地区的瓦斯涌出量十分方便。 统计法预测瓦斯涌出量时，必须注意以下两点 1 此法只适用于瓦斯带以下已回采了1～2 个水平的矿井，而且外推深度不得超过100 ～200m ，煤层倾角和瓦斯涌出量梯度值越小，外推深度也应越小，否则误差可能很大。 2 积累的瓦斯涌出量资料，至少要有一年以上，而且积累的资料愈多、精度愈高，已采水平（或区域）的瓦斯地质情况和开采技术条件与新设计水平（或区域）愈相似，预测的可靠性也愈高。否则，应根据有关资料进行相应的修正，或按相似程度进行分区预测。 二、分源预测法 矿井瓦斯涌出量分源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通过计算确定的。这一方法又称煤层瓦斯含量预测法。 分源预测法将矿井瓦斯源归纳为6 种，即开采层瓦斯涌出、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，并给出了这6 种瓦斯源的瓦斯涌出量计算方法。 （一）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 十q4 7 -3 -5 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 。 1、 掘进巷道煤壁瓦斯涌出量预测 7-3-6 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； υ 巷道平均掘进速度，m/min ； L 巷道长度，m ； 7-3-7 q0 煤壁瓦斯涌出初速度，m3/m2min；无实测值时可按下式计算 式中 Vr煤中挥发分含量，； W0 煤层原始瓦斯含量，m3 /t； 2、 掘进落煤的瓦斯涌出量预测 q4SυγW0-WC 7-3-8 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 ； υ 巷道平均掘进速度，m/min ； γ 煤的密度，t/m3； W0 煤层原始瓦斯含量，m3 /t； WC 运至地表煤的残存瓦斯含量，m3 /t 。 3、综合机械化掘进工作面瓦斯涌出t 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。 （7-3-9） （1） 综合机械化掘进工作面巷道煤壁瓦斯涌出量 式中 q3 掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min ； u 巷道的煤壁周边长度，m ； υ1 巷道日平均掘进速度，m/d； Ll 巷道长度，m ； V 0 瓦斯解吸强度，m3/m2min ； β 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 （7-3-10） 式中 q4 掘进巷道落煤的瓦斯涌出量，m3/min ； γ 煤的密度，t / m3 ； S 掘进巷道断面积，m2 ； υ1 巷道平均掘进速度，m / min ； υ2 输送机的运煤速度（一般取刮板运输机的速度）, m / min ； L2 输送机的运煤长度，m ； 采落煤的极限瓦斯解吸强度，m 3/mZ min ； 瓦斯解吸强度衰减系数。 二采煤工作面瓦斯涌出量预测 采煤工作面瓦斯由落煤、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。 1、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 Wl W0e–ht （7 -3 -11） 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 式中 υ 工作面平均推进速度，m / d ; h 工作面循环进尺，m 。 7-3-12 （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 W2 W1 1 t -n （7-3-13） （7-3-14） 则落煤的相对瓦斯涌出量为，m3/ t 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 （7-3-15） 开采层瓦斯涌出主要由工作面煤壁和落煤两部分构成。在不考虑其他因素影响时，开采层采落瓦斯涌出量q开可由下式计算 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（7-3-15）可简化为 q开＝W0-WC 7-3-16 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＝KIK2K3m /M W0-Wc 7-3-17 式中 q开开采层瓦斯相对涌出量，m3 / t ; Kl 围岩瓦斯涌出系数，Kl 1.1 ～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，h 为18 ～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，m 3/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K IK2K3Kf W0-Wc 7-3-18 式中 Kf 取决于煤层分层数量和顺序的分层瓦斯涌出系数； 其他符号意义同前。 2、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采煤工作面。 7-3-19 开采层回采后，第i 邻近层单位面积的瓦斯涌出量 7-3-20 换算成开采1t 煤的瓦斯涌出量应为 式中 q邻 邻近层瓦斯涌出量， mi 第i 个邻近层煤层厚度，m ； γ 煤的密度，t/m3 ； M 采高，m； ηⅰ 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 。 7-3-21 n 个邻近层总的相对瓦斯涌出量为 3、采煤工作面瓦斯涌出量 采煤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 q q开十q邻 （7-3-22） 4、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，最终将体现在采煤工作面总瓦斯涌出量的变化。根据研究结果，对采煤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（7-3-22）将变成 7-3-24 qkv q开＋q邻 7-3-23 式中 kv 推进度（产量）影响系数； W0 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。 6