倾斜厚煤层综放工作面瓦斯涌出量预测方法及系统与流程

本发明涉及煤矿安全生产领域，特别是涉及一种倾斜厚煤层综放工作面瓦斯涌出量预测方法及系统。

背景技术

矿井瓦斯涌出量预测方法按数据的不同处理方法，主要可以分为以下七类:矿山统计法、分源预测法、类比法、瓦斯地质数学模型法、速度预测法、灰色系统预测方法、神经网络预测法；从定性定量角度划分，可分为判断预测法、专家评估法、市场调查法、情景分析法、回归分析法以及灰色预测法。

为进一步规范矿井瓦斯涌出量预测工作，国家制定了矿井瓦斯涌出量预测方法的安全生产行业标准《aq1018－2006》，规定了采用分源预测法与矿山统计法作为矿井瓦斯涌出量预测的方法。但是，标准中明确指出该标准不适用于放顶煤工作面瓦斯涌出量预测，且现有技术中针对厚煤层综放开采工作面瓦斯涌出量的预测结果并不准确，因此如何提供一种适用于倾斜厚煤层综放开采工作面的瓦斯涌出量预测方案是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种倾斜厚煤层综放工作面瓦斯涌出量预测方法及系统，以提高倾斜厚煤层综放开采工作面的瓦斯涌出量预测精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种倾斜厚煤层综放工作面瓦斯涌出量预测方法，所述方法包括：

根据倾斜厚煤层综放开采施工情况确定瓦斯涌出来源类别；所述瓦斯涌出来源类别包括机采煤体瓦斯涌出量、放顶煤体瓦斯涌出量、工作面煤壁瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量和邻近层瓦斯涌出量；

获取倾斜厚煤层综放开采施工过程中的瓦斯涌出预测依据数据；所述瓦斯涌出预测依据数据包括机采煤体丢煤瓦斯涌出系数、机采部分占煤层厚度的比值、机采煤体碎胀系数、煤层原始瓦斯含量、残存瓦斯含量、放顶煤体丢煤瓦斯涌出系数、放顶部分占煤层厚度的比值、放顶煤体碎胀系数、顶煤垮落角、工作面断面周长、工作面平均推进速度、煤壁瓦斯涌出强度、工作面倾向长度、工作面在该推进速度下的日产量、煤体挥发分含量、采空区瓦斯涌出系数、综放工作面总体回采率、邻近层瓦斯排放率、邻近层厚度、邻近层煤体密度、邻近层煤层原始瓦斯含量和邻近层残存瓦斯含量；

根据所述机采煤体丢煤瓦斯涌出系数、机采部分占煤层厚度的比值、机采煤体碎胀系数、煤层原始瓦斯含量和残存瓦斯含量，计算所述机采煤体瓦斯涌出量；

根据所述放顶煤体丢煤瓦斯涌出系数、放顶部分占煤层厚度的比值、放顶煤体碎胀系数、煤层原始瓦斯含量、残存瓦斯含量和顶煤垮落角，计算所述放顶煤体瓦斯涌出量；

根据所述煤层原始瓦斯含量、工作面断面周长、工作面平均推进速度、煤壁瓦斯涌出强度、工作面倾向长度、工作面在该推进速度下的日产量和煤体挥发分含量，计算所述工作面煤壁瓦斯涌出量；

根据煤层原始瓦斯含量、残存瓦斯含量、采空区瓦斯涌出系数和综放工作面总体回采率，计算所述采空区瓦斯涌出量；

根据所述工作面在该推进速度下的日产量、邻近层瓦斯排放率、邻近层厚度、邻近层煤体密度、邻近层煤层原始瓦斯含量和邻近层残存瓦斯含量，计算所述邻近层瓦斯涌出量；

根据所述机采煤体瓦斯涌出量、所述放顶煤体瓦斯涌出量、所述工作面煤壁瓦斯涌出量、所述采空区瓦斯涌出量和所述邻近层瓦斯涌出量，计算工作面瓦斯涌出总量。

可选的，所述计算所述机采煤体瓦斯涌出量的计算公式为：

q1＝k1机·k2机·k3机(x0-xc)

其中，q1为机采煤体瓦斯涌出量，m³/t；k1机为机采煤体丢煤瓦斯涌出系数，其值为机采煤体回采率的倒数；k2机为机采部分占煤层厚度的比值；k3机为机采煤体碎胀系数；x0为煤层原始瓦斯含量，m³/t；xc为残存瓦斯含量，m³/t。

可选的，所述计算所述放顶煤体瓦斯涌出量的计算公式为：

q2＝k1放·k2放·k3放(x0-xc)·sinθ

其中，q1为机采煤体瓦斯涌出量，m³/t；k1放为放顶煤体丢煤瓦斯涌出系数，其值为放顶煤体回采率的倒数；k2放为放顶部分占煤层厚度的比值；k3放为放顶煤体碎胀系数；x0为煤层原始瓦斯含量，m³/t；xc为残存瓦斯含量，m³/t；θ为顶煤垮落角。

可选的，所述计算所述工作面煤壁瓦斯涌出量的计算公式为：

其中：q3为工作面煤壁瓦斯涌出量，m³/t；d为工作面断面周长，m；v为工作面平均推进速度m/min；q0为煤壁瓦斯涌出强度m³/(m²·min)，q0＝0.026[0.0004(v')²+0.16]/x0，v为煤体挥发分含量，％；x0为煤层原始瓦斯含量m³/t；l为工作面倾向长度，m；m为工作面在该推进速度下的日产量，t/d。

可选的，所述计算所述采空区瓦斯涌出量的计算公式为：

q4＝kc(1-kh)·(x0-xc)

其中：q4为采空区瓦斯涌出量，m³/t；kc为采空区瓦斯涌出系数；kh为综放工作面总体回采率；x0为煤层原始瓦斯含量m³/t；xc为残存瓦斯含量m³/t。

可选的，所述计算所述邻近层瓦斯涌出量的计算公式为：

其中：q邻为邻近层瓦斯涌出量，m³/t；ηi为第i邻近层瓦斯排放率；l为工作面倾向长度，m；v为工作面平均推进速度，m/d；mi为第i邻近层厚度，m；ρi为第i邻近层煤体密度，m³/t；x0i为第i邻近层煤层原始瓦斯含量m³/t；xci为第i邻近层残存瓦斯含量m³/t；m为工作面在该推进速度下的日产量t/d。

本发明还提供了一种倾斜厚煤层综放工作面瓦斯涌出量预测系统，所述系统包括：

类别确定单元，用于根据倾斜厚煤层综放开采施工情况确定瓦斯涌出来源类别；所述瓦斯涌出来源类别包括机采煤体瓦斯涌出量、放顶煤体瓦斯涌出量、工作面煤壁瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量和邻近层瓦斯涌出量；

数据获取单元，用于获取倾斜厚煤层综放开采施工过程中的瓦斯涌出预测依据数据；所述瓦斯涌出预测依据数据包括机采煤体丢煤瓦斯涌出系数、机采部分占煤层厚度的比值、机采煤体碎胀系数、煤层原始瓦斯含量、残存瓦斯含量、放顶煤体丢煤瓦斯涌出系数、放顶部分占煤层厚度的比值、放顶煤体碎胀系数、顶煤垮落角、工作面断面周长、工作面平均推进速度、煤壁瓦斯涌出强度、工作面倾向长度、工作面在该推进速度下的日产量、煤体挥发分含量、采空区瓦斯涌出系数、综放工作面总体回采率、邻近层瓦斯排放率、邻近层厚度、邻近层煤体密度、邻近层煤层原始瓦斯含量和邻近层残存瓦斯含量；

机采煤体瓦斯涌出量计算单元，用于根据所述机采煤体丢煤瓦斯涌出系数、机采部分占煤层厚度的比值、机采煤体碎胀系数、煤层原始瓦斯含量和残存瓦斯含量，计算所述机采煤体瓦斯涌出量；

放顶煤体瓦斯涌出量计算单元，用于根据所述放顶煤体丢煤瓦斯涌出系数、放顶部分占煤层厚度的比值、放顶煤体碎胀系数、煤层原始瓦斯含量、残存瓦斯含量和顶煤垮落角，计算所述放顶煤体瓦斯涌出量；

工作面煤壁瓦斯涌出量计算单元，用于根据所述煤层原始瓦斯含量、工作面断面周长、工作面平均推进速度、煤壁瓦斯涌出强度、工作面倾向长度、工作面在该推进速度下的日产量和煤体挥发分含量，计算所述工作面煤壁瓦斯涌出量；

采空区瓦斯涌出量计算单元，用于根据煤层原始瓦斯含量、残存瓦斯含量、采空区瓦斯涌出系数和综放工作面总体回采率，计算所述采空区瓦斯涌出量；

邻近层瓦斯涌出量计算单元，用于根据所述工作面在该推进速度下的日产量、邻近层瓦斯排放率、邻近层厚度、邻近层煤体密度、邻近层煤层原始瓦斯含量和邻近层残存瓦斯含量，计算所述邻近层瓦斯涌出量；

工作面瓦斯涌出总量计算单元，用于根据所述机采煤体瓦斯涌出量、所述放顶煤体瓦斯涌出量、所述工作面煤壁瓦斯涌出量、所述采空区瓦斯涌出量和所述邻近层瓦斯涌出量，计算工作面瓦斯涌出总量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明针对倾斜厚煤层综放工作面的开采条件，基于分源预测原理，将工作面瓦斯涌出来源分为机采煤体瓦斯涌出量、放顶煤体瓦斯涌出量、工作面煤壁瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量和邻近层瓦斯涌出量，该分类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，因此根据该来源分类得到的各个种类瓦斯涌出量是较准确的，那么也就提升了倾斜厚煤层综放一次采全高工作面瓦斯涌出总量的预测准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的工作面瓦斯涌出来源分布图；

图2为本发明实施例中日产量与绝对瓦斯涌出量关系图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

放顶煤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(综放)，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。

基于该放顶煤采煤法进行采煤过程中，综放工作面瓦斯来源与含瓦斯煤岩层赋存状况及开采技术条件有关，主要来自开采层和邻近层(含围岩)，其瓦斯涌出源分布如图1所示。

(1)机采煤体瓦斯涌出量q1

综放工作面推进过程中，机采煤体部分自回采工作面运输至地面的过程中，煤体中的瓦斯会随环境的变化逐步释放，最终减小至残存瓦斯含量值。同时，煤体的碎胀程度也会影响煤体瓦斯涌出，即煤体的破碎程度越大，瓦斯涌出程度越大。因此机采煤体瓦斯涌出量可通过下式表达。

q1＝k1机·k2机·k3机(x0-xc)(1)

式中：q1--为机采煤体瓦斯涌出量，m³/t；

k1机--为机采煤体丢煤瓦斯涌出系数，其值为机采煤体回采率的倒数；

k2机--为机采部分占煤层厚度的比值；

k3机--为机采煤体碎胀系数；

x0--为煤层原始瓦斯含量，m³/t；

xc--为残存瓦斯含量，m³/t。

(2)放顶煤体瓦斯涌出量q2

综放工作面放顶时，煤体瓦斯涌出与机采煤体瓦斯涌出相似，但在放顶的过程中，由于放顶工艺的影响，会产生一定的垮落角，同时煤体的碎胀程度也会瓦斯涌出产生一定的影响，其瓦斯涌出量的表达式如下。

q2＝k1放·k2放·k3放(x0-xc)·sinθ(2)

式中：q2--为机采煤体瓦斯涌出量，m³/t；

k1放--为放顶煤体丢煤瓦斯涌出系数，其值为放顶煤体回采率的倒数；

k2机--为放顶部分占煤层厚度的比值；

k3放--为放顶煤体碎胀系数；

x0--为煤层原始瓦斯含量，m³/t；

xc--为残存瓦斯含量，m³/t；

θ--为顶煤垮落角。

(3)工作面煤壁瓦斯涌出q3

在矿山压力作用下，综放面支架前方煤体应力平衡受到破坏，煤体到煤壁之间产生瓦斯压力梯度，导致瓦斯沿卸压带中的裂隙涌入工作面。同时煤壁瓦斯涌出与工作面断面周长、工作面推进速度及煤壁瓦斯涌出初速度都存在正相关的关系，因此工作面煤壁瓦斯涌出量可通过下式表示。

式中：q3--为工作面煤壁瓦斯涌出量，m³/t；

d--为工作面断面周长，m；

v--为工作面平均推进速度m/min；

q0--为煤壁瓦斯涌出强度m³/(m²·min)；

l--为工作面倾向长度，m；

m--为工作面在该推进速度下的日产量，t/d。

根据矿井瓦斯涌出量预测方法aq1018-2006中提出的煤壁瓦斯涌出强度计算方法可得q0计算式如下。

q0＝0.026[0.0004(v')²+0.16]·x0(4)

式中：q0--为工作面煤壁瓦斯涌出强度，m³/(m²·min)；

v′--为煤体挥发分含量，％；

x0--为煤层原始瓦斯含量m³/t。

(4)采空区瓦斯涌出量q4

通常情况下，综放开采由于回采工艺的原因，采空区存在大量遗煤，遗煤释放的瓦斯由于采空区漏风等情况，会向工作面大量涌出，因此采空区瓦斯涌出量可用下式表示。

q4＝kc(1-kh)·(x0-xc)(5)

式中：q4--为采空区瓦斯涌出量，m³/t；

kc--为采空区瓦斯涌出系数，

kh--为综放工作面总体回采率，

x0--为煤层原始瓦斯含量m³/t；

xc--为残存瓦斯含量m³/t。

(5)邻近层瓦斯涌出量q邻

现行矿井瓦斯涌出量预测方法中，对邻近层瓦斯涌出量预测，当两个邻近层厚度相差较大时，会出现预测值较大或者较小，这与实际情况不相符合。而邻近层瓦斯涌出量受瓦斯含量、煤层厚度、卸压面积以及瓦斯排放率等因素的影响。因此，邻近层瓦斯涌出量可用下式计算：

式中：q邻--为邻近层瓦斯涌出量，m³/t；

ηi--为第i邻近层瓦斯排放率；

l--为工作面倾向长度，m；

v--为工作面平均推进速度，m/d；

mi--为第i邻近层厚度，m；

ρi--为第i邻近层煤体密度，m³/t；

x0i--为第i邻近层煤层原始瓦斯含量m³/t；

xci--为第i邻近层残存瓦斯含量m³/t；

m--为工作面在该推进速度下的日产量t/d。

下面结合具体实施例解释上述内容。

根据试验工作面设计情况，对上述方法中的参数进行取值，见表1。该煤层原始瓦斯含量为3.5m³/t，残余瓦斯含量为1.2m³/t。将参数带入到式(1)、(2)、(3)、(4)及(5)中计算，可得q1＝1.24m³/t，q2＝1.73m³/t，q3＝0.13m³/t，q4＝0.26m³/t，即q本＝q1+q2+q3+q4＝3.36m³/t。

表1本煤层相对瓦斯涌出量参数取值表

根据上述计算方法对各邻近层参数进行取值，下第一邻近层距本煤层煤层约10m，其瓦斯排放率取75％，下第二邻近层煤层距本煤层平均距离约40.75m，其瓦斯排放率取30％。其中第一邻近层原始瓦斯含量为4.14m³/t，残余瓦斯含量为2m³/t；第二邻近层原始瓦斯含量为3.85m³/t，残余瓦斯含量为1.69m³/t。将各参数带如到式(6)中，计算可得邻近层相对瓦斯涌出量为q邻＝2.91m³/t。

表1邻近层相对瓦斯涌出量取值表

根据分源预测法可得，工作面瓦斯涌出总量为本煤层瓦斯涌出量与邻近层瓦斯涌出量之和，即：q总＝q本+q邻，通过计算得该煤层的相对瓦斯涌出量q总＝6.27m³/t。具体计算结果(考虑瓦斯涌出不均衡系数1.3)如表2所示。

表2试验工作面绝对瓦斯涌出量(m³/min)

根据试验工作面回采期间瓦斯涌出量实测，得到日产量与绝对瓦斯涌出量之间的关系如图2所示。

由图2可知，在此期间工作面日产量绝大多数在4000t～6500t之间，而绝对瓦斯涌出量都在16m³/min～24m³/min，通过该预测方法得到的绝对瓦斯涌出量全部覆盖此范围。同时该时间段内平均日产量为4957t，通过预测方法计算得绝对瓦斯涌出量在21.58m³/min～28.06m³/min之间，而实际改时间段内平均绝对瓦斯涌出量为23.47m³/min，在此范围内，与生产实际较为吻合。

本说明书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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。