易自燃特厚煤层综放工作面瓦斯涌出量预测研究

郭元欣，洪建流，杨 培

（1.义马煤业集团股份有限公司地质研究所，河南义马 472300；2.义马煤业集团股份有限公司安全监察局，河南义马 472300）

易自燃特厚煤层综放工作面瓦斯涌出量预测研究

郭元欣1，洪建流2，杨 培1

（1.义马煤业集团股份有限公司地质研究所，河南义马 472300；2.义马煤业集团股份有限公司安全监察局，河南义马 472300）

工作面瓦斯涌出量是采面通风设计及制定采面瓦斯防治措施的主要依据。为了预测常村煤矿2120工作面的瓦斯涌出量，通过现场测定、收集整理常村煤矿综放面瓦斯资料，分析了易自燃特厚煤层综采放顶煤工作面瓦斯涌出特点、来源、构成及影响因素。结果表明：风排瓦斯量、采空区瓦斯涌出量和钻场抽放瓦斯量的比例分别为41.1%、50.8%和8.1%；综放面瓦斯涌出量与产量、采面推进距离、生产工序、大气压等因素有关；建立了易自燃煤层综放工作面瓦斯涌出量预测模型，以对未采区域采面瓦斯涌出量进行预测，以便为制定瓦斯防治措施提供科学依据。

易自燃煤层；综采放顶煤；瓦斯涌出；预测模型

0 引言

综采放顶煤采煤法开采特厚煤层，是一种技术先进、经济合理的采煤方法，已在我国条件具备的矿井安全生产中得到了广泛的应用[1-2]。目前常村煤矿深部采用综放开采技术，但开采时工作面绝对瓦斯涌出量会大幅度增高，采面瓦斯涌出的不均衡性和上隅角瓦斯超限几率增加。为了解决回风上隅角的瓦斯超限问题，需要加大采面供风量，但同时也增大了采空区漏风量，增加了采空区浮煤自然发火的危险性。可见，对于易自燃煤层，综放面瓦斯灾害治理与煤层自然发火灾害治理有矛盾，瓦斯问题已经成为影响常村煤矿综放面安全生产的隐患之一，制约矿井的安全高效生产和经济效益的发挥，因此进行深部综放面瓦斯涌出预测研究十分必要。

1 矿井概况

常村煤矿位于河南省义马市境内，1958年建矿，技术改造后核定生产能力220万t/a。主要开采侏罗系的2-1煤层和2-3煤层，二者层间距一般为23.49 m；2-1煤层厚度0～5.54 m，平均3.05 m；2-3煤层厚度0～21.50 m，平均厚10.63 m。现生产采区已转入深部的21采区，两层煤合并成为2-3特厚煤层，属缓倾斜易自燃特厚煤层，煤的自然发火期15～30 d。虽属低瓦斯矿井，但随着开采范围和开采深度的增加，瓦斯涌出量明显增大，甚至出现瓦斯超限，为了有效预防综放面上隅角瓦斯超限问题，在2120综放面、2303综放工作面采用了上隅角插管、采空区埋管及上巷低位钻场高位钻孔综合抽放瓦斯等技术措施。

2 瓦斯涌出特点

开采实践表明，瓦斯涌出呈现出如下特点：①采面条件相同，采取综放时的绝对瓦斯涌出量大于普通综采[2]。②采用综放开采时，由于放顶煤工艺较难控制，回采率一般低于普通综采，大量的采空区遗煤使采空区瓦斯总量和涌出量会明显增大。③综放工作面的瓦斯涌出在时间和空间上具有不均衡性，即不同的采煤工序瓦斯涌出量差异较大，采场不同地点形成了低风速与高瓦斯对应区。

3 瓦斯涌出量的测定

在研究期间，针对2120综放工作面，对瓦斯抽放系统进行了实测，主要观测了埋管、插管和高位抽放钻孔。伴随着工作面的回采推进，在抽放管口埋入采空区15～25 m内抽放瓦斯时，其效果欠佳，抽放浓度只有3%～5%；在距工作面25～60 m内的采空区抽放瓦斯时，其效果最佳，抽放浓度可达6%～18%，对防止工作面上隅角瓦斯超限效果显著，经过抽放上隅角瓦斯浓度稳定在0.32%～0.76%，瓦斯积聚超限现象消失。测定结果还表明：采空区瓦斯涌出量(埋管抽放量和插管抽放量)平均值Qk为1.866 m3/min；钻场抽放量平均值Qz为0.296 m3/min和风排瓦斯量平均值QF为1.508 m3/min，所以综放面瓦斯涌出总量平均值3.672 m3/min。

4 瓦斯涌出来源分析

综放面瓦斯涌出量与含瓦斯煤岩层的赋存状况及开采技术条件有关。该矿综放面瓦斯来源主要是开采层（图1），采面瓦斯来源主要由煤壁、割煤和放煤，以及采空区瓦斯四部分组成。包括煤壁瓦斯涌出量q1、顶煤瓦斯涌出量q2、落煤瓦斯涌出量q3、放煤瓦斯涌出量q4、和采空区浮煤瓦斯涌出量q5。其中瓦斯涌出量q1、q3和q4全部涌入综放面风流中；由于综放面风流较小，顶煤体中瓦斯涌出量q2被采面风流带走较少，而是上升到顶板裂隙中，在顶板裂隙带中聚集起来，由工作面瓦斯抽放钻场布置的高位钻孔抽出；采空区浮煤瓦斯涌出量q5，少部分被漏风风流带走，大部分则在采空区内聚集起来，由采空区埋管抽出。

图1 综放面瓦斯涌出量来源示意图Figure 1 A schematic diagram of fully mechanized caving face gas emission source

根据上述综放面瓦斯涌出来源分析，回风流风排瓦斯量QF=q1+q3+q4；顶煤体瓦斯涌出量升浮到顶板裂隙后聚集，由钻场抽放的瓦斯量Qz=q2；采空区浮煤瓦斯涌出量，最终由埋管抽放出来，即QK=q5。所以综放面瓦斯涌出量Q=QF+Qz+QK。利用测定结果，经计算风排、钻场、和采空区瓦斯涌出量比率依次为：

式中：QF、QZ和QK分别为风排瓦斯量、钻场瓦斯抽放量和采空区瓦斯抽放量。

5 影响瓦斯涌出量的因素分析

综放面瓦斯涌出状况受到各种因素的影响而发生变化[3-5]。

5.1 采面产量

研究结果表明：产量对瓦斯涌出量有直接影响，产量越高，瓦斯涌出量越大，但并非线性关系，如图2、表1所示。

图2 综放面风排瓦斯量与日产量之间实测曲线图Figure 2 Measured curves showing relationship between fully mechanized caving face gas emission and daily output

5.2 采面推进距离

随着采面推进距离的延长，采空区空间容积逐渐加大，瓦斯涌出量随之迅速上升，当采面推进到一定距离，采面瓦斯涌出量达到峰值后，不再随采面推进距离的延长而增大，反而下降。

表1 工作面日产量与风排瓦斯量统计表Table 1 Statistics of working face daily output and ventilation drained gas emission

5.3 采面生产工序

生产工序如移架、放顶煤、割煤时采面瓦斯涌出量较大，特别是移架、割煤和放顶煤时瓦斯涌出量大[6-7]，而非生产工序如设备检修时则较小。

5.4 大气压力变化

地面大气压力的变化对综放面回风流中的瓦斯浓度有较大影响，当大气压降低时，不但煤壁、煤炭中的瓦斯释放与解吸速度加快，更主要的是采空区气体压力相对增高，体积发生膨胀，致使部分采空区内高浓度瓦斯涌入工作面导致回风流瓦斯浓度上升。气压变化幅度和采空区空间越大，回风流瓦斯浓度受影响的程度越大。

6 综放面瓦斯量计算模型建立

由于综放面地质条件、生产技术条件的复杂多变，采面瓦斯涌出量的影响因素较多，故难以准确建立预测数学模型，回归出综放面瓦斯涌出量预测公式。根据现场观测统计研究表明，在原煤瓦斯参数和生产技术条件等一定的条件下，综放面产量是影响采面瓦斯涌出量的主要因素，并且两者之间存在一定相关性，产量越高，瓦斯涌出量越大，但产量增加到一定程度后随着产量增加瓦斯涌出量反而有所减小。所以，利用综放面日产量和对应的瓦斯涌出量实测统计值之间的关系，可以较有效地对同一采区综放面瓦斯涌出量进行预测。

由图2所示，实测数据利用最小二乘法进行曲线拟合，可得工作面风排瓦斯量QF（x）与工作面日产量x之间的关系表达式为：

求导得：

令QF′(x)=0，得到有意义解x=2695.5 t/d。说明在日产量为2695.5 t时，对应的风排瓦斯浓度最高，风排瓦斯涌出量最大。通过对多项式的回归分析可知，当工作面产能从0增加到2 695.5 t/d时，瓦斯涌出量逐渐增大，而当采面生产能力继续逐渐增大时，瓦斯涌出量不再继续增大，甚至会有所下降。

由公式（1）、（2）、（3）和公式（4）联合求解，可得综放面瓦斯涌出总量Q（x）与采面日产量x的关系计算公式：

式中拟合所用的实测数据为每月的平均值，所以计算结果是工作面瓦斯涌出量的平均值。由于该式是根据综放面实测数据拟合而得，所以在常村矿现有技术条件下，可对深部综放面进行瓦斯涌出量预测，预测结果较准确可靠。

7 结语

（1）2120综放面风排瓦斯量、采空区瓦斯涌出量和钻场抽放瓦斯量的比例分别为41.1%、50.8%和8.1%。

（2）在保证综放面合理供风量，有效预防采空区自然火灾的前提下，建立起了本矿井易自燃煤层综放面瓦斯涌出量预测数学模型，可以对矿井未采区域采面瓦斯涌出量预测，为矿井瓦斯防治工作提供依据。

[1]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[2]朱连杰，张国军，马友魁，等.综放面瓦斯涌出影响因素及防治技术[J].中州煤炭，2011(8):107-109.

[3]张银亮，张修峰，杨浩.地面大气压变化对义马矿区矿井瓦斯涌出的影响[J].山东煤炭科技，2014(6):57-59.

[4]吕国金，赵万旭，运宝珍.影响综放面瓦斯涌出量的相关因素探析[J].煤矿安全，2000(12):32-34.

[5]王生全，冯海，范琪.陈家山煤矿采面瓦斯涌出影响因素及建模预测[J].中国煤炭地质，2011，23(7):28-32.

[6]王招，王锦，朱建功.阳泉五矿综放面瓦斯涌出影响因素分析[J].煤，2000，9(5):23-26.

[7]谢俊文，许继宗，李作泉.易燃厚煤层综放面特大瓦斯涌出综合治理技术[J].煤炭科学技术，2004，32(4):5-9.

Gas Emission Prediction of Fully Mechanized Caving Face with Coal Seam Prone to Spontaneous Combustion and Extremely Thick

Guo Yuanxin1,Hong Jianliu2and Yang Pei1
(1.Geological Research Institute,Yima Coal Industry Co.Ltd.,Yima,Henan 472300; 2.Safety Supervision Bureau,Yima Coal Industry Co.Ltd.,Yima,Henan 472300)

The working face gas emission is main basis to design coal face ventilation and formulate control measures.To predict work⁃ing face gas emission,through site measuring,collecting and sorting of fully mechanized caving face gas data from the Changcun coalmine,have analyzed extremely thick coal seam prone to spontaneous combustion fully mechanized top coal caving face gas emis⁃sion features,source,composition and impacting factors.The result has shown that the proportion of ventilation drained gas emission, gob area gas emission and drilling site drained gas emission is 41.1%,50.8%and 8.1%respectively.Fully mechanized caving face gas emission is related to factors including output,coal face advancing distance,production process and barometric pressure etc.Estab⁃lished gas prediction model for coal seam prone to spontaneous combustion fully mechanized caving face can carry out prediction of vir⁃gin zone coal face gas emission,and provide scientific basis for formulation of gas control measures.

coal seam prone to spontaneous combustion;fully mechanized top coal caving;gas emission;prediction model

TD712.52

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.08

1674-1803(2017)03-0041-03

国家自然科学基金重点资助项目（41130419）

郭元欣（1963—），男，河南孟津县人，高级工程师，学士，现从事矿井瓦斯地质方面的研究工作。

2016-12-02

责任编辑：宋博辇