測算綜采面采空區(qū)瓦斯涌出量的幾種方法
作者：佚名
2009-02-13 17:20
來源：不詳
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1采空區(qū)瓦斯涌出來源分析
采空區(qū)瓦斯涌出可分為幾部分，即圍巖瓦斯涌出、未采分層瓦斯涌出、回采丟煤瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出，如工作面周圍有已采的老空區(qū)存在，也會向現(xiàn)采空區(qū)涌出瓦斯。這幾部分瓦斯隨著采場內(nèi)煤層、巖層的變形或垮落而卸壓，按各自的規(guī)律涌入采空區(qū)，混合在一起，在濃度（壓力）差和通風(fēng)負(fù)壓的作用下涌向工作面，要想嚴(yán)格區(qū)分上述各部分涌出的瓦斯量，由于采場條件所限是很困難的，以往的研究是根據(jù)有關(guān)的瓦斯涌出資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定各部分瓦斯涌出系數(shù)來計算采面各涌出源的瓦斯涌出量，煤炭科學(xué)研究總院撫順分院的國家重點科技攻關(guān)成果“分源預(yù)測法，”就是在統(tǒng)計的基礎(chǔ)上提出的計算瓦斯涌出量的方法，但系數(shù)選擇對結(jié)果影響很大。如果將上述的構(gòu)成采空區(qū)瓦斯的幾部分作為一個瓦斯源，采用切實可行的研究測定方法，來確定采空區(qū)的瓦斯涌出量是具有實際意義的，而且可降低系統(tǒng)誤差。因此，將綜采工作面采空區(qū)當(dāng)做一個整體嚴(yán)研究。
以淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦1452（3）綜采面為例，該面采空區(qū)除圍巖瓦斯涌出外，由于煤層厚度3.8m，采高3.3m，有未采的薄層煤遺留在采空區(qū)內(nèi)，一部分采落的煤塊也丟落到采空區(qū)內(nèi)，此外開采層上部1m 左右有1層厚1.1m的煤層，隨工作面頂板垮落到采空區(qū)內(nèi)，同時1452（3）綜采面周圍還有老空區(qū)存在。因此1452（3）綜采面采空區(qū)瓦斯涌出構(gòu)成關(guān)系如圖1所示。
圖1 1452（3）綜采面采空區(qū)瓦斯來源構(gòu)成示意
2采空區(qū)瓦斯涌出量測算
采空區(qū)由于無法進(jìn)入，瓦斯涌出又十分復(fù)雜，無法直接測量其瓦斯涌出量，只能采用間接法。有4種方法可以粗略的預(yù)測、推算采空區(qū)的瓦斯涌出量。
2.1分源計算法
根據(jù)工作面來源分類方法，工作面瓦斯涌出來源分為煤壁、落煤、采空區(qū)瓦斯涌出（包括鄰近層瓦斯涌出），而分源預(yù)測法將工作面瓦斯來源分為本層及鄰近層瓦斯涌出，采用2種不同分源方法時，工作面瓦斯涌出量分別計算如下：
對于開采層而言，采出煤瓦斯涌出可近似用下式估算：
式中W0——煤層原始瓦斯含量，m3/t；
WC——運(yùn)出工作面后殘存瓦斯含量，m3/t。
對于一次采全高（包括煤層不分層開采，且開采厚度小于煤層厚度）的工作面 ，當(dāng)考慮開采層掘進(jìn)巷道預(yù)排影響、圍巖瓦斯涌出等因素時，根據(jù)分源預(yù)測法，其開采層瓦斯涌出量可用下式計算：
式中q開——開采層瓦斯相對涌出量，m3/t；
K1——圍巖瓦斯涌出系數(shù)；
K2——工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，為回采率的倒數(shù)；
K3——采面巷道預(yù)排瓦斯影響系數(shù)，K3=（L-2h）/L為工作面長度，h為掘進(jìn)巷道預(yù)等值寬度；
m——開采層厚度，m；
M——開采層采高，m。
厚煤層分層開采時，開采層瓦斯涌出量計算公式如下：
q開=K1 K2 K3 Kf（W0-WC）（6）
式中 Kf——取決于煤層分層數(shù)量和順序的分層瓦斯涌出系數(shù)；
其它符號意義同前。
鄰近層瓦斯涌出量的計算：
n個鄰近層總的相對瓦斯涌出量為：
式中q鄰——鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；
mi——第i個鄰近層煤層厚度，m；
M——開采采高，m；
ηi——第i個鄰近層瓦斯排放率，％，
Woi——第i個鄰近層煤層瓦斯含量，m3/t。
則采空區(qū)瓦斯涌出量為q采區(qū)= q開＋q鄰－（W 0 －WC）即：
1452（3）綜采面配風(fēng)量2000m3/min左右，回風(fēng)平均瓦斯?jié)舛?.8%左右，風(fēng)排瓦斯量16m3/min，采空區(qū)抽放瓦斯量20～25m3/min，工作面瓦斯涌出總量在35～40 m3/min。采面平均日產(chǎn)量4000t，則工作面相對瓦斯涌出量約為14m3/min。煤層瓦斯含量8m3/min，殘存瓦斯含量2m3/min，根據(jù)公式（4），煤壁及落煤瓦斯涌出量為W0-WC=8-2=6m3/t，由公式（3），采空區(qū)相對瓦斯涌出量16-4=8m3/t,采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總涌出的57％。對于未開采的工作面，其采空區(qū)瓦斯涌出量可參考相鄰工作面按上面公式進(jìn)行預(yù)測。
2.2用老頂垮落前后回風(fēng)瓦斯涌出量的變化來估算
其計算公式為：
Q3= Q4＋（Q2－Q1）采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的比例為：
式中Q3——采空區(qū)瓦斯出量，m3/min；
Q1——老頂垮落前回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量，m3/min；
Q2——老頂垮落后，受采空區(qū)瓦斯影響的回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量（含引排瓦斯），m3/min；
Q4——采空區(qū)瓦斯抽放量，m3/min；
R——采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的比例，％。
以平頂山一礦戊－21191綜采面為例計算采空區(qū)瓦斯涌出量，當(dāng)戊－21191工作面推進(jìn)30m左右時，老頂初次垮落，工作面回風(fēng)流中瓦斯急劇增大，回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛扔衫享斂迩暗?.26％增加到0.58％，此時工作面供風(fēng)量885m3/min，可以推算，開采初期采面煤壁和落煤的瓦斯涌出量合計為2.3m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量為2.83m3/min，采空區(qū)的瓦斯涌出量占采面總瓦斯涌出量的55％，煤壁和落煤合計點45％。
2.3作圖法估算采空區(qū)瓦斯涌出量
在工作面正常生產(chǎn)期間的非生產(chǎn)班，在工作面回風(fēng)側(cè)煤壁到支架間均勻的布置測點，多次測定各測點的瓦斯?jié)舛龋页鰸舛茸畹偷臏y點，并測量濃度最低點到煤壁和到采空區(qū)的距離。將數(shù)據(jù)處理后繪制成圖，用作圖法來求采空區(qū)瓦斯涌出量。以潞安局常村礦S1-6綜采工作面為例。選擇檢修班時間，在S1-6綜采工作面回風(fēng)側(cè)（96架、121架、141架處，支架合計１45架）由煤壁到采空區(qū)等距離布置測點，多次測定風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，將?shù)據(jù)處理后繪制成圖2，根據(jù)圖2，求出煤壁、采空區(qū)涌出瓦斯在工作面風(fēng)流瓦斯中所占的比例。
圖2 S1-6工作面橫截面瓦斯?jié)舛确植紙D
由圖中可以得出，不考慮抽放時采空區(qū)向采面涌出瓦斯所占比例為：
煤壁涌出瓦斯所占比例為：
S1-6工作面回風(fēng)巷在檢修班平均絕對瓦斯涌出量（風(fēng)排）為7.08m3/min，尾巷排放瓦斯量3.5m3/min，此時采空區(qū)向采面涌出瓦斯為7.08×34.3％＝2.43m3/min左右，應(yīng)為5.93m3/min，因此檢修班時，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的56％。生產(chǎn)班采面平均絕對瓦斯涌出量又增加了落涌出量3.11m3/min（假設(shè)生產(chǎn)時采空區(qū)瓦斯涌出量不變）此時，工作面瓦斯總涌出量13.69m3/min。采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出的43％，測算結(jié)果與工作面實際情況基本相附。
2.4采空區(qū)抽放量較大條件下涌出量估算
進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽放的工作面，如果抽放量較大時，抽出的瓦斯絕大部分為采空區(qū)內(nèi)涌出的瓦斯，進(jìn)行抽放后，上隅角仍然涌出一部分采空區(qū)瓦斯，理論上采空區(qū)瓦斯應(yīng)為抽放的瓦斯加上上隅角涌出的一部分瓦斯，但是由于抽放，使采空區(qū)的涌出強(qiáng)度增加，比不抽放更多涌出一部分瓦斯，這兩部分瓦斯如果大致相抵消，我們粗略的把抽放量作為采空區(qū)的瓦斯涌出量，考察其所占的比例。
式中R——采空區(qū)瓦斯涌出占工作面總涌出量的比例；
Q1——采空區(qū)（含鄰近層）瓦斯抽放量，m3/min；
Q——工作面瓦斯涌出量（包括抽放量），m3/min。
以1452（3）綜采面為例，將頂板走向孔抽放看做采空區(qū)抽放（因為如不抽放，瓦斯都將涌出到采空區(qū)內(nèi)），瓦斯抽放量20～25m3/min，風(fēng)排瓦斯量16m3/min，工作面瓦斯涌出總量在35～40m3/min左右。則采空區(qū)瓦斯涌出量近似等于抽放量20～25m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯總涌出量的60％，與方法一測算的57%較一致。
3結(jié)論
采空區(qū)瓦斯涌出量大小及其在工作面總瓦斯涌出量中所占比例的大小是工作面的重要瓦斯參數(shù)之一，是工作面進(jìn)行瓦斯治理的依據(jù)。上述幾種測算采空區(qū)瓦斯涌出量的方法，測定原理可行，測定方法簡單適用，適合不同情況下工作面采空區(qū)瓦斯涌出量測算，經(jīng)實踐檢驗，幾種測算方法如能互相參考比較，測算結(jié)果準(zhǔn)確性相對較高，可供現(xiàn)場參考應(yīng)用。
采空區(qū)瓦斯涌出可分為幾部分，即圍巖瓦斯涌出、未采分層瓦斯涌出、回采丟煤瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出，如工作面周圍有已采的老空區(qū)存在，也會向現(xiàn)采空區(qū)涌出瓦斯。這幾部分瓦斯隨著采場內(nèi)煤層、巖層的變形或垮落而卸壓，按各自的規(guī)律涌入采空區(qū)，混合在一起，在濃度（壓力）差和通風(fēng)負(fù)壓的作用下涌向工作面，要想嚴(yán)格區(qū)分上述各部分涌出的瓦斯量，由于采場條件所限是很困難的，以往的研究是根據(jù)有關(guān)的瓦斯涌出資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定各部分瓦斯涌出系數(shù)來計算采面各涌出源的瓦斯涌出量，煤炭科學(xué)研究總院撫順分院的國家重點科技攻關(guān)成果“分源預(yù)測法，”就是在統(tǒng)計的基礎(chǔ)上提出的計算瓦斯涌出量的方法，但系數(shù)選擇對結(jié)果影響很大。如果將上述的構(gòu)成采空區(qū)瓦斯的幾部分作為一個瓦斯源，采用切實可行的研究測定方法，來確定采空區(qū)的瓦斯涌出量是具有實際意義的，而且可降低系統(tǒng)誤差。因此，將綜采工作面采空區(qū)當(dāng)做一個整體嚴(yán)研究。
以淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦1452（3）綜采面為例，該面采空區(qū)除圍巖瓦斯涌出外，由于煤層厚度3.8m，采高3.3m，有未采的薄層煤遺留在采空區(qū)內(nèi)，一部分采落的煤塊也丟落到采空區(qū)內(nèi)，此外開采層上部1m 左右有1層厚1.1m的煤層，隨工作面頂板垮落到采空區(qū)內(nèi)，同時1452（3）綜采面周圍還有老空區(qū)存在。因此1452（3）綜采面采空區(qū)瓦斯涌出構(gòu)成關(guān)系如圖1所示。
圖1 1452（3）綜采面采空區(qū)瓦斯來源構(gòu)成示意
2采空區(qū)瓦斯涌出量測算
采空區(qū)由于無法進(jìn)入，瓦斯涌出又十分復(fù)雜，無法直接測量其瓦斯涌出量，只能采用間接法。有4種方法可以粗略的預(yù)測、推算采空區(qū)的瓦斯涌出量。
2.1分源計算法
根據(jù)工作面來源分類方法，工作面瓦斯涌出來源分為煤壁、落煤、采空區(qū)瓦斯涌出（包括鄰近層瓦斯涌出），而分源預(yù)測法將工作面瓦斯來源分為本層及鄰近層瓦斯涌出，采用2種不同分源方法時，工作面瓦斯涌出量分別計算如下：
對于開采層而言，采出煤瓦斯涌出可近似用下式估算：
式中W0——煤層原始瓦斯含量，m3/t；
WC——運(yùn)出工作面后殘存瓦斯含量，m3/t。
對于一次采全高（包括煤層不分層開采，且開采厚度小于煤層厚度）的工作面 ，當(dāng)考慮開采層掘進(jìn)巷道預(yù)排影響、圍巖瓦斯涌出等因素時，根據(jù)分源預(yù)測法，其開采層瓦斯涌出量可用下式計算：
式中q開——開采層瓦斯相對涌出量，m3/t；
K1——圍巖瓦斯涌出系數(shù)；
K2——工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，為回采率的倒數(shù)；
K3——采面巷道預(yù)排瓦斯影響系數(shù)，K3=（L-2h）/L為工作面長度，h為掘進(jìn)巷道預(yù)等值寬度；
m——開采層厚度，m；
M——開采層采高，m。
厚煤層分層開采時，開采層瓦斯涌出量計算公式如下：
q開=K1 K2 K3 Kf（W0-WC）（6）
式中 Kf——取決于煤層分層數(shù)量和順序的分層瓦斯涌出系數(shù)；
其它符號意義同前。
鄰近層瓦斯涌出量的計算：
n個鄰近層總的相對瓦斯涌出量為：
式中q鄰——鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；
mi——第i個鄰近層煤層厚度，m；
M——開采采高，m；
ηi——第i個鄰近層瓦斯排放率，％，
Woi——第i個鄰近層煤層瓦斯含量，m3/t。
則采空區(qū)瓦斯涌出量為q采區(qū)= q開＋q鄰－（W 0 －WC）即：
1452（3）綜采面配風(fēng)量2000m3/min左右，回風(fēng)平均瓦斯?jié)舛?.8%左右，風(fēng)排瓦斯量16m3/min，采空區(qū)抽放瓦斯量20～25m3/min，工作面瓦斯涌出總量在35～40 m3/min。采面平均日產(chǎn)量4000t，則工作面相對瓦斯涌出量約為14m3/min。煤層瓦斯含量8m3/min，殘存瓦斯含量2m3/min，根據(jù)公式（4），煤壁及落煤瓦斯涌出量為W0-WC=8-2=6m3/t，由公式（3），采空區(qū)相對瓦斯涌出量16-4=8m3/t,采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總涌出的57％。對于未開采的工作面，其采空區(qū)瓦斯涌出量可參考相鄰工作面按上面公式進(jìn)行預(yù)測。
2.2用老頂垮落前后回風(fēng)瓦斯涌出量的變化來估算
其計算公式為：
Q3= Q4＋（Q2－Q1）采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的比例為：
式中Q3——采空區(qū)瓦斯出量，m3/min；
Q1——老頂垮落前回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量，m3/min；
Q2——老頂垮落后，受采空區(qū)瓦斯影響的回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量（含引排瓦斯），m3/min；
Q4——采空區(qū)瓦斯抽放量，m3/min；
R——采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的比例，％。
以平頂山一礦戊－21191綜采面為例計算采空區(qū)瓦斯涌出量，當(dāng)戊－21191工作面推進(jìn)30m左右時，老頂初次垮落，工作面回風(fēng)流中瓦斯急劇增大，回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛扔衫享斂迩暗?.26％增加到0.58％，此時工作面供風(fēng)量885m3/min，可以推算，開采初期采面煤壁和落煤的瓦斯涌出量合計為2.3m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量為2.83m3/min，采空區(qū)的瓦斯涌出量占采面總瓦斯涌出量的55％，煤壁和落煤合計點45％。
2.3作圖法估算采空區(qū)瓦斯涌出量
在工作面正常生產(chǎn)期間的非生產(chǎn)班，在工作面回風(fēng)側(cè)煤壁到支架間均勻的布置測點，多次測定各測點的瓦斯?jié)舛龋页鰸舛茸畹偷臏y點，并測量濃度最低點到煤壁和到采空區(qū)的距離。將數(shù)據(jù)處理后繪制成圖，用作圖法來求采空區(qū)瓦斯涌出量。以潞安局常村礦S1-6綜采工作面為例。選擇檢修班時間，在S1-6綜采工作面回風(fēng)側(cè)（96架、121架、141架處，支架合計１45架）由煤壁到采空區(qū)等距離布置測點，多次測定風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，將?shù)據(jù)處理后繪制成圖2，根據(jù)圖2，求出煤壁、采空區(qū)涌出瓦斯在工作面風(fēng)流瓦斯中所占的比例。
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圖2 S1-6工作面橫截面瓦斯?jié)舛确植紙D
由圖中可以得出，不考慮抽放時采空區(qū)向采面涌出瓦斯所占比例為：
煤壁涌出瓦斯所占比例為：
S1-6工作面回風(fēng)巷在檢修班平均絕對瓦斯涌出量（風(fēng)排）為7.08m3/min，尾巷排放瓦斯量3.5m3/min，此時采空區(qū)向采面涌出瓦斯為7.08×34.3％＝2.43m3/min左右，應(yīng)為5.93m3/min，因此檢修班時，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的56％。生產(chǎn)班采面平均絕對瓦斯涌出量又增加了落涌出量3.11m3/min（假設(shè)生產(chǎn)時采空區(qū)瓦斯涌出量不變）此時，工作面瓦斯總涌出量13.69m3/min。采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出的43％，測算結(jié)果與工作面實際情況基本相附。
2.4采空區(qū)抽放量較大條件下涌出量估算
進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽放的工作面，如果抽放量較大時，抽出的瓦斯絕大部分為采空區(qū)內(nèi)涌出的瓦斯，進(jìn)行抽放后，上隅角仍然涌出一部分采空區(qū)瓦斯，理論上采空區(qū)瓦斯應(yīng)為抽放的瓦斯加上上隅角涌出的一部分瓦斯，但是由于抽放，使采空區(qū)的涌出強(qiáng)度增加，比不抽放更多涌出一部分瓦斯，這兩部分瓦斯如果大致相抵消，我們粗略的把抽放量作為采空區(qū)的瓦斯涌出量，考察其所占的比例。
式中R——采空區(qū)瓦斯涌出占工作面總涌出量的比例；
Q1——采空區(qū)（含鄰近層）瓦斯抽放量，m3/min；
Q——工作面瓦斯涌出量（包括抽放量），m3/min。
以1452（3）綜采面為例，將頂板走向孔抽放看做采空區(qū)抽放（因為如不抽放，瓦斯都將涌出到采空區(qū)內(nèi)），瓦斯抽放量20～25m3/min，風(fēng)排瓦斯量16m3/min，工作面瓦斯涌出總量在35～40m3/min左右。則采空區(qū)瓦斯涌出量近似等于抽放量20～25m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯總涌出量的60％，與方法一測算的57%較一致。
3結(jié)論
采空區(qū)瓦斯涌出量大小及其在工作面總瓦斯涌出量中所占比例的大小是工作面的重要瓦斯參數(shù)之一，是工作面進(jìn)行瓦斯治理的依據(jù)。上述幾種測算采空區(qū)瓦斯涌出量的方法，測定原理可行，測定方法簡單適用，適合不同情況下工作面采空區(qū)瓦斯涌出量測算，經(jīng)實踐檢驗，幾種測算方法如能互相參考比較，測算結(jié)果準(zhǔn)確性相對較高，可供現(xiàn)場參考應(yīng)用。
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