強(qiáng)威

摘要：為了研究掘進(jìn)工作面落煤瓦斯涌出規(guī)律，確定瓦斯災(zāi)害治理與采區(qū)通風(fēng)合理設(shè)計(jì)，通過(guò)解吸法測(cè)定掘進(jìn)工作面落煤瓦斯含量，探討落煤瓦斯解吸量與暴露時(shí)間二者的關(guān)聯(lián)性，由此建立數(shù)學(xué)模型。研究表明，瓦斯解吸量與暴露時(shí)間二者呈反相關(guān)性，表現(xiàn)出似雙曲線變化特征，由此建立掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律預(yù)測(cè)模型，該研究對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯管理具有重要借鑒意義。

Abstract： To study the law of coal gas emission from driving face and determine the reasonable design of gas disaster control and ventilation in mining area， the coal gas content of driving face is determined by desorption method， and the correlation between coal gas desorption and exposure time is discussed. The mathematical model is established. The results show that the gas desorption and exposure time are inversely correlated， showing hyperbolic variation characteristics， based on this， the prediction model of gas emission law of driving face is established. This study has important reference significance for gas management of driving face.

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)工作面;解吸法;瓦斯涌出規(guī)律;數(shù)學(xué)模型;瓦斯管理

Key words： driving face;desorption method;law of gas emission;mathematic model;gas management

中圖分類號(hào)：TD712.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）31-0202-02

0? 引言

掘進(jìn)工作是煤礦井下工作的重要環(huán)節(jié)，隨著煤層開(kāi)采深度的不斷增加以及掘進(jìn)工作面的不斷推進(jìn)，煤巖層中瓦斯釋放量不斷增加，其必將打破煤巖層中瓦斯原有平衡狀態(tài)，即煤巖層中瓦斯發(fā)生解吸，隨著掘進(jìn)工作面暴露時(shí)間增加以及掘進(jìn)工作面通風(fēng)，煤巖層中瓦斯不斷減少。掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量因采用的工作面煤巖破落方式、破落煤巖性質(zhì)等不同而不同。本文基于已有研究[1-4]，主要分析煤層掘進(jìn)工作面落煤瓦斯釋放量，即探討煤層掘進(jìn)工作面落煤瓦斯解吸量與時(shí)間二者之間的關(guān)聯(lián)性，由此分析掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律，以期為煤層掘進(jìn)工作面瓦斯管理提供技術(shù)支撐。

1? 掘進(jìn)工作面基本情況

實(shí)驗(yàn)工作面所在區(qū)域地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，小型背向斜、斷層、撓曲等構(gòu)造較為發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，有少量夾矸，頂板以粉砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，平均厚度2.6m，101掘進(jìn)工作面采用爆破掘進(jìn)方式，102掘進(jìn)工作面采用機(jī)械化掘進(jìn)方式，采用錨網(wǎng)梁索支護(hù)。

2? 掘進(jìn)落煤瓦斯含量分析

煤層瓦斯解吸是多變復(fù)雜的，煤層瓦斯壓力（或含量）高低不同其解吸形式不同，在瓦斯壓力（或含量）較高的情況下，解吸過(guò)程主要表現(xiàn)為滲透形式，輔以擴(kuò)散形式;在瓦斯壓力（或含量）較低的情況下，解吸過(guò)程主要表現(xiàn)為滲透形式。在掘進(jìn)工作面推進(jìn)過(guò)程中，隨著煤體不斷破落，煤層中瓦斯原始的平衡狀態(tài)也隨之打破，煤層原始地應(yīng)力也隨之打破，同時(shí)在礦井通風(fēng)的作用下，掘進(jìn)工作面瓦斯不斷涌出，隨著時(shí)間的推移及通風(fēng)的作用，落煤瓦斯不斷減少。

落煤瓦斯為掘進(jìn)工作面主要瓦斯來(lái)源，因采用的破煤方式、工藝不同，破煤粒徑不同，瓦斯放散速度也不同，瓦斯放散速度與破煤粒徑具有反相關(guān)性。在工作面煤體剛揭露過(guò)程中，收集2kg左右煤樣，暴露時(shí)間50min，按原煤篩分標(biāo)準(zhǔn)以0mm、6mm、13mm、25mm為臨界值劃分四級(jí)，并記錄煤質(zhì)、粒度，篩分后進(jìn)行密封。收集試樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行脫氣實(shí)驗(yàn)，測(cè)定試樣破碎前、后瓦斯脫氣量。測(cè)定其水分、揮發(fā)分、灰分、重量等參數(shù)，求出每一級(jí)別的殘存瓦斯含量，計(jì)算方法如下：

式中：Xci——某一級(jí)別試樣殘存瓦斯含量，mL/（g·r）;

V1——破碎前試樣瓦斯脫氣量，mL;

V2——破碎后試樣瓦斯脫氣量，mL;

G——試樣重量，g;

Af——灰分含量，%;

Wf——水分含量，%。

按粒度分級(jí)確定落煤殘存瓦斯量，如下式：

式中：Xc——試樣平均殘存瓦斯量，mL/（g·r）;

X1、X2、X3、X4——不同粒級(jí)試樣殘存瓦斯量，mL/（g·r）;

G1、G2、G3、G4——各粒級(jí)試樣占原煤總量比，%。

為探討掘進(jìn)工作面落煤瓦斯涌出規(guī)律，分析殘存瓦斯量與落煤時(shí)間關(guān)聯(lián)性，采用瓦斯解吸儀對(duì)101掘進(jìn)工作面落煤殘存瓦斯量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。[5]

由表1數(shù)據(jù)可知，落煤殘存瓦斯含量不同，掘進(jìn)工藝及落煤粒度對(duì)殘存瓦斯量有較大影響，該掘進(jìn)工作面殘存瓦斯含量為2.79m3/t左右。

3? 掘進(jìn)落煤瓦斯涌出規(guī)律

為分析掘進(jìn)落煤瓦斯涌出規(guī)律，探討落煤瓦斯解吸量與時(shí)間二者之間的關(guān)聯(lián)性，采用瓦斯含量法分析不同時(shí)間落煤瓦斯解吸量與試樣重量，探討落煤瓦斯與時(shí)間二者的關(guān)聯(lián)性。具體方法為工作面剛揭露煤體時(shí)收集破落的塊粒煤，裝入試樣容器內(nèi)，以瓦斯涌出量衰減平緩為終止點(diǎn)，記錄不同時(shí)間測(cè)得的瓦斯解吸量。[5-6]

落煤瓦斯解吸量由下式計(jì)算：

式中：V？駐t——t2-t1時(shí)間內(nèi)落煤瓦斯解吸量，mL/（g·min）;

t1、t2——測(cè)定時(shí)間，min;

Q1、Q2——t1、t2時(shí)間瓦斯解吸總量，mL。

采用上述方法測(cè)定101掘進(jìn)工作面、102掘進(jìn)工作面落煤瓦斯涌出量，其測(cè)定數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)繪制V？駐t-t曲線，如圖1所示。

由圖1可知，落煤瓦斯解吸量與暴露時(shí)間呈反相相關(guān)，二者為似雙曲線關(guān)系，在復(fù)對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，其表現(xiàn)為線性關(guān)系，如下式：

式中：VL —— 1+t時(shí)間后落煤瓦斯解吸量，mL/（g·min）;

V0—— t=0時(shí)落煤瓦斯解吸量，mL/（g·min）;

t—— 落煤暴露時(shí)間，min;

a —— 解吸量衰減系數(shù)。

將式（4）化為線性方程式：

V0、？琢為待定系數(shù)，VL為不同暴露時(shí)間t落煤瓦斯解吸量實(shí)測(cè)值。將表2數(shù)據(jù)代入式（5），采用回歸法可獲得落煤瓦斯解吸量V0和衰減系數(shù)？琢，如表3所示。

V0和a因自然、開(kāi)采條件變化而不同。

通過(guò)對(duì)式（4）微積分可求得單位時(shí)間落煤瓦斯涌出量表達(dá)關(guān)系式：

根據(jù)表3及式（6）可求得掘進(jìn)工作面單位時(shí)間落煤總瓦斯涌出量，表達(dá)關(guān)系式如下：

在實(shí)際工作中，可根據(jù)式（7）求得某時(shí)間范圍內(nèi)瓦斯涌出量。

4? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)掘進(jìn)落煤瓦斯涌出規(guī)律研究，獲得101掘進(jìn)工作面殘存瓦斯量2.79m3/t左右，揭示了掘進(jìn)面落煤瓦斯解吸量與時(shí)間為反相關(guān)關(guān)聯(lián)，二者關(guān)系呈似雙曲線特征，并建立了掘進(jìn)面單位時(shí)間落煤瓦斯涌出模型，其表達(dá)關(guān)系式為，該研究可為同類條件下掘進(jìn)工作面瓦斯預(yù)測(cè)和瓦斯災(zāi)害管理提供重要參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊鍵，孫章應(yīng)，李炳玉.基于LS-SVM 預(yù)測(cè)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量[J].山東煤炭科技，2019（9）：103-105.

[2]陳俊明.煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律研究[J].能源與節(jié)能，2017（7）：42-43.

[3]呂俊高，鄔運(yùn)美.基于掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量的煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)研究[J].煤炭技術(shù)，2015，34（11）：152-153.

[4]顏愛(ài)華.煤層瓦斯含量多源數(shù)據(jù)分析及其預(yù)測(cè)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2010.

[5]MT/T-77-94，煤層氣測(cè)定方法（解吸法）[S].1994.

[6]AQ-1018 2006，礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.