一种综放工作面多源瓦斯涌出量动态预测方法与流程

本发明属于矿井瓦斯防治领域，具体涉及一种综放工作面多源瓦斯涌出量动态预测方法。

背景技术：

瓦斯涌出量预测是矿井瓦斯防治工作的基础，可为瓦斯治理布置和设计提供依据。目前工作面瓦斯涌出量预测方法主要有分源预测法和矿山统计法，但主要针对综采工作面瓦斯涌出预测，对综放工作面瓦斯涌出预测适用性不强，并且目前瓦斯涌出预测方法主要基于工作面煤岩地质和瓦斯参数等静态指标，未考虑采煤速度、运煤时间等动态参数，所得预测结果准确性不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于弥补现有综放工作面瓦斯涌出量预测方法的不足，提供了一种综放工作面多源瓦斯涌出量动态预测方法，基于工作面开采层特征、开采强度特征、开采工艺特征及开采瓦斯特征，可分别预测采落煤瓦斯涌出量、放落煤瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量、煤壁瓦斯涌出量以及工作面瓦斯涌出总量，提高了综放工作面瓦斯涌出量预测的精准度。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种综放工作面多源瓦斯涌出量动态预测方法，包括以下步骤：

步骤1：根据综放工作面地质和开采条件确定瓦斯涌出来源类别，将综放工作面瓦斯涌出源分为采落煤瓦斯涌出、放落煤瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出和煤壁瓦斯涌出4大类别；

步骤2：获取综放工作面瓦斯涌出预测依据数据；瓦斯涌出预测依据数据包括工作面采煤高度、煤体密度、采煤机截深、割煤速度、工作面开采煤体的可解析瓦斯量、采落煤运煤时间、采落煤体综合瓦斯涌出系数、工作面采放总高度、综放工作面采放比、工作面回采率、放煤步距、放落煤运煤时间、放落煤体综合瓦斯涌出系数、工作面长度、一个来压周期内工作面推进距离、采空区瓦斯总抽采量、瓦斯涌出比例因子、一个来压周期内工作面推进时间、液压支架顶部支撑长度、煤壁瓦斯涌出系数以及煤壁最长暴露时间；

步骤3：根据工作面采煤高度、煤体密度、采煤机截深、割煤速度、工作面开采煤体的可解析瓦斯量、采落煤运煤时间以及采落煤体综合瓦斯涌出系数计算采落煤瓦斯涌出量；

根据工作面采煤高度、工作面采放总高度、综放工作面采放比、工作面回采率、煤体密度、放煤步距、割煤速度、工作面开采煤体的可解析瓦斯量、放落煤运煤时间以及放落煤体综合瓦斯涌出系数计算放落煤瓦斯涌出量；

根据工作面采放总高度、工作面回采率、煤体密度、工作面长度、一个来压周内工作面推进距离、一个来压周内工作面推进时间、采空区瓦斯总抽采量、瓦斯涌出比例因子、工作面开采煤体的可解析瓦斯量以及放落煤综合瓦斯涌出系数计算采空区瓦斯涌出量；

根据工作面采煤高度、工作面长度、液压支架顶部支撑长度、工作面开采煤体的可解析瓦斯量、煤壁瓦斯涌出系数以及煤壁最长暴露时间计算煤壁瓦斯涌出量；

步骤4：根据采落煤瓦斯涌出量、放落煤瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量以及煤壁瓦斯涌出量计算工作面瓦斯涌出总量。

本发明进一步的改进在于，步骤3中，计算采落煤瓦斯涌出量的计算公式为：

其中，h采为工作面采煤高度，m；ρ为煤体密度，t/m³；d为采煤机截深，m；v采为割煤速度，m/min；w解为工作面开采煤体的可解析瓦斯量，m³/t；t采为采落煤运煤时间，min，即采落煤体经刮板输送机和皮带运出工作面的时间；α、β、γ分别为采落煤体综合瓦斯涌出系数。

本发明进一步的改进在于，步骤3中，计算放落煤瓦斯涌出量的计算公式为：

其中，h采为工作面采煤高度，m；h总为工作面采放总高度，m；k为综放工作面采放比；r为工作面回采率，％；ρ为煤体密度，t/m³；d为放煤步距，即采煤机截深，m；v放为割煤速度，m/min；w解为工作面开采煤体的可解析瓦斯量，m³/t；t放为放落煤运煤时间，min，即放落煤体经刮板输送机和皮带运出工作面的时间；α、β、γ分别为放落煤体综合瓦斯涌出系数。

本发明进一步的改进在于，步骤3中，计算采空区瓦斯涌出量的计算公式为：

其中，h总为工作面采放总高度，m；r为工作面回采率，％；ρ为煤体密度，t/m³；l0为工作面长度，m；l为一个来压周期内工作面推进距离，m，l1<l<l1+l，l1为采空区瓦斯初始涌出步距，m；l为工作面来压步距，m；t为一个来压周期内工作面推进时间，min，0<t<t，t为工作面来压周期，min；q抽为采空区瓦斯总抽采量，m³/min；θ为瓦斯涌出比例因子，％；w解为工作面开采煤体的可解析瓦斯量，m³/t；α、β、γ为放落煤综合瓦斯涌出系数。

本发明进一步的改进在于，步骤3中，计算煤壁瓦斯涌出量的计算公式为：

其中，h采为工作面采煤高度，m；l0为工作面长度，m；s为液压支架顶部支撑长度，m；w解为工作面开采煤体的可解析瓦斯量，m³/t；α、β、γ为煤壁瓦斯涌出系数；t为煤壁最长暴露时间，min，t＝2l0/v采+t0，t0为采煤机每刀之间的间隙时间。

本发明进一步的改进在于，步骤4中，计算工作面瓦斯涌出总量的计算公式为：

q＝(q采+q放+q空+q壁)μ

其中，q采为采落煤瓦斯涌出量，m³/min；q放为放落煤瓦斯涌出量，m³/min；q空为采空区瓦斯涌出量，m³/min；q壁为煤壁瓦斯涌出量，m³/min；μ为周期来压瓦斯涌出纠正系数。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明针对目前综采放顶煤开采瓦斯涌出量预测局限性和准确性方面的不足，将工作面瓦斯涌出来源分为采落煤瓦斯涌出量、放落煤瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量和煤壁瓦斯涌出量4个部分，并充分考虑影响综放工作面瓦斯涌出的关键动态因素，更加真实且全面的反映出综放工作面瓦斯涌出的真实情况，因此得到的瓦斯涌出量预测结果较为准确，且弥补了现有综放开采瓦斯涌出预测的空白。

现有瓦斯涌出量预测方法主要分为分源预测法、矿山统计法和数学分析法，但现有方法仅针对综采一次采全高工作面的瓦斯涌出预测，并不适用于综采放顶煤工作面瓦斯涌出预测，预测结果与实际偏差较大。本发明从综放工作面瓦斯涌出主要来源和各分源瓦斯涌出规律入手，通过理论分析、数值计算、现场实测、数学推导多种手段，提出了适用于综放开采的瓦斯涌出量预测方法，并通过现场检验证明了应用于综放工作面瓦斯涌出预测的可行性和准确性，为综放开采瓦斯涌出预测提供了一种新方法。

附图说明

图1是本发明实施例提供的综放工作面瓦斯涌出来源分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，综采放顶煤(综放)采煤法是在开采厚煤层时，沿煤层的底板或煤层某一厚度范围内的底部布置一个采高为2～3m的采煤工作面，用综合机械化方式进行回采，利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法，使顶煤破碎成散体后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出，并由刮板运输机运出工作面。

综放开采工艺工作面瓦斯涌出源分布如图1所示。

(1)采落煤瓦斯涌出

采落煤瓦斯涌出主要源于采煤机割落煤体运出工作面期间释放的瓦斯，主要与工作面采煤高度、煤体密度、采煤机截深、割煤速度、工作面开采煤体的可解析瓦斯量、采落煤运煤时间、采落煤体综合瓦斯涌出系数相关。因此，采落煤瓦斯涌出量可用下式计算：

式中，h采——工作面采高，m；

ρ——煤体密度，t/m³；

d——采煤机截深，m；

v采——割煤速度，m/min；

w解——工作面开采煤体的可解析瓦斯量，m³/t；

t采——采落煤运煤时间，min，即采落煤体经刮板输送机和皮带运出工作面的时间；

α、β、γ——采落煤体综合瓦斯涌出系数。

(2)放落煤瓦斯涌出

放落煤瓦斯涌出主要源于放煤支架放落煤体运出工作面期间释放的瓦斯，主要与工作面采煤高度、工作面采放总高度、综放工作面采放比、工作面回采率、煤体密度、放煤步距、割煤速度、工作面开采煤体的可解析瓦斯量、放落煤运煤时间、放落煤体综合瓦斯涌出系数相关。因此，放落煤瓦斯涌出量可用下式计算：

式中，h采——工作面采煤高度，m；

h总——工作面采放总高度，m；

k——综放工作面采放比；

r——工作面回采率，％；

ρ——煤体密度，t/m³；

d——放煤步距，即采煤机截深，m；

v放——割煤速度，m/min。

w解——工作面开采煤体的可解析瓦斯量，m³/t；

t放——放落煤运煤时间，min，即放落煤体经刮板输送机和皮带运出工作面的时间；

α、β、γ——放落煤体综合瓦斯涌出系数。

(3)采空区瓦斯涌出

采空区瓦斯涌出主要源于放煤过程遗落在采空区煤体释放的瓦斯，主要与工作面采放总高度、工作面回采率、煤体密度、工作面长度、一个来压周内工作面推进距离、一个来压周内工作面推进时间、采空区瓦斯总抽采量、瓦斯涌出比例因子、工作面开采煤体的可解析瓦斯量、放落煤(遗煤)综合瓦斯涌出系数相关。因此，采空区瓦斯涌出量可用下式计算：

式中，h总——工作面采放总高度，m；

r——工作面回采率，％；

ρ——煤体密度，t/m³；

l0——工作面长度，m；

l——一个来压周内工作面推进距离，m，l1<l<l1+l(l1——采空区瓦斯初始涌出步距，m；l——工作面来压步距，m)；

t——一个来压周内工作面推进时间，min，0<t<t(t——工作面来压周期，min)；

q抽——采空区瓦斯总抽采量，m³/min；

θ——瓦斯涌出比例因子，％；

w解——工作面开采煤体的可解析瓦斯量，m³/t；

α、β、γ——放落煤(遗煤)综合瓦斯涌出系数。

(4)煤壁瓦斯涌出

煤壁瓦斯涌出主要源于工作面前方和支架上方卸压煤体释放的瓦斯，主要与工作面采煤高度、工作面长度、液压支架顶部支撑长度、工作面开采煤体的可解析瓦斯量、煤壁瓦斯涌出系数、煤壁最长暴露时间相关。

式中，h采——工作面采煤高度，m；

l0——工作面长度，m；

s——液压支架顶部支撑长度，m；

w解——工作面开采煤体的可解析瓦斯量，m³/t；

α、β、γ——煤壁瓦斯涌出系数；

t——煤壁最长暴露时间，min，(t＝2l0/v采+t0，t0为采煤机每刀之间的间隙时间)。

下面结合具体实施例解释上述内容。

对试验工作面2019年7月1日～2019年9月30日回风巷瓦斯探头的瓦斯数据最大值进行统计，并剔除其中不生产期(即日推进距离为0)的数据，见表1。

表12019年三季度试验工作面瓦斯浓度表

对表中瓦斯浓度进行计算分析，知道其平均值为0.37％，根据2019年7月—9月矿井通风报表统计工作面回风巷平均风量为1796m³/min，计算得出综放工作面2019年三季度最大瓦斯涌出量的平均值为6.65m³/min。

根据上述式(1)、式(2)、式(3)、式(4)的预测模型，将试验工作面相关参数带入，考虑到瓦斯浓度为每天最大浓度，相关参数选取了实际参数范围的上限，具体参数见表2。

表2瓦斯涌出预测模型参数表

经计算得出，生产期间采空区瓦斯涌出量为1.10m³/min，煤壁瓦斯涌出量为2.22m³/min，放落煤瓦斯涌出量为0.95m³/min，采落煤瓦斯涌出量为2.26m³/min，总计6.53m³/min，考虑到验证的是三个月的瓦斯浓度平均值，忽略因周期来压导致的涌出量不均衡系数，所以模型计算涌出量为6.53m³/min。

根据现场数据统计结果和模型计算结果对比验证发现，两者误差比为1.8％。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本发明内容不应理解为对本发明的限制。