基于分源預(yù)測法的華陽煤礦9＃、15＃煤層瓦斯涌出量預(yù)測

宋常勝 萇延輝

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454003）

基于分源預(yù)測法的華陽煤礦9＃、15＃煤層瓦斯涌出量預(yù)測

宋常勝 萇延輝

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454003）

采用鉆屑解吸指標(biāo)法對華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層的瓦斯含量和殘存瓦斯含量進(jìn)行了測定，并分析了瓦斯含量分布特征；利用線性回歸方法研究獲得9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量與埋藏深度的關(guān)系，得出了9＃煤層和15＃煤層原始瓦斯含量增長梯度；最后采用分源預(yù)測法對華陽煤礦開采前期、中期和后期的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測，確定華陽煤礦在9＃煤層和15＃煤層開采時屬于低瓦斯礦井，為礦井通風(fēng)設(shè)計和瓦斯治理提供了依據(jù)。

瓦斯含量 瓦斯涌出量 預(yù)測 分源預(yù)測法 鉆屑解吸指標(biāo)法

瓦斯災(zāi)害是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一，為了有效防治瓦斯災(zāi)害，必須進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測。準(zhǔn)確預(yù)測瓦斯涌出量是防治礦井瓦斯災(zāi)害的關(guān)鍵因素之一，并能為工作面布置、井下瓦斯抽放設(shè)計、通風(fēng)管理等提供基本依據(jù)。因此，瓦斯涌出量預(yù)測的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。本文運(yùn)用分源預(yù)測法對華陽煤礦進(jìn)行了瓦斯涌出量預(yù)測，為該礦的安全生產(chǎn)和瓦斯抽放設(shè)計提供了理論及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

華陽井田位于太行山復(fù)式背斜西翼，沁水盆地東翼南段，晉獲褶斷帶的西側(cè)。井田南部發(fā)育一條小型斷層F1，斷距10m，傾角45°。井田內(nèi)構(gòu)造總體上為一寬緩的褶曲構(gòu)造，軸向北西，煤層總體走向北東，傾向北西，傾角4～7°，未見巖漿巖侵入。井田構(gòu)造總體上屬于簡單類型，為單斜背景上發(fā)育次級褶曲。

1.2 煤層賦存

華陽煤礦井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，含煤地層總厚為148.15m，共含煤11層，煤層總厚度為13.60m，含煤系數(shù)為9.18%，含穩(wěn)定可采煤層3層，即3＃煤層、9＃煤層和15＃煤層，總厚11.09m，含煤系數(shù)7.49%。

該礦原先開采3＃煤層，下一步設(shè)計開采9＃煤層和15＃煤層，9＃煤層與15＃煤層平均間距30.9m。9＃煤層上距3＃煤層底板62m，煤層厚度1.47～2.33m，平均1.74m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，夾0～2層夾矸。其直接頂板多為粉砂巖和泥巖，底板多以K4石灰?guī)r為主，局部為泥巖。15＃煤層厚度2.41～4.09m，平均2.78m，煤層厚度變化大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～5層夾矸，頂板為K2灰?guī)r，底板為泥巖和鋁土泥巖。

1.3 礦井開拓開采

華陽煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為600萬t／a，井田開拓方式為斜井開拓，即主斜井、副斜井、回風(fēng)立井。礦井兼并重組后主要可采煤層為9＃煤層和15＃煤層，采用聯(lián)合開拓，設(shè)一個水平分別開采井田范圍內(nèi)9＃煤層和15＃煤層，水平標(biāo)高＋665m（15＃煤層頂板）。結(jié)合各煤層的厚度，采用走向（傾斜）長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，頂板管理采用全部垮落法。

根據(jù)大巷布置原則，礦井共劃分為5個采區(qū)，15＃煤層?xùn)|北部為一采區(qū)，9＃煤層為二采區(qū)，15＃煤層西北部為三采區(qū)，15＃煤層西南部為四采區(qū)，15＃煤層?xùn)|南部為五采區(qū)。

2 煤層瓦斯含量

2.1 煤層瓦斯含量測定方法

鉆屑解吸法測定煤層瓦斯含量的原理是：井下采集新鮮的原始煤樣，實測煤樣瓦斯解吸量，根據(jù)煤樣瓦斯解吸規(guī)律推算取樣過程煤樣的損失瓦斯量，然后在實驗室測定煤樣的殘存瓦斯量，最后根據(jù)煤樣的取樣損失量、井下瓦斯解吸量、殘存瓦斯量和煤樣重量計算煤層瓦斯含量。利用鉆屑解吸法對華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量進(jìn)行測定，測定結(jié)果見表1和表2。

表1 華陽礦井工作面瓦斯成分測定結(jié)果

表2 華陽礦井地勘瓦斯含量測定結(jié)果

2.2 煤層瓦斯含量分布規(guī)律

（1）從表1和表2獲得的煤層瓦斯含量控制點的瓦斯成分和瓦斯含量來看，9＃煤層瓦斯中甲烷（CH4）成份為34.81%～79.16%，平均56.74%；二氧化碳（CO2）成份為12.36%～24.43%，平均16.88%；氮?dú)猓∟2）成份為6.21%～50.06%，平均26.38%?？梢酝茰y，9＃煤層處于瓦斯風(fēng)化帶中的氮?dú)猓淄閹А?5＃煤層一部分處于瓦斯風(fēng)化帶中的氮?dú)猓淄閹?，一部分處于甲烷帶?/p>

（2）華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量（y）與埋藏深度（x）有著明顯的線性關(guān)系，煤層瓦斯含量隨著埋藏深度的增加而增大。華陽煤礦9＃煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系見圖1，華陽煤礦15＃煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系見圖2。9＃煤層滿足線性關(guān)系y＝0.0139x＋1.4181，擬合度R2＝0.738。15＃煤層滿足線性關(guān)系y＝0.0064x＋3.4681，擬合度R2＝0.2227。

圖1 華陽煤礦9＃煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系圖

（3）華陽煤礦9＃煤層原始瓦斯含量增長梯度為1.39m3／t／100m，15＃煤層原始瓦斯含量增長梯度為0.64m3／t／100m。

圖2 華陽煤礦15＃煤層埋深與瓦斯含量相關(guān)關(guān)系圖

3 瓦斯涌出量預(yù)測

3.1 預(yù)測方法的選用

目前，國內(nèi)外很多專家學(xué)者對瓦斯涌出量預(yù)測進(jìn)行了大量的研究并提出了多種預(yù)測方法，大致可以歸納為三類：以數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)的礦山統(tǒng)計法，以瓦斯含量為基礎(chǔ)的分源預(yù)測法和灰色預(yù)測法。長期以來，我國煤礦一直采用礦山統(tǒng)計法預(yù)測礦井瓦斯涌出量，這種方法不但要求有足夠大的樣本空間，而且要求預(yù)測區(qū)的地質(zhì)條件、煤層開采技術(shù)條件與生產(chǎn)區(qū)相同或類似。一旦上述要求不能夠滿足，預(yù)測值可能與實際值嚴(yán)重偏離甚至完全不符；分源預(yù)測法是以煤層瓦斯含量、煤層開采技術(shù)條件為基礎(chǔ)，根據(jù)各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律，計算回采工作面、掘進(jìn)工作面、采區(qū)及礦井瓦斯涌出量；灰色系統(tǒng)預(yù)測理論是以時間序列作為基點來進(jìn)行預(yù)測的，它適用于呈指數(shù)規(guī)律發(fā)展的系統(tǒng)的預(yù)測。但是，有時盡管時間序列呈指數(shù)變化，也會出現(xiàn)一些擬合效果差甚至完全失敗的情況。它要求數(shù)據(jù)要光滑、GM（1，1）模型的背景值和GM（1，1）模型辨識參數(shù)。

鑒于上述原因，況且本礦井9＃煤層和15＃煤層均正處于巷道開拓布置階段，瓦斯涌出量數(shù)據(jù)較少，所以采用分源預(yù)測法預(yù)測本礦井瓦斯涌出量。

3.2 分源預(yù)測法

礦井瓦斯涌出源匯關(guān)系見圖3。根據(jù)煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關(guān)系，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律并結(jié)合煤層的賦存條件和開采技術(shù)條件，通過對回采工作面和掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量的計算，達(dá)到預(yù)測采區(qū)和礦井瓦斯涌出量的目的。

圖3 礦井瓦斯涌出源匯關(guān)系示意圖

3.3 預(yù)測條件

（1）礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為60Mt／a。

（2）礦井生產(chǎn)前期：把15＃煤層一采區(qū)開采期間定為前期。在一采區(qū)布置1個綜采工作面、2個綜掘工作面，綜采工作面長度120m，采高2.78 m，回采率為95%；1個運(yùn)輸巷道，斷面積為8.4 m2，1個回風(fēng)巷道，斷面積為9.45m2，每個煤巷掘進(jìn)隊掘進(jìn)速度為300m／月，礦井采掘比為1︰2。

（3）礦井生產(chǎn)中期：把9＃煤層開采期間定為中期。設(shè)計9＃煤層布置1個綜采工作面、2個綜掘工作面。綜采工作面長度160m，采高1.74m，回采率為95%；1個運(yùn)輸巷道，斷面積為8.0m2，1個回風(fēng)巷道，斷面積為8.0m2，每個煤巷掘進(jìn)隊掘進(jìn)速度為300m／月，礦井采掘比為1︰2。

（4）礦井生產(chǎn)后期：把15＃煤層一采區(qū)剩余資源開采期間定為后期。

（5）年工作日330d。

3.4 瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

考慮到礦井通風(fēng)設(shè)計和生產(chǎn)期間瓦斯防治的需要，現(xiàn)對礦井達(dá)產(chǎn)后不同時期采區(qū)聯(lián)合開采時的最大瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測。瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果見表3～表6。

由表6可以看出：生產(chǎn)前期，礦井最大絕對瓦斯涌出量7.66m3／min，最大相對瓦斯涌出量6.07 m3／t；生產(chǎn)中期，礦井最大絕對瓦斯涌出量9.48 m3／min，最大相對瓦斯涌出量7.51m3／t；生產(chǎn)后期，礦井最大絕對瓦斯涌出量8.23m3／min，最大相對瓦斯涌出量6.52m3／t。按照《煤礦安全規(guī)程》第133條的規(guī)定，無論是生產(chǎn)前期、中期還是后期的9＃煤層和15＃煤層開采，華陽煤礦都屬于低瓦斯礦井。

表3 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

表4 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

表5 采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

表6 礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

4 結(jié)語

（1）用線性回歸方法，研究獲得了華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層瓦斯含量（y）與埋藏深度（x）的關(guān)系。

（2）華陽煤礦9＃煤層原始瓦斯含量增長梯度為1.39m3／t／100m，15＃煤層原始瓦斯含量增長梯度為0.64m3／t／100m。

（3）采用分源預(yù)測法對華陽煤礦不同生產(chǎn)時期的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測，并得到了科學(xué)的預(yù)測結(jié)果，按照《煤礦安全規(guī)程》第133條的規(guī)定，無論是生產(chǎn)前期、中期還是后期，華陽煤礦9＃煤層和15＃煤層開采都屬于低瓦斯礦井。

［1］ 張子敏，林又玲，呂紹林.中國煤層瓦斯分布特征［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1998

［2］ 王曉彬，張子敏，張玉貴等.新安煤礦瓦斯賦存影響因素分析［J］.煤炭工程，2010（2）

［3］ 王雙喜，張紅旗.礦井瓦斯涌出量預(yù)測的實踐［J］.陜西煤炭，2009（2）

［4］ 戴永祿.大型礦井回采工作面瓦斯涌出特征考察及影響因素分析［J］.中國煤炭，2012（5）

［5］ 詹海光，尹利平.采煤工作面瓦斯涌出量的聚類預(yù)測［J］.礦業(yè)工程研究，2009（3）

［6］ 王兆豐，肖東輝，陳向軍.分源法預(yù)測望云煤礦瓦斯涌出量［J］.煤，2008（6）

［7］ 國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011

Prediction on gas emission in 9＃and 15＃coalbeds in Huayang Mine based on different－source predicting method

Song Changsheng，Chang Yanhui
（School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454003，China）

With the method of desorption index of drill cuttings，the paper determines the gas content and residual gas content in 9＃and 15＃coalbeds of Huayang Mine and analyzes the distribution characteristics of the gas content；using the linear regression method，it obtains the relationship between the gas content and the burial depth of 9＃and 15＃coallbeds，and gets the original gas content growth gradient of the two coalbeds；finally，adopting the different－source predicting method，it predicts the gas emission rate in early，middle and late periods of coal mining in Huayang Mine，and determines that in mining of 9＃and 15＃coalbeds，Huayang Mine belongs to the low－gas mines，which provides a basis for ventilation design and gas control of the mine.

gas content，gas emission rate，predicting，different－source predicting method，method of desorption index of drill cuttings

TD712.53

A

宋常勝（1977－），男，江蘇睢寧人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事采礦工程方面的教學(xué)科研工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）