張 羽，郝富昌

（1.山西潞安化工余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治046100；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000）

瓦斯涌出量預(yù)測是進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)及制定瓦斯防治措施的基礎(chǔ)[1]。瓦斯涌出量預(yù)測方法主要有礦山統(tǒng)計(jì)法[2]、分源預(yù)測法[3]、多場耦合方法[4-6]、瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型法[7]、主成分回歸分析法[8]等方法。掘進(jìn)工作面瓦斯涌出由巷道煤壁和掘進(jìn)落煤2 部分組成，目前瓦斯涌出量預(yù)測的研究成果多集中于煤壁瓦斯涌出量方面，而煤礦生產(chǎn)實(shí)踐表明，隨著綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，煤巷掘進(jìn)速度隨之加快，掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量大幅度的升高，容易造成瓦斯超限事故，因此有必要對掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。目前，掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量預(yù)測的研究相對較少，研究方法主要按照AQ 1018—2006《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》的要求[2]，依據(jù)煤層原始瓦斯含量和殘存瓦斯含量進(jìn)行掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量預(yù)測，殘存瓦斯含量考慮了煤的變質(zhì)程度的影響，通過煤的揮發(fā)分查表確定，該方法具有一定的合理性，但是存在著2個(gè)問題：①落煤瓦斯解吸量隨著時(shí)間逐漸增大，該方法忽略了時(shí)間因素對落煤瓦斯涌出量的影響；②煤層殘存瓦斯含量受到原始瓦斯含量、暴露時(shí)間及變質(zhì)程度等因素的影響[9-10]，而前人研究成果僅考慮變質(zhì)程度因素，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。因此，有必要開展瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，研究瓦斯解吸量隨原始瓦斯含量和解吸時(shí)間的演化規(guī)律，構(gòu)建掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量的準(zhǔn)確預(yù)測，為掘進(jìn)工作面通風(fēng)設(shè)計(jì)和制定瓦斯防治措施提供參數(shù)依據(jù)。

1 不同瓦斯壓力瓦斯解吸規(guī)律

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》自行加工搭建[11]，大質(zhì)量瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1，其主要由脫氣單元、充氣單元、溫度控制單元和解吸單元4 部分組成，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行0～6.0 MPa 瓦斯壓力的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，每份煤樣質(zhì)量達(dá)到1.5 kg，可有效提高實(shí)驗(yàn)精度。

圖1 大質(zhì)量瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Large-scale gas desorption experiment system

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）在新掘巷道采集新鮮煤樣，并記錄煤樣破壞類型及采集層位，每份煤樣質(zhì)量不少于15 kg，密封后送回實(shí)驗(yàn)室。

2）將采集的煤樣制備為3 份，1 份煤樣用來測試煤的煤的堅(jiān)固性系數(shù)f 值和瓦斯放散初速度△p，另1 份煤樣用來測試煤的吸附常數(shù)a、b 值，最后1份粉碎后篩選出粒徑為1～3 mm 的煤樣，質(zhì)量不少于1.5 kg，用于瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)。

3）采用6.0 MPa 的高壓氮?dú)鈾z查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的密封性，然后標(biāo)定充氣罐、煤樣罐及連接管路的體積，隨后將煤樣放置于恒溫水浴中進(jìn)行脫氣，脫氣時(shí)長不少于12 h，待真空度在20 Pa 以下2 h 之后終止脫氣。

4）脫氣結(jié)束后設(shè)置溫度為30 ℃，然后利用充氣單元對煤樣罐進(jìn)行充氣，充氣時(shí)長不小于12 h，待壓力恒定后記錄充氣壓力。

5）連接解吸儀及真空氣袋，隨后進(jìn)行瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，第1 min 每10 s 記錄1 次數(shù)據(jù)，隨后每30 s記錄1 次數(shù)據(jù)，直至不再解吸瓦斯為止。煤樣解吸完畢后再測試其殘存瓦斯含量。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 余吾煤業(yè)3#煤瓦斯解吸規(guī)律

在余吾煤業(yè)3#煤層N1100 旁路放水巷新暴露煤壁采集煤樣20 kg，密封后送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試煤的煤的堅(jiān)固性系數(shù)f 值為0.43，瓦斯放散初速度△p 為19.0 mmHg（1 mmHg=133.322 4 Pa），煤的吸附常數(shù)a 值為29.803 m3/t，吸附常數(shù)b 值為1.215 MPa-1。

采用搭建的大質(zhì)量瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)置瓦斯壓力分別為0.50、0.75、1.50、2.50 MPa，進(jìn)行了余吾煤業(yè)3#煤不同瓦斯壓力的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，余吾煤業(yè)3#煤不同瓦斯壓力瓦斯解吸曲線如圖2。

圖2 余吾煤業(yè)3#煤不同瓦斯壓力瓦斯解吸曲線Fig.2 Gas desorption curves of 3# coal with different gas pressures in Yuwu Coal Industry

從圖2 可知，瓦斯解吸量隨瓦斯壓力的增加而增大，解吸時(shí)間為120 min 時(shí)，瓦斯壓力0.50 MPa的瓦斯解吸量為3.19 mL/g；瓦斯壓力0.75 MPa 時(shí)瓦斯解吸量增加為4.46 mL/g；瓦斯壓力1.50 MPa時(shí)進(jìn)一步增大到6.43 mL/g；瓦斯壓力增加到2.50 MPa 時(shí)，120 min 的瓦斯解吸量高達(dá)7.72 mL/g。由此可知，隨著瓦斯壓力的升高，單位時(shí)間瓦斯解吸量逐漸增大，瓦斯壓力是影響瓦斯解吸量的重要因素。

從圖2 還可以看出，瓦斯解吸量隨解吸時(shí)間逐漸增大，初始階段瓦斯解吸速度較快，隨后瓦斯解吸量增加梯度逐漸降低，最后幾乎不再增大。不同時(shí)間的瓦斯解吸量及所占比例見表1。從表1 可以看出，1 min 中內(nèi)瓦斯解吸量所占比例為15%左右，10 min 中內(nèi)瓦斯解吸量所占比例為42%左右，30 min中內(nèi)瓦斯解吸量所占比例為63%左右，60 min 中內(nèi)瓦斯解吸量所占比例為80%左右。由此可以看出，瓦斯解吸是一時(shí)間過程，若按照AQ 1018—2006《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》的要求，進(jìn)行掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量預(yù)測，忽略時(shí)間因素對瓦斯涌出量的影響，則計(jì)算結(jié)果存在著較大的誤差。

表1 不同時(shí)間的瓦斯解吸量及所占比例Table 1 Gas desorption capacity and proportion in different time

1.3.2 余吾煤業(yè)3#煤瓦斯解吸模型

瓦斯解吸模型常用的有巴雷爾式、烏斯基諾夫式、文特式及對數(shù)公式等，其中GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》更是采用巴雷爾式和烏斯基諾夫式推算瓦斯含量損失量，但是，眾多研究結(jié)果表明采用對數(shù)函數(shù)公式描述瓦斯解吸量與解吸時(shí)間關(guān)系具有更高的擬合精度[12-14]。為此，采用對數(shù)函數(shù)公式對圖2 瓦斯解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，即：Qt＝Aln（t）＋B。式中：Qt為瓦斯解吸量；t 為解吸時(shí)間；A、B 為擬合系數(shù)。不同瓦斯壓力解吸量與時(shí)間關(guān)系見表2。

表2 不同瓦斯壓力解吸量與時(shí)間關(guān)系表Table 2 Relationship between desorption amount and time of different gas pressures

相關(guān)指數(shù)R2反映了各變量的相關(guān)程度，其越接近1 說明擬合精度越高。從表2 可以看出，余吾煤業(yè)3#煤不同瓦斯壓力瓦斯解吸量和解吸時(shí)間的擬合精度都在0.93 以上，說明采用指數(shù)函數(shù)法具有較高的擬合精度。從表2 還可以看出，參數(shù)A、B 都隨瓦斯壓力的升高而增大，參數(shù)A、參數(shù)B 與瓦斯壓力的擬合關(guān)系分別如圖3、圖4。

圖3 參數(shù)A 與瓦斯壓力擬合關(guān)系Fig.3 Parameter A and gas pressure fitting relationship

圖4 參數(shù)B 與瓦斯壓力擬合關(guān)系Fig.4 Parameter B and gas pressure fitting relationship

從圖3 和圖4 可以看出，參數(shù)A 和B 與瓦斯壓力p 均具有指數(shù)函數(shù)關(guān)系：A＝0.422 7ln（p）＋0.761 6，R2＝0.998 3；B＝0.461ln（p）＋0.884 9，R2＝0.999 2。相關(guān)指數(shù)R2都在0.99 以上，擬合精度較高。將不同瓦斯壓力值代入公式，即可求得參數(shù)A 和B，由此計(jì)算出不同瓦斯壓力條件下不同時(shí)間的瓦斯解吸量。

考慮到煤礦瓦斯含量的測試更為容易，瓦斯含量與瓦斯壓力滿足朗格繆爾方程，余吾煤業(yè)3#煤層煤的吸附常數(shù)a 值為29.803 m3/t，吸附常數(shù)b 值為1.215 MPa－1，由此可以計(jì)算得到不同瓦斯壓力條件下的瓦斯含量，并對瓦斯含量W 和參數(shù)A、B 進(jìn)行擬合分析，可得參數(shù)A、B 與瓦斯含量W 的關(guān)系式：A ＝0.996 1lnW－1.643，R2＝0.995 8；B ＝1.084 2lnW－1.732 3，R2＝0.992 8，代入瓦斯含量值，即可求得參數(shù)A 和B，由此可以計(jì)算出不同瓦斯含量條件下不同時(shí)間的瓦斯解吸量。

2 掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量預(yù)測模型及應(yīng)用

2.1 掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量預(yù)測模型

瓦斯解吸量與解吸時(shí)間具有對數(shù)函數(shù)關(guān)系，設(shè)綜掘機(jī)割煤速度為V，巷道斷面面積為S，煤的密度ρ 時(shí)，可得掘進(jìn)落煤在停留時(shí)間t 時(shí)的落煤瓦斯涌出量Qt預(yù)測模型：

從式（1）可以看出，影響落煤瓦斯涌出量的主要因素有：煤層原始瓦斯含量或瓦斯壓力、巷道掘進(jìn)速度、落煤停留時(shí)間和巷道斷面積。

2.2 試驗(yàn)礦井概況

余吾煤業(yè)公司核定生產(chǎn)能力750 萬t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限81 年，礦井絕對瓦斯涌出量為355.87 m3/min，為高瓦斯礦井。余吾井田總體上為走向NNE-SN 向西緩傾的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上發(fā)育方向比較單一的寬緩褶曲，沿傾向及走向伴有少量斷距大于20 m的斷層和一定數(shù)量斷距小于20 m 的斷層及陷落柱[15-16]。余吾井田逆斷層主要為壓扭性斷層，易于富集瓦斯，巷道掘進(jìn)到此區(qū)域瓦斯涌出量大幅度的增加，容易產(chǎn)生瓦斯超限事故。余吾井田褶皺以NNE-SN 向?yàn)橹?，通常情況下閉合而完整的小背斜且覆蓋有屏障性頂板是良好的儲(chǔ)氣構(gòu)造，其軸部煤層通常積存高壓瓦斯，形成“氣頂”，小向斜軸部因受擠壓透氣性差，也是瓦斯富集區(qū)[16]，在此區(qū)域掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量通常會(huì)增大，容易產(chǎn)生瓦斯超限事故。

2.3 不同瓦斯壓力落煤瓦斯涌出量預(yù)測

由瓦斯壓力與參數(shù)A 和B 的擬合公式可得不同條件下的參數(shù)A 和B，不同瓦斯壓力條件下的參數(shù)A 和B 見表3。

表3 不同瓦斯壓力條件下的參數(shù)A 和BTable 3 Parameters A and B under different gas pressure conditions

余吾煤業(yè)3#煤密度為1.46 t/m3，N1100 旁路放水巷為矩形斷面，寬5.4 m，高3.8 m，斷面積為20.52 m2。余吾煤業(yè)煤巷割煤1 個(gè)循環(huán)是0.8 m，正常情況下1 個(gè)循環(huán)割煤時(shí)間為40 min，由表3 可得不同瓦斯壓力條件下的參數(shù)A 和B，將參數(shù)代入式（1），可得不同瓦斯壓力在不同停留時(shí)間的落煤瓦斯涌出量，不同瓦斯壓力在不同停留時(shí)間的落煤瓦斯涌出量如圖5。

圖5 不同瓦斯壓力在不同停留時(shí)間的落煤瓦斯涌出量Fig.5 Coal gas emission from different gas pressures at different staying time

從圖5 可以看出，掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量隨著停留時(shí)間的增加而增大，瓦斯涌出量增加梯度初始階段較大，隨后逐漸縮小。影響落煤停留時(shí)間的因素主要為巷道長度和帶式輸送機(jī)的運(yùn)煤速度，通常情況下，巷道越短，運(yùn)煤速度越快，落煤瓦斯涌出量就越小。

從圖5 還可以看出，單位時(shí)間內(nèi)掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量隨著瓦斯壓力的增加而增大。為了防止割煤過程瓦斯超限事故的發(fā)生，應(yīng)加大掘進(jìn)工作面迎頭抽采力度，降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，進(jìn)而防止瓦斯超限事故的發(fā)生。

2.4 不同割煤速度落煤瓦斯涌出量預(yù)測

余吾煤業(yè)N1100 旁路放水巷原始瓦斯壓力為0.70 MPa，由此可得參數(shù)A 和B 分別為0.61 和0.72，煤巷割煤1 個(gè)循環(huán)是0.8 m，假定1 個(gè)循環(huán)割煤時(shí)間分別為40、30、20 min，可得不同割煤速度在不同停留時(shí)間的落煤瓦斯涌出量，不同割煤速度在不同停留時(shí)間的落煤瓦斯涌出量如圖6。

圖6 不同割煤速度在不同停留時(shí)間的落煤瓦斯涌出量Fig.6 Coal gas emission from different cutting coal speeds at different staying time

從圖6 可以看出，割煤速度對掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量有著較大影響，在停留時(shí)間為60 min 時(shí)，1 個(gè)循環(huán)割時(shí)間為40 min 時(shí)，落煤瓦斯涌出量為2.02 m3/min，當(dāng)割煤時(shí)間加快到20 min 時(shí)，落煤瓦斯涌出量增大到4.04 m3/min，增大了1 倍。由此可以看出，割煤速度越快，落煤瓦斯涌出量越大，越容易造成掘進(jìn)工作面瓦斯超限事故的發(fā)生。余吾煤業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐也印證了這一結(jié)論，如：2019 年6 月4 日4點(diǎn)班，東翼采區(qū)水倉回風(fēng)流瓦斯傳感器發(fā)生瓦斯超限事故，最大值為0.82%，分析其原因認(rèn)為，掘進(jìn)隊(duì)割煤1/2 僅用時(shí)10 min，割煤速度過快，導(dǎo)致掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量大幅度增加，進(jìn)而造成瓦斯超限事故。此外，統(tǒng)計(jì)余吾煤業(yè)近幾年的瓦斯超限事故認(rèn)為，將近40%的超限事故由于綜掘機(jī)割煤過快導(dǎo)致。因此，為了預(yù)防掘進(jìn)工作面瓦斯超限事故，有必要控制割煤速度。

3 結(jié) 論

1）分析了不同瓦斯壓力條件下瓦斯解吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律，解吸時(shí)間1、10、30、60 min 時(shí)瓦斯解吸量所占比例分別為15%、42%、63%、80%，瓦斯解吸量隨時(shí)間逐漸增大，在掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量預(yù)測時(shí)必須考慮時(shí)間因素的影響。

2）建立了掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量預(yù)測模型，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)確定了模型關(guān)鍵擬合參數(shù)A 和B，其與瓦斯壓力具有如下關(guān)系：A＝0.422 7ln（p）＋0.761 6，B＝0.461ln（p）＋0.884 9；擬合參數(shù)A、B 與瓦斯含量W 關(guān)系為：A＝0.996 1lnW－1.643；B＝1.084 2lnW－1.732 3，代入瓦斯壓力或瓦斯含量值，即可對掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

3）影響余吾煤業(yè)掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量的主要因素為煤層原始瓦斯壓力或瓦斯含量、割煤速度及落煤停留時(shí)間，為了防治瓦斯超限事故，有必要加大瓦斯抽采力度，降低煤層瓦斯含量或瓦斯壓力，同時(shí)控制掘進(jìn)割煤速度，降低落煤瓦斯涌出量。