董化洲

(煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計研究院,河北石家莊 050000)

礦井瓦斯涌出量分源預測法探析

董化洲

(煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計研究院,河北石家莊 050000)

對分源預測法中的煤層原始瓦斯含量進行了深入剖析,并提出了計算干燥無灰基煤樣中的瓦斯含量的公式,同時也提出了關(guān)于分源預測法中的一些可能認識有偏差的地方,值得相關(guān)工作人員借鑒和思考。

分源預測法;煤層原始瓦斯含量;可燃值;干燥無灰基

我國于 2006年 2月 27日發(fā)布了《礦井瓦斯涌出量預測方法》AQ 1018—2006(后簡稱“預測方法),并于同年 5月 1日開始實施。該行業(yè)標準規(guī)定了 2種礦井瓦斯涌出量預測方法:分源預測法和礦井統(tǒng)計法。由于礦山統(tǒng)計法應(yīng)用條件的限制,使用較少,多數(shù)新礦井開采采用分源預測法。分源預測法預測礦井瓦期涌出量已經(jīng)在煤礦抽放瓦斯工程設(shè)計、通風安全設(shè)計和生產(chǎn)管理中取得較好的效果。但在實際預測過程中,由于預測方法中基本概念模糊以及預測者水平和認知程度的不同,造成預測結(jié)果和實際瓦斯涌出量偏差較大,沒有完全做到科學預測,給安全生產(chǎn)埋下不安全的隱患。為此,就分源預測法中容易產(chǎn)生誤解的幾點進行論述。

1 煤層原始瓦斯含量的確定

1.1 瓦斯含量數(shù)據(jù)來源

煤層原始瓦斯含量值是分源預測法中計算礦井瓦斯涌出量的核心參數(shù),因此要求瓦斯含量測定值盡可能接近真值。這個數(shù)據(jù)的精準性直接影響到礦井瓦斯涌出量預測值的可靠程度。根據(jù)預測方法,煤層瓦斯含量的測定與計算可采用直接法 (地勘鉆孔解吸法)和間接法 (通過實測煤層瓦斯壓力采用郎閣繆方程計算煤層瓦斯含量的一種方法)進行測定與計算,其結(jié)果均為煤層可燃質(zhì)瓦斯含量,實質(zhì)是單位質(zhì)量的干燥無灰基煤樣中一定條件下的瓦斯含量。但是,有的地質(zhì)勘查報告將所有氣體 (除氮氣以外的)數(shù)據(jù)之和作為瓦斯含量,有的是將甲烷和重烴作為瓦斯含量,有的是單獨將甲烷作為瓦斯含量。究竟以哪個為準呢?瓦斯的概念也一直是很多煤礦工作人員難以說明的,《煤礦安全規(guī)程》2010年版 375～376頁,解釋瓦斯為礦井中主要由煤層構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體,有時單獨指甲烷。根據(jù)《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》GB/T 23249-2009(后簡稱“測定方法”)中定義煤層瓦斯含量:在原始狀態(tài)下,單位質(zhì)量或單位體積煤體中所含有的甲烷及重烴氣體量。由于甲烷和重烴屬烴類礦井有害氣體,再結(jié)合礦井通風設(shè)計,作者建議,如果地質(zhì)勘查報告中,煤層中含有重烴,可將其含量和甲烷含量之和作為瓦斯含量。因此,礦井設(shè)計人員一定要認真分析和驗算報告中的鉆孔煤樣瓦斯含量數(shù)據(jù),切不能照搬照抄。

1.2 瓦斯含量的煤樣基

由于預測方法中沒有明確煤層原始瓦斯含量的煤樣基準,給設(shè)計人員帶來極大困惑。這也是一個最關(guān)鍵的問題,即在所有分源預測法公式中的W0的準確含義,公式中解釋為煤層原始瓦斯含量,單位為m3/t,沒有明確指出煤樣基是收到基、空氣干燥基還是干燥無灰基,由于新舊規(guī)范的名稱規(guī)定有變化,各個專業(yè)的叫法不統(tǒng)一,致使各個系統(tǒng)的解釋也有不同的條件,也是造成使用數(shù)據(jù)者的困擾之一,即地質(zhì)勘查專家并非是采礦專家。因此,作者呼吁:煤炭的勘查工作或者規(guī)范就應(yīng)該盡量以現(xiàn)有的煤炭開采服務(wù),而且相關(guān)的規(guī)程規(guī)范用語都應(yīng)該一致。最新發(fā)布并已經(jīng)實施的《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》中的瓦斯含量,非常明確了煤樣可燃值質(zhì)量實際就是干燥無灰基煤樣質(zhì)量,符號記為 Gr,作者認為應(yīng)該記為 Gdaf,這樣就更加明確了計算的基準,同樣,G是空氣干燥基煤樣質(zhì)量,應(yīng)記為 Gad,這就明確了兩者之間的關(guān)系式:

所以地勘時期測的瓦斯含量是干燥無灰基中單位質(zhì)量中所含有的甲烷含量 (如果有重烴時,則加上重烴含量,一般在報告中都單獨列出),單位為mL/g,或者m3/t,而在一般的勘查報告中常記為mL/g.r,后面的字母 “r”就是 “燃”的聲母,以“可燃基”為基準,也就是指的干燥無灰基,可以在《采礦工程設(shè)計手冊》 (上冊)281頁第107序列找到相應(yīng)解釋或者在《采礦工程設(shè)計手冊》(上冊)287頁表 1-5-9煤質(zhì)分析項目不同基新舊符號對照表中可以找到印證。因此,再次確定了,預測方法或者測定方法中的可燃值,就是以干燥無灰基為基準的數(shù)值。

那么,在預測方法中的煤層原始瓦斯含量W0,是否就是干燥無灰基煤樣中所含的甲烷量呢?在預測方法附錄 C中,W0的單位又是 m3/t.r,是與mL/g.r是一致的,因此,這給設(shè)計人員帶來歧義。究竟在預測方法中W0是指原始煤層中的瓦斯含量,還是指以干燥無灰基煤樣的瓦斯含量呢?作者通過調(diào)查國內(nèi)具有瓦斯抽采工程設(shè)計資質(zhì)的設(shè)計研究院作的相關(guān)報告,對于W0的取定存在不同看法,有的直接引用勘查報告中的干燥無灰基煤樣中瓦斯含量,有的通過該數(shù)據(jù)計算空氣干燥基中瓦斯含量。當然干燥無灰基中瓦斯含量值大于空氣干燥基中瓦斯含量值。當煤樣的灰分和水分較大時,兩種煤樣基中瓦斯含量差別較大。因此,作者建議預測方法中必須明確煤層原始瓦斯含量W0的真正含義。

1.3 空氣干燥基煤樣中的瓦斯含量計算

作者認為煤層原始瓦斯含量即是在原始條件下單位質(zhì)量的原煤所含有的瓦斯量,而收到基的瓦斯含量最接近真實值,但是收到基中“外水”一般在勘查報告中不提供該數(shù)據(jù),而空氣干燥基煤樣的數(shù)據(jù)一般都有提供,可以使用空氣干燥基來取代收到基。根據(jù),煤樣基之間的相互關(guān)系,一般有如下推導過程求得空氣干燥基瓦斯含量。

因為

所以

又因為

所以 (1)式變?yōu)?

所以

式中,Gad為空氣干燥基煤樣質(zhì)量,g;Xad為空氣干燥基煤樣瓦斯含量,mL/g.ad;Gdaf為干燥無灰基煤樣質(zhì)量,g;Xdaf為干燥無灰基煤樣瓦斯含量,mL/ g.daf;Mad為空氣干燥基煤樣水分,%;Aad為空氣干燥基煤樣灰分,%。

有時,地質(zhì)勘查報告中,提供是干燥基灰分(Ad),同樣根據(jù)兩種煤樣中灰分不變條件,可以推算出干燥無灰基灰分,推導過程如下:

所以

因此(3)式又變?yōu)?

所以

因此,可根據(jù)地質(zhì)勘查報告中的不同數(shù)據(jù),通過公式 (2),(3),(4)求得空氣干燥基中的瓦斯含量。

2 公式中計算參數(shù)的選取

2.1 各種數(shù)值,盡量選取平均值

比如,瓦斯含量、煤層間距等,有的預測中完全選取最大值,雖然看起來是一種偏向 “保守、安全”的做法,但不科學,有時偏離實際數(shù)據(jù)很大。計算結(jié)果與實際情況不符,在選取數(shù)據(jù)時盡量考慮采掘工作面的位置,煤層的賦存情況,綜合分析后確定。選取平均值是一種較明智的考慮。

2.2 預測方法中必須要明確的基本概念

比如,巷道平均掘進速度;如何計算;煤的密度,是真密度還是視密度;Vr是指干燥無灰基揮發(fā)分的符號,應(yīng)寫成 Vdaf,等。所有公式中的煤的原始瓦斯含量和煤層殘存瓦斯含量均指干燥無灰基煤樣嗎?這在前面已經(jīng)分析?？傊?預測方法中應(yīng)盡量描述清楚,如果有實例計算過程,則更好。

2.3 重復的系數(shù)選取

采掘工作面瓦斯涌出量的不均衡系數(shù),采空區(qū)瓦斯涌出量的系數(shù)以及計算礦井瓦斯涌出量的系數(shù),這些系數(shù)也是對于預測值很重要的,必須根據(jù)實際情況或者鄰近礦井的實際瓦斯涌出情況做出科學地分析選取。比如:采掘工作面瓦斯涌出量,如果在預測時考慮了不均衡系數(shù),可是通風設(shè)計時,又有涌出量的不均衡系數(shù),給礦井抽放瓦斯設(shè)計和通風設(shè)計帶來很大的壓力。因此作者建議,在預測過程中明確每一步的系數(shù)選取的必要性以及準確性,以及給出通風設(shè)計時的參考依據(jù),是預測的平均值,還是最大值 (峰值)作為瓦斯抽放設(shè)計和通風設(shè)計的依據(jù)。

3 分源預測法必須與開拓、采掘工作面布置結(jié)合

礦井瓦斯涌出量預測是根據(jù)開拓部署以及采掘工作面的布置進行預測的,因此,開拓部署以及采掘工作面的布置和參數(shù)的選取是分源預測法的基礎(chǔ),分源預測法不能脫離采掘面布置而進行純粹的理論計算。此外,預測結(jié)果還必須和實際煤礦采掘關(guān)系、產(chǎn)量以及實際瓦斯涌出量進行對比分析,在生產(chǎn)和管理中進一步優(yōu)化設(shè)計、計算產(chǎn)數(shù),使分源預測法更加符合實際生產(chǎn)的需要,做到真正的科學預測,給瓦斯抽放、通風安全管理提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語

《礦井瓦斯涌出量預測方法》AQ 1018—2006中,由于關(guān)于原始瓦斯含量概念的不清楚,給實際預測人員帶來認識的誤區(qū),通過對煤層原始瓦斯含量含義的深入剖析,提出自己的觀點,并詳細推導出計算空氣干燥基煤樣中的瓦斯含量,并闡述了在采用分源預測法中應(yīng)該注意的細節(jié)問題。

[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局 .礦井瓦斯涌出量預測方法 AQ 1018-2006[S].

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會 .地勘時期煤層瓦斯含量測定方法 GB/T 23249 -2009[S].

[3]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國家煤礦安全監(jiān)察局 .煤礦安全規(guī)程 [M](2010年版).北京:煤炭工業(yè)出版社,2010.

[4]張榮立,何國緯,李 鐸 .采礦工程設(shè)計手冊 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.

[責任編輯:鄒正立]

Analysis of D ifferent-source ForecastM ethod for Amount ofM ineM ethane Gushing

DONG Hua-zhou

(ShijiazhuangDesign&Research Institute of Coal Industry,Shijiazhuang 050000,China)

The paper deeply analyzed originalmethane content in different-source prediction and presented calculation for mula ofmethane content in coal sample with dry ash-free basis.Some problems in different-source prediction which wasworth of thinkingwere also pointed out.

different-source prediction;originalmethane content;combustible value;dry ash-free basis

TD712.5

A

1006-6225(2010)06-0017-03

2010-08-02

董化洲 (1976-),男,四川威遠人,工程師,注冊安全工程師,從事礦井采礦和通風安全設(shè)計。