矿井瓦斯涌出量分源预测法探析

董化洲

(煤炭工业石家庄设计研究院,河北石家庄 050000)

矿井瓦斯涌出量分源预测法探析

董化洲

(煤炭工业石家庄设计研究院,河北石家庄 050000)

对分源预测法中的煤层原始瓦斯含量进行了深入剖析,并提出了计算干燥无灰基煤样中的瓦斯含量的公式,同时也提出了关于分源预测法中的一些可能认识有偏差的地方,值得相关工作人员借鉴和思考。

分源预测法;煤层原始瓦斯含量;可燃值;干燥无灰基

我国于 2006年 2月 27日发布了《矿井瓦斯涌出量预测方法》AQ 1018—2006(后简称“预测方法),并于同年 5月 1日开始实施。该行业标准规定了 2种矿井瓦斯涌出量预测方法:分源预测法和矿井统计法。由于矿山统计法应用条件的限制,使用较少,多数新矿井开采采用分源预测法。分源预测法预测矿井瓦期涌出量已经在煤矿抽放瓦斯工程设计、通风安全设计和生产管理中取得较好的效果。但在实际预测过程中,由于预测方法中基本概念模糊以及预测者水平和认知程度的不同,造成预测结果和实际瓦斯涌出量偏差较大,没有完全做到科学预测,给安全生产埋下不安全的隐患。为此,就分源预测法中容易产生误解的几点进行论述。

1 煤层原始瓦斯含量的确定

1.1 瓦斯含量数据来源

煤层原始瓦斯含量值是分源预测法中计算矿井瓦斯涌出量的核心参数,因此要求瓦斯含量测定值尽可能接近真值。这个数据的精准性直接影响到矿井瓦斯涌出量预测值的可靠程度。根据预测方法,煤层瓦斯含量的测定与计算可采用直接法 (地勘钻孔解吸法)和间接法 (通过实测煤层瓦斯压力采用郎阁缪方程计算煤层瓦斯含量的一种方法)进行测定与计算,其结果均为煤层可燃质瓦斯含量,实质是单位质量的干燥无灰基煤样中一定条件下的瓦斯含量。但是,有的地质勘查报告将所有气体 (除氮气以外的)数据之和作为瓦斯含量,有的是将甲烷和重烃作为瓦斯含量,有的是单独将甲烷作为瓦斯含量。究竟以哪个为准呢?瓦斯的概念也一直是很多煤矿工作人员难以说明的,《煤矿安全规程》2010年版 375～376页,解释瓦斯为矿井中主要由煤层构成的以甲烷为主的有害气体,有时单独指甲烷。根据《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》GB/T 23249-2009(后简称“测定方法”)中定义煤层瓦斯含量:在原始状态下,单位质量或单位体积煤体中所含有的甲烷及重烃气体量。由于甲烷和重烃属烃类矿井有害气体,再结合矿井通风设计,作者建议,如果地质勘查报告中,煤层中含有重烃,可将其含量和甲烷含量之和作为瓦斯含量。因此,矿井设计人员一定要认真分析和验算报告中的钻孔煤样瓦斯含量数据,切不能照搬照抄。

1.2 瓦斯含量的煤样基

由于预测方法中没有明确煤层原始瓦斯含量的煤样基准,给设计人员带来极大困惑。这也是一个最关键的问题,即在所有分源预测法公式中的W0的准确含义,公式中解释为煤层原始瓦斯含量,单位为m3/t,没有明确指出煤样基是收到基、空气干燥基还是干燥无灰基,由于新旧规范的名称规定有变化,各个专业的叫法不统一,致使各个系统的解释也有不同的条件,也是造成使用数据者的困扰之一,即地质勘查专家并非是采矿专家。因此,作者呼吁:煤炭的勘查工作或者规范就应该尽量以现有的煤炭开采服务,而且相关的规程规范用语都应该一致。最新发布并已经实施的《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》中的瓦斯含量,非常明确了煤样可燃值质量实际就是干燥无灰基煤样质量,符号记为 Gr,作者认为应该记为 Gdaf,这样就更加明确了计算的基准,同样,G是空气干燥基煤样质量,应记为 Gad,这就明确了两者之间的关系式:

所以地勘时期测的瓦斯含量是干燥无灰基中单位质量中所含有的甲烷含量 (如果有重烃时,则加上重烃含量,一般在报告中都单独列出),单位为mL/g,或者m3/t,而在一般的勘查报告中常记为mL/g.r,后面的字母 “r”就是 “燃”的声母,以“可燃基”为基准,也就是指的干燥无灰基,可以在《采矿工程设计手册》 (上册)281页第107序列找到相应解释或者在《采矿工程设计手册》(上册)287页表 1-5-9煤质分析项目不同基新旧符号对照表中可以找到印证。因此,再次确定了,预测方法或者测定方法中的可燃值,就是以干燥无灰基为基准的数值。

那么,在预测方法中的煤层原始瓦斯含量W0,是否就是干燥无灰基煤样中所含的甲烷量呢?在预测方法附录 C中,W0的单位又是 m3/t.r,是与mL/g.r是一致的,因此,这给设计人员带来歧义。究竟在预测方法中W0是指原始煤层中的瓦斯含量,还是指以干燥无灰基煤样的瓦斯含量呢?作者通过调查国内具有瓦斯抽采工程设计资质的设计研究院作的相关报告,对于W0的取定存在不同看法,有的直接引用勘查报告中的干燥无灰基煤样中瓦斯含量,有的通过该数据计算空气干燥基中瓦斯含量。当然干燥无灰基中瓦斯含量值大于空气干燥基中瓦斯含量值。当煤样的灰分和水分较大时,两种煤样基中瓦斯含量差别较大。因此,作者建议预测方法中必须明确煤层原始瓦斯含量W0的真正含义。

1.3 空气干燥基煤样中的瓦斯含量计算

作者认为煤层原始瓦斯含量即是在原始条件下单位质量的原煤所含有的瓦斯量,而收到基的瓦斯含量最接近真实值,但是收到基中“外水”一般在勘查报告中不提供该数据,而空气干燥基煤样的数据一般都有提供,可以使用空气干燥基来取代收到基。根据,煤样基之间的相互关系,一般有如下推导过程求得空气干燥基瓦斯含量。

因为

所以

又因为

所以 (1)式变为:

所以

式中,Gad为空气干燥基煤样质量,g;Xad为空气干燥基煤样瓦斯含量,mL/g.ad;Gdaf为干燥无灰基煤样质量,g;Xdaf为干燥无灰基煤样瓦斯含量,mL/ g.daf;Mad为空气干燥基煤样水分,%;Aad为空气干燥基煤样灰分,%。

有时,地质勘查报告中,提供是干燥基灰分(Ad),同样根据两种煤样中灰分不变条件,可以推算出干燥无灰基灰分,推导过程如下:

所以

因此(3)式又变为:

所以

因此,可根据地质勘查报告中的不同数据,通过公式 (2),(3),(4)求得空气干燥基中的瓦斯含量。

2 公式中计算参数的选取

2.1 各种数值,尽量选取平均值

比如,瓦斯含量、煤层间距等,有的预测中完全选取最大值,虽然看起来是一种偏向 “保守、安全”的做法,但不科学,有时偏离实际数据很大。计算结果与实际情况不符,在选取数据时尽量考虑采掘工作面的位置,煤层的赋存情况,综合分析后确定。选取平均值是一种较明智的考虑。

2.2 预测方法中必须要明确的基本概念

比如,巷道平均掘进速度;如何计算;煤的密度,是真密度还是视密度;Vr是指干燥无灰基挥发分的符号,应写成 Vdaf,等。所有公式中的煤的原始瓦斯含量和煤层残存瓦斯含量均指干燥无灰基煤样吗?这在前面已经分析。总之,预测方法中应尽量描述清楚,如果有实例计算过程,则更好。

2.3 重复的系数选取

采掘工作面瓦斯涌出量的不均衡系数,采空区瓦斯涌出量的系数以及计算矿井瓦斯涌出量的系数,这些系数也是对于预测值很重要的,必须根据实际情况或者邻近矿井的实际瓦斯涌出情况做出科学地分析选取。比如:采掘工作面瓦斯涌出量,如果在预测时考虑了不均衡系数,可是通风设计时,又有涌出量的不均衡系数,给矿井抽放瓦斯设计和通风设计带来很大的压力。因此作者建议,在预测过程中明确每一步的系数选取的必要性以及准确性,以及给出通风设计时的参考依据,是预测的平均值,还是最大值 (峰值)作为瓦斯抽放设计和通风设计的依据。

3 分源预测法必须与开拓、采掘工作面布置结合

矿井瓦斯涌出量预测是根据开拓部署以及采掘工作面的布置进行预测的,因此,开拓部署以及采掘工作面的布置和参数的选取是分源预测法的基础,分源预测法不能脱离采掘面布置而进行纯粹的理论计算。此外,预测结果还必须和实际煤矿采掘关系、产量以及实际瓦斯涌出量进行对比分析,在生产和管理中进一步优化设计、计算产数,使分源预测法更加符合实际生产的需要,做到真正的科学预测,给瓦斯抽放、通风安全管理提供数据支持。

4 结束语

《矿井瓦斯涌出量预测方法》AQ 1018—2006中,由于关于原始瓦斯含量概念的不清楚,给实际预测人员带来认识的误区,通过对煤层原始瓦斯含量含义的深入剖析,提出自己的观点,并详细推导出计算空气干燥基煤样中的瓦斯含量,并阐述了在采用分源预测法中应该注意的细节问题。

[1]国家安全生产监督管理总局 .矿井瓦斯涌出量预测方法 AQ 1018-2006[S].

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会 .地勘时期煤层瓦斯含量测定方法 GB/T 23249 -2009[S].

[3]国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局 .煤矿安全规程 [M](2010年版).北京:煤炭工业出版社,2010.

[4]张荣立,何国纬,李 铎 .采矿工程设计手册 [M].北京:煤炭工业出版社,2003.

[责任编辑:邹正立]

Analysis of D ifferent-source ForecastM ethod for Amount ofM ineM ethane Gushing

DONG Hua-zhou

(ShijiazhuangDesign&Research Institute of Coal Industry,Shijiazhuang 050000,China)

The paper deeply analyzed originalmethane content in different-source prediction and presented calculation for mula ofmethane content in coal sample with dry ash-free basis.Some problems in different-source prediction which wasworth of thinkingwere also pointed out.

different-source prediction;originalmethane content;combustible value;dry ash-free basis

TD712.5

A

1006-6225(2010)06-0017-03

2010-08-02

董化洲 (1976-),男,四川威远人,工程师,注册安全工程师,从事矿井采矿和通风安全设计。