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(huì)向現(xiàn)采空區(qū)涌出瓦斯。這幾部分瓦斯隨著采場(chǎng)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(chǎng)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(jì)分析，確定各部分瓦斯涌出系數(shù)來計(jì)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(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)成果“分源預(yù)測(cè)法，”就是在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上提出的計(jì)算瓦斯涌出量的方法，但系數(shù)選擇對(duì)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(gè)瓦斯源，采用切實(shí)可行的研究測(cè)定方法，來確定采空區(qū)的瓦斯涌出量是具有實(shí)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(gè)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(shí)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(cè)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(cè)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(cè)、推算采空區(qū)的瓦斯涌出量。
2.1分源計(jì)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(cè)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(shí)，工作面瓦斯涌出量分別計(jì)算如下：
對(duì)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(duì)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(shí)，根據(jù)分源預(yù)測(cè)法，其開采層瓦斯涌出量可用下式計(jì)算：
式中q開——開采層瓦斯相對(duì)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(zhǎng)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(shí)，開采層瓦斯涌出量計(jì)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(hào)意義同前。
鄰近層瓦斯涌出量的計(jì)算：
n個(gè)鄰近層總的相對(duì)瓦斯涌出量為：
式中q鄰——鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；
mi——第i個(gè)鄰近層煤層厚度，m；
M——開采采高，m；
ηi——第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率，％，
Woi——第i個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)。
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(jì)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(jì)算采空區(qū)瓦斯涌出量，當(dāng)戊－21191工作面推進(jìn)30m左右時(shí)，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(shí)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(jì)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(jì)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)，多次測(cè)定各測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛?，找出濃度最低的測(cè)點(diǎn)，并測(cè)量濃度最低點(diǎn)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(shí)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(jì)１45架）由煤壁到采空區(qū)等距離布置測(cè)點(diǎn)，多次測(cè)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(shí)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(duì)瓦斯涌出量（風(fēng)排）為7.08m3/min，尾巷排放瓦斯量3.5m3/min，此時(shí)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(shí)，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(duì)瓦斯涌出量又增加了落涌出量3.11m3/min（假設(shè)生產(chǎn)時(shí)采空區(qū)瓦斯涌出量不變）此時(shí)，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(cè)算結(jié)果與工作面實(shí)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(shí)，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。
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(huì)向現(xiàn)采空區(qū)涌出瓦斯。這幾部分瓦斯隨著采場(chǎng)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(chǎng)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(jì)分析，確定各部分瓦斯涌出系數(shù)來計(jì)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(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)成果“分源預(yù)測(cè)法，”就是在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上提出的計(jì)算瓦斯涌出量的方法，但系數(shù)選擇對(duì)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(gè)瓦斯源，采用切實(shí)可行的研究測(cè)定方法，來確定采空區(qū)的瓦斯涌出量是具有實(shí)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(gè)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(shí)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(cè)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(cè)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(cè)、推算采空區(qū)的瓦斯涌出量。
2.1分源計(jì)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(cè)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(shí)，工作面瓦斯涌出量分別計(jì)算如下：
對(duì)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(duì)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(shí)，根據(jù)分源預(yù)測(cè)法，其開采層瓦斯涌出量可用下式計(jì)算：
式中q開——開采層瓦斯相對(duì)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(zhǎng)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(shí)，開采層瓦斯涌出量計(jì)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(hào)意義同前。
鄰近層瓦斯涌出量的計(jì)算：
n個(gè)鄰近層總的相對(duì)瓦斯涌出量為：
式中q鄰——鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；
mi——第i個(gè)鄰近層煤層厚度，m；
M——開采采高，m；
ηi——第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率，％，
Woi——第i個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)。
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(jì)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(jì)算采空區(qū)瓦斯涌出量，當(dāng)戊－21191工作面推進(jìn)30m左右時(shí)，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(shí)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(jì)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(jì)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)，多次測(cè)定各測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛?，找出濃度最低的測(cè)點(diǎn)，并測(cè)量濃度最低點(diǎn)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(shí)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(jì)１45架）由煤壁到采空區(qū)等距離布置測(cè)點(diǎn)，多次測(cè)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(shí)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(duì)瓦斯涌出量（風(fēng)排）為7.08m3/min，尾巷排放瓦斯量3.5m3/min，此時(shí)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(shí)，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(duì)瓦斯涌出量又增加了落涌出量3.11m3/min（假設(shè)生產(chǎn)時(shí)采空區(qū)瓦斯涌出量不變）此時(shí)，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(cè)算結(jié)果與工作面實(shí)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(shí)，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。
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