測算綜采麵采空區瓦斯湧出量的幾種方法
作者：佚名
2009-02-13 17:20
來源：不詳
td="14320"> 1采空區瓦斯湧出來源
03manbetx
采空區瓦斯湧出可分為幾部分，即圍岩瓦斯湧出、未采分層瓦斯湧出、回采丟煤瓦斯湧出和鄰近層瓦斯湧出，如工作麵周圍有已采的老空區存在，也會向現采空區湧出瓦斯。這幾部分瓦斯隨著采場內煤層、岩層的變形或垮落而卸壓，按各自的規律湧入采空區，混合在一起，在濃度（壓力）差和通風負壓的作用下湧向工作麵，要想嚴格區分上述各部分湧出的瓦斯量，由於采場條件所限是很困難的，以往的研究是根據有關的瓦斯湧出資料進行統計 03manbetx ，確定各部分瓦斯湧出係數來計算采麵各湧出源的瓦斯湧出量，煤炭科學研究總院撫順分院的國家重點 科技攻關成果“分源預測法，”就是在統計的基礎上提出的計算瓦斯湧出量的方法，但係數選擇對結果影響很大。如果將上述的構成采空區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，來確定采空區的瓦斯湧出量是具有實際意義的，而且可降低係統誤差。因此，將綜采工作麵采空區當做一個整體嚴研究。
以淮南礦業集團潘三礦1452（3）綜采麵為例，該麵采空區除圍岩瓦斯湧出外，由於煤層厚度3.8m，采高3.3m，有未采的薄層煤遺留在采空區內，一部分采落的煤塊也丟落到采空區內，此外開采層上部1m 左右有1層厚1.1m的煤層，隨工作麵頂板垮落到采空區內，同時1452（3）綜采麵周圍還有老空區存在。因此1452（3）綜采麵采空區瓦斯湧出構成關係如圖1所示。
圖1 1452（3）綜采麵采空區瓦斯來源構成示意
2采空區瓦斯湧出量測算
采空區由於無法進入，瓦斯湧出又十分複雜，無法直接測量其瓦斯湧出量，隻能采用間接法。有4種方法可以粗略的預測、推算采空區的瓦斯湧出量。
2.1分源計算法
根據工作麵來源分類方法，工作麵瓦斯湧出來源分為煤壁、落煤、采空區瓦斯湧出（包括鄰近層瓦斯湧出），而分源預測法將工作麵瓦斯來源分為本層及鄰近層瓦斯湧出，采用2種不同分源方法時，工作麵瓦斯湧出量分別計算如下：
對於開采層而言，采出煤瓦斯湧出可近似用下式估算：
式中W 0——煤層原始瓦斯含量，m 3/t；
W C——運出工作麵後殘存瓦斯含量，m 3/t。
對於一次采全高（包括煤層不分層開采，且開采厚度小於煤層厚度）的工作麵 ，當考慮開采層掘進巷道預排影響、圍岩瓦斯湧出等因素時，根據分源預測法，其開采層瓦斯湧出量可用下式計算：
式中q 開——開采層瓦斯相對湧出量，m 3/t；
K 1——圍岩瓦斯湧出係數；
K 2——工作麵丟煤瓦斯湧出係數，為回采率的倒數；
K 3——采麵巷道預排瓦斯影響係數，K 3=（L-2h）/L為工作麵長度，h為掘進巷道預等值寬度；
m——開采層厚度，m；
M——開采層采高，m。
厚煤層分層開采時，開采層瓦斯湧出量計算公式如下：
q 開=K 1K 2K 3K f（W 0-W C）（6）
式中 K f——取決於煤層分層數量和順序的分層瓦斯湧出係數；
其它符號意義同前。
鄰近層瓦斯湧出量的計算：
n個鄰近層總的相對瓦斯湧出量為：
式中q 鄰——鄰近層瓦斯湧出量，m 3/t；
m i——第i個鄰近層煤層厚度，m；
M——開采采高，m；
η i——第i個鄰近層瓦斯排放率，％，
W oi——第i個鄰近層煤層瓦斯含量，m3/t。
則采空區瓦斯湧出量為q采區= q開＋q鄰－（W 0 －WC）即：
1452（3）綜采麵配風量2000m 3/min左右，回風平均瓦斯濃度0.8%左右，風排瓦斯量16m 3/min，采空區抽放瓦斯量20～25m 3/min，工作麵瓦斯湧出總量在35～40 m 3/min。采麵平均日產量4000t，則工作麵相對瓦斯湧出量約為14m 3/min。煤層瓦斯含量8m 3/min，殘存瓦斯含量2m 3/min，根據公式（4），煤壁及落煤瓦斯湧出量為W 0-W C=8-2=6m 3/t，由公式（3），采空區相對瓦斯湧出量16-4=8m 3/t,采空區瓦斯湧出量占工作麵總湧出的57％。對於未開采的工作麵，其采空區瓦斯湧出量可參考相鄰工作麵按上麵公式進行預測。
2.2用老頂垮落前後回風瓦斯湧出量的變化來估算
其計算公式為：
Q3= Q4＋（Q2－Q1）采空區瓦斯湧出量占工作麵總瓦斯湧出量的比例為：
式中Q3——采空區瓦斯出量，m 3/min；
Q1——老頂垮落前回風巷風排瓦斯量，m 3/min；
Q2——老頂垮落後，受采空區瓦斯影響的回風巷風排瓦斯量（含引排瓦斯），m 3/min；
Q4——采空區瓦斯抽放量，m 3/min；
R——采空區瓦斯湧出量占工作麵瓦斯湧出量的比例，％。
以平頂山一礦戊－21191綜采麵為例計算采空區瓦斯湧出量，當戊－21191工作麵推進30m左右時，老頂初次垮落，工作麵回風流中瓦斯急劇增大，回風流中的瓦斯濃度由老頂垮前的0.26％增加到0.58％，此時工作麵供風量885m 3/min，可以推算，開采初期采麵煤壁和落煤的瓦斯湧出量合計為2.3m 3/min，采空區瓦斯湧出量為2.83m 3/min，采空區的瓦斯湧出量占采麵總瓦斯湧出量的55％，煤壁和落煤合計點45％。
2.3作圖法估算采空區瓦斯湧出量
在工作麵正常生產期間的非生產班，在工作麵回風側煤壁到支架間均勻的布置測點，多次測定各測點的瓦斯濃度，找出濃度最低的測點，並測量濃度最低點到煤壁和到采空區的距離。將數據處理後繪製成圖，用作圖法來求采空區瓦斯湧出量。以潞安局常村礦S1-6綜采工作麵為例。選擇檢修班時間，在S1-6綜采工作麵回風側（96架、121架、141架處，支架合計１45架）由煤壁到采空區等距離布置測點，多次測定風流中的瓦斯濃度，將數據處理後繪製成圖2，根據圖2，求出煤壁、采空區湧出瓦斯在工作麵風流瓦斯中所占的比例。
圖2 S1-6工作麵橫截麵瓦斯濃度分布圖
由圖中可以得出，不考慮抽放時采空區向采麵湧出瓦斯所占比例為：
煤壁湧出瓦斯所占比例為：
S1-6工作麵回風巷在檢修班平均絕對瓦斯湧出量（風排）為7.08m 3/min，尾巷排放瓦斯量3.5m 3/min，此時采空區向采麵湧出瓦斯為7.08×34.3％＝2.43m 3/min左右，應為5.93m 3/min，因此檢修班時，采空區瓦斯湧出量占工作麵總瓦斯湧出量的56％。生產班采麵平均絕對瓦斯湧出量又增加了落湧出量3.11m 3/min（假設生產時采空區瓦斯湧出量不變）此時，工作麵瓦斯總湧出量13.69m 3/min。采空區瓦斯湧出量占工作麵瓦斯湧出的43％，測算結果與工作麵實際情況基本相附。
2.4采空區抽放量較大條件下湧出量估算
進行采空區瓦斯抽放的工作麵，如果抽放量較大時，抽出的瓦斯絕大部分為采空區內湧出的瓦斯，進行抽放後，上隅角仍然湧出一部分采空區瓦斯，理論上采空區瓦斯應為抽放的瓦斯加上上隅角湧出的一部分瓦斯，但是由於抽放，使采空區的湧出強度增加，比不抽放更多湧出一部分瓦斯，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的瓦斯湧出量，考察其所占的比例。
式中R——采空區瓦斯湧出占工作麵總湧出量的比例；
Q1——采空區（含鄰近層）瓦斯抽放量，m 3/min；
Q——工作麵瓦斯湧出量（包括抽放量），m 3/min。
以1452（3）綜采麵為例，將頂板走向孔抽放看做采空區抽放（因為如不抽放，瓦斯都將湧出到采空區內），瓦斯抽放量20～25m 3/min，風排瓦斯量16m 3/min，工作麵瓦斯湧出總量在35～40m 3/min左右。則采空區瓦斯湧出量近似等於抽放量20～25m 3/min，采空區瓦斯湧出量占工作麵瓦斯總湧出量的60％，與方法一測算的57%較一致。
3結論
采空區瓦斯湧出量大小及其在工作麵總瓦斯湧出量中所占比例的大小是工作麵的重要瓦斯參數之一，是工作麵進行瓦斯治理的依據。上述幾種測算采空區瓦斯湧出量的方法，測定原理可行，測定方法簡單適用，適合不同情況下工作麵采空區瓦斯湧出量測算，經實踐檢驗，幾種測算方法如能互相參考比較，測算結果準確性相對較高，可供現場參考應用。
采空區瓦斯湧出可分為幾部分，即圍岩瓦斯湧出、未采分層瓦斯湧出、回采丟煤瓦斯湧出和鄰近層瓦斯湧出，如工作麵周圍有已采的老空區存在，也會向現采空區湧出瓦斯。這幾部分瓦斯隨著采場內煤層、岩層的變形或垮落而卸壓，按各自的規律湧入采空區，混合在一起，在濃度（壓力）差和通風負壓的作用下湧向工作麵，要想嚴格區分上述各部分湧出的瓦斯量，由於采場條件所限是很困難的，以往的研究是根據有關的瓦斯湧出資料進行統計 03manbetx ，確定各部分瓦斯湧出係數來計算采麵各湧出源的瓦斯湧出量，煤炭科學研究總院撫順分院的國家重點 科技攻關成果“分源預測法，”就是在統計的基礎上提出的計算瓦斯湧出量的方法，但係數選擇對結果影響很大。如果將上述的構成采空區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，來確定采空區的瓦斯湧出量是具有實際意義的，而且可降低係統誤差。因此，將綜采工作麵采空區當做一個整體嚴研究。
以淮南礦業集團潘三礦1452（3）綜采麵為例，該麵采空區除圍岩瓦斯湧出外，由於煤層厚度3.8m，采高3.3m，有未采的薄層煤遺留在采空區內，一部分采落的煤塊也丟落到采空區內，此外開采層上部1m 左右有1層厚1.1m的煤層，隨工作麵頂板垮落到采空區內，同時1452（3）綜采麵周圍還有老空區存在。因此1452（3）綜采麵采空區瓦斯湧出構成關係如圖1所示。
圖1 1452（3）綜采麵采空區瓦斯來源構成示意
2采空區瓦斯湧出量測算
采空區由於無法進入，瓦斯湧出又十分複雜，無法直接測量其瓦斯湧出量，隻能采用間接法。有4種方法可以粗略的預測、推算采空區的瓦斯湧出量。
2.1分源計算法
根據工作麵來源分類方法，工作麵瓦斯湧出來源分為煤壁、落煤、采空區瓦斯湧出（包括鄰近層瓦斯湧出），而分源預測法將工作麵瓦斯來源分為本層及鄰近層瓦斯湧出，采用2種不同分源方法時，工作麵瓦斯湧出量分別計算如下：
對於開采層而言，采出煤瓦斯湧出可近似用下式估算：
式中W 0——煤層原始瓦斯含量，m 3/t；
W C——運出工作麵後殘存瓦斯含量，m 3/t。
對於一次采全高（包括煤層不分層開采，且開采厚度小於煤層厚度）的工作麵 ，當考慮開采層掘進巷道預排影響、圍岩瓦斯湧出等因素時，根據分源預測法，其開采層瓦斯湧出量可用下式計算：
式中q 開——開采層瓦斯相對湧出量，m 3/t；
K 1——圍岩瓦斯湧出係數；
K 2——工作麵丟煤瓦斯湧出係數，為回采率的倒數；
K 3——采麵巷道預排瓦斯影響係數，K 3=（L-2h）/L為工作麵長度，h為掘進巷道預等值寬度；
m——開采層厚度，m；
M——開采層采高，m。
厚煤層分層開采時，開采層瓦斯湧出量計算公式如下：
q 開=K 1K 2K 3K f（W 0-W C）（6）
式中 K f——取決於煤層分層數量和順序的分層瓦斯湧出係數；
其它符號意義同前。
鄰近層瓦斯湧出量的計算：
n個鄰近層總的相對瓦斯湧出量為：
式中q 鄰——鄰近層瓦斯湧出量，m 3/t；
m i——第i個鄰近層煤層厚度，m；
M——開采采高，m；
η i——第i個鄰近層瓦斯排放率，％，
W oi——第i個鄰近層煤層瓦斯含量，m3/t。
則采空區瓦斯湧出量為q采區= q開＋q鄰－（W 0 －WC）即：
1452（3）綜采麵配風量2000m 3/min左右，回風平均瓦斯濃度0.8%左右，風排瓦斯量16m 3/min，采空區抽放瓦斯量20～25m 3/min，工作麵瓦斯湧出總量在35～40 m 3/min。采麵平均日產量4000t，則工作麵相對瓦斯湧出量約為14m 3/min。煤層瓦斯含量8m 3/min，殘存瓦斯含量2m 3/min，根據公式（4），煤壁及落煤瓦斯湧出量為W 0-W C=8-2=6m 3/t，由公式（3），采空區相對瓦斯湧出量16-4=8m 3/t,采空區瓦斯湧出量占工作麵總湧出的57％。對於未開采的工作麵，其采空區瓦斯湧出量可參考相鄰工作麵按上麵公式進行預測。
2.2用老頂垮落前後回風瓦斯湧出量的變化來估算
其計算公式為：
Q3= Q4＋（Q2－Q1）采空區瓦斯湧出量占工作麵總瓦斯湧出量的比例為：
式中Q3——采空區瓦斯出量，m 3/min；
Q1——老頂垮落前回風巷風排瓦斯量，m 3/min；
Q2——老頂垮落後，受采空區瓦斯影響的回風巷風排瓦斯量（含引排瓦斯），m 3/min；
Q4——采空區瓦斯抽放量，m 3/min；
R——采空區瓦斯湧出量占工作麵瓦斯湧出量的比例，％。
以平頂山一礦戊－21191綜采麵為例計算采空區瓦斯湧出量，當戊－21191工作麵推進30m左右時，老頂初次垮落，工作麵回風流中瓦斯急劇增大，回風流中的瓦斯濃度由老頂垮前的0.26％增加到0.58％，此時工作麵供風量885m 3/min，可以推算，開采初期采麵煤壁和落煤的瓦斯湧出量合計為2.3m 3/min，采空區瓦斯湧出量為2.83m 3/min，采空區的瓦斯湧出量占采麵總瓦斯湧出量的55％，煤壁和落煤合計點45％。
2.3作圖法估算采空區瓦斯湧出量
在工作麵正常生產期間的非生產班，在工作麵回風側煤壁到支架間均勻的布置測點，多次測定各測點的瓦斯濃度，找出濃度最低的測點，並測量濃度最低點到煤壁和到采空區的距離。將數據處理後繪製成圖，用作圖法來求采空區瓦斯湧出量。以潞安局常村礦S1-6綜采工作麵為例。選擇檢修班時間，在S1-6綜采工作麵回風側（96架、121架、141架處，支架合計１45架）由煤壁到采空區等距離布置測點，多次測定風流中的瓦斯濃度，將數據處理後繪製成圖2，根據圖2，求出煤壁、采空區湧出瓦斯在工作麵風流瓦斯中所占的比例。
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td="14320">圖2 S1-6工作麵橫截麵瓦斯濃度分布圖
由圖中可以得出，不考慮抽放時采空區向采麵湧出瓦斯所占比例為：
煤壁湧出瓦斯所占比例為：
S1-6工作麵回風巷在檢修班平均絕對瓦斯湧出量（風排）為7.08m 3/min，尾巷排放瓦斯量3.5m 3/min，此時采空區向采麵湧出瓦斯為7.08×34.3％＝2.43m 3/min左右，應為5.93m 3/min，因此檢修班時，采空區瓦斯湧出量占工作麵總瓦斯湧出量的56％。生產班采麵平均絕對瓦斯湧出量又增加了落湧出量3.11m 3/min（假設生產時采空區瓦斯湧出量不變）此時，工作麵瓦斯總湧出量13.69m 3/min。采空區瓦斯湧出量占工作麵瓦斯湧出的43％，測算結果與工作麵實際情況基本相附。
2.4采空區抽放量較大條件下湧出量估算
進行采空區瓦斯抽放的工作麵，如果抽放量較大時，抽出的瓦斯絕大部分為采空區內湧出的瓦斯，進行抽放後，上隅角仍然湧出一部分采空區瓦斯，理論上采空區瓦斯應為抽放的瓦斯加上上隅角湧出的一部分瓦斯，但是由於抽放，使采空區的湧出強度增加，比不抽放更多湧出一部分瓦斯，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的瓦斯湧出量，考察其所占的比例。
式中R——采空區瓦斯湧出占工作麵總湧出量的比例；
Q1——采空區（含鄰近層）瓦斯抽放量，m 3/min；
Q——工作麵瓦斯湧出量（包括抽放量），m 3/min。
以1452（3）綜采麵為例，將頂板走向孔抽放看做采空區抽放（因為如不抽放，瓦斯都將湧出到采空區內），瓦斯抽放量20～25m 3/min，風排瓦斯量16m 3/min，工作麵瓦斯湧出總量在35～40m 3/min左右。則采空區瓦斯湧出量近似等於抽放量20～25m 3/min，采空區瓦斯湧出量占工作麵瓦斯總湧出量的60％，與方法一測算的57%較一致。
3結論
采空區瓦斯湧出量大小及其在工作麵總瓦斯湧出量中所占比例的大小是工作麵的重要瓦斯參數之一，是工作麵進行瓦斯治理的依據。上述幾種測算采空區瓦斯湧出量的方法，測定原理可行，測定方法簡單適用，適合不同情況下工作麵采空區瓦斯湧出量測算，經實踐檢驗，幾種測算方法如能互相參考比較，測算結果準確性相對較高，可供現場參考應用。
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