一种考虑瓦斯预抽的矿井四量合理可采期的计算方法与流程

本发明涉及矿山安全开采技术领域，具体涉及一种考虑瓦斯预抽的矿井四量合理可采期的计算方法。

背景技术：

在煤炭生产过程中，保持采掘平衡是确保矿井正常、连续、稳定生产的前提条件，也是降低掘进工程维护成本的重要手段。1961年，煤炭工业部发布了《关于矿井和露天矿开拓煤量、准备煤量和回采煤量划分范围的规定》，将开拓煤量、准备煤量和回采煤量(简称“三量”)及其对应的可供开采的期限作为我国煤矿生产采掘平衡的宏观控制指标。

随着我国煤炭行业的迅猛发展、煤炭生产科技技术进步以及开采条件复杂程度等的不断变化，国家制定的为保证矿井顺利接替的《“三量”规定》已逐渐出现采掘失调、不能适应现阶段矿井接替的需要，主要表现为：随着煤炭开采向深部延深，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的瓦斯抽采利用已构成保障采掘平衡接续的必要条件。瓦斯在煤炭开采过程中带来多种安全隐患的同时也直接影响到煤炭开采中安全“三量”的圈定，且瓦斯预抽需要一定的时间周期，该期限将直接影响矿井的开拓、采区准备的时间，甚至会影响到工作面的回采速度。然而，目前人们在分析矿井抽、掘、采三者关系之间的研究甚少，在瓦斯预抽与矿井原“三量”关系之间也尚无可借鉴的成果。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种考虑瓦斯预抽的矿井“四量”合理可采期的计算方法，分别给出工作面开拓煤量、准备煤量期、回采煤量合理可采期的计算和瓦斯抽采达标煤量的概念及其合理可采期的计算方法，解决了因国家制定的“三量”规定已出现采掘失调、无法适应现阶段矿井接替需要的情况，在瓦斯预抽与矿井原“三量”及其可采期关系上进行研究，避免可采期计算结果失真，为工作面的正常生产接续提供指导作用。

为了实现上述目的，一种考虑瓦斯预抽的矿井四量合理可采期的计算方法，包括：开拓煤量、准备煤量、回采煤量的合理可采期计算以及瓦斯抽采达标煤量的概念及其合理可采期的计算；

1)开拓煤量合理可采期的计算，其计算公式如下：

式中，tk为开拓煤量合理可采期，lk为掘进工程总长度，p为开拓过程的平均掘进队个数，vk为开拓过程的平均掘进速度，tk0为形成开拓煤量后到形成准备煤量前的平均准备接替时间，tz2为石门揭煤平均预抽时间，tz3为井筒揭煤平均预抽时间，vd为掘进过程中受复杂地质构造影响到所降低的最大平均掘进速度，为减缓速度的影响系数，且为区间[0，1]内的常数；

2)准备煤量合理可采期的计算，其计算公式如下：

式中，tz为准备煤量合理可采期，lz为准备工作所需的掘进总长度，q为准备过程的平均掘进队个数，vz为准备过程的平均掘进速度，tz0为形成准备煤量后到形成回采煤量前的平均准备接替时间，tz1为准备巷道揭露煤层前的平均预抽时间；

3)回采煤量合理可采期的计算，其计算公式如下：

th＝lm/(vj-φvd)+max{to，tc}；

式中，th为工作面回采煤量合理可采期，to为工作面平均设备安装调试时间，tc为工作面平均瓦斯抽采达标时间，lm为回采工作所需的掘进总长度，vj为工作面平均掘进速度；

4)瓦斯抽采达标煤量的概念：对于任意类型矿井，瓦斯抽采达标煤量都包括经区域性瓦斯治理后效果检验为无瓦斯隐患的煤量和瓦斯浓度低而无需进行预抽的煤量两部分；

5)瓦斯抽采达标煤量合理可采期，其计算公式如下：

tw＝kth；

式中，tw为瓦斯抽采达标煤量可采期，k为瓦斯预抽安全系数，且s1为回采煤量面积，s2为瓦斯预抽煤量面积。

本发明的有益效果：

本发明提出一种考虑瓦斯预抽的矿井四量合理可采期的计算方法，在现有“三量”可采期计算方法的基础上，将瓦斯预抽作为必要因素考虑在内，对原有公式重新整合，并提出了瓦斯抽采达标煤量的概念，确定其计算方法，最终，归纳总结出工作面“四量”合理可采期的计算方法，为矿井安全生产计划的制定提供了一种全新的思路，为工作面的正常生产接续提供了指导性的理论依据。

附图说明

图1为本发明实施例中矿井u型工作面示意图；

图2为本发明实施例中矿井回采过程的几何示意图；

图3为本发明实施例中矿井开拓过程的接续示意图；

其中，(a)为矿井开拓过程的接续正常示意图；(b)为矿井开拓过程具备等待时间的接续失常示意图；(c)为矿井开拓过程超出预期时间的接续失常示意图；

图4为本发明实施例中矿井准备过程接续示意图；

其中，(a)为矿井准备过程的接续正常示意图；(b)为矿井准备过程具备等待时间的接续失常示意图；(c)为矿井准备过程超出预期时间的接续失常示意图；

图5为本发明实施例中矿井回采过程接续示意图；

其中，(a)为矿井回采过程的接续正常示意图；(b)为矿井回采过程具备等待时间的接续失常示意图；(c)为矿井回采过程超出预期时间的接续失常示意图；

图6为本发明实施例中矿井“四量”关系示意图；

其中，(a)为高瓦斯或瓦斯有突出危险的矿井下的“四量”关系示意图；(b)为低瓦斯矿井下瓦斯抽采达标煤量面积小于开拓煤量面积时的“四量”关系示意图；(c)为低瓦斯矿井下瓦斯抽采达标煤量面积大于开拓煤量面积时的“四量”关系示意图；

图7为本发明实施例中突出矿井瓦斯预抽煤量与回采煤量比例关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种考虑瓦斯预抽的矿井四量合理可采期的计算方法，包括：开拓煤量、准备煤量、回采煤量的合理可采期计算以及瓦斯抽采达标煤量的概念及其合理可采期的计算；

本实施例中，矿井u型工作面如图1所示，其中，l2、l4和l三段巷道为有效巷道，l3为无效巷道；所述有效巷道为矩形工作面的开切眼和两条顺槽；所述无效巷道为矩形工作面的其它巷道、任意形状的工作面折合成等面积的矩形工作面后多余的巷道；矿井回采过程的几何示意如图2所示，其中l为采煤工作面煤巷总长度，vj，vc分别为掘进速度和回采推进速度，tm是设备安装调试以及瓦斯抽放的时间，l1、l2-l1为停采线后无效巷道长度，l3(l4)(l5)-l2为全程有效巷道长度。

统计某矿井的u型工作面各数据(取均值)如表1所示。

表1工作面各数据符号含义及取值

本实施例中，以th为回踩煤矿合理可采期，以tz为准备煤量合理可采期，以tk为开拓煤量合理可采期，以tw为瓦斯抽采达标煤量合理可采期。

矿井开拓过程的接续示意图如图3所示，其中，图(a)为接续正常，即上一阶段开拓完成的时间(tj1-tj0)加上(tk0+tz2+tz3+th+tz)的时间点正好等于下一阶段开拓工作完成的时间tj3，是最理想的工作状态，图(b)和图(c)均为接续工作不正常，图(b)中，开拓工作的时间(tj1-tj0)加上(tk0+tz2+tz3+th+tz)的时间点小于下一阶段掘进工作完成的时间tj3，此时矿井开拓过程会产生一个空闲的等待时间tmn，在这种情况下，虽不影响下一阶段的开拓工作，但等待的时间过长会增加巷道的维护成本，而图(c)中，开拓工作时间(tj1-tj0)加上(tk0+tz2+tz3+th+tz)的时间点大于下一阶段开拓工作完成的时间tj3，此时矿井开拓过程会超出的时间为t′mn，在这种情况下，对下一阶段开拓工作的正常进行产生负面影响，造成一定的经济损失，由此可得：

1)开拓煤量合理可采期的计算，其计算公式如下：

式中，tk为开拓煤量合理可采期，lk为掘进工程总长度，p为开拓过程的平均掘进队个数，vk为开拓过程的平均掘进速度，tk0为形成开拓煤量后到形成准备煤量前的平均准备接替时间，tz2为石门揭煤平均预抽时间，tz3为井筒揭煤平均预抽时间，vd为掘进过程中受复杂地质构造影响到所降低的最大平均掘进速度，为减缓速度的影响系数，且为区间[0，1]内的常数；

本实施例中，掘进工程总长度lk可为石门或采区石门、集中运输大巷或运输大巷、集中下山或采区下山、主要溜煤眼和必要的总回风道等工程的总长度，其中，针对突出矿井或一些高瓦斯矿井以及一般不需揭煤预抽的矿井，石门揭煤平均预抽时间tz2和井筒揭煤平均预抽时间tz3忽略不计。

本实施例中，通过表1中的数据，带入开拓煤量合理可采期的计算公式进行计算，求得工作面开拓煤量合理可采期

矿井准备过程的接续示意图如图4所示，其中，图(a)为接续正常，即上一阶段掘进完成的时间(tj1-tj0)加上(tz0+tz1+th)的时间点正好等于下一阶段掘进工作完成的时间tj3，是最理想的工作状态，图(b)和图(c)均为接续工作不正常，图(b)中，掘进工作的时间(tj1-tj0)加上(tz0+tz1+th)的时间点小于下一阶段掘进工作完成的时间tj3，此时矿井准备过程会产生一个空闲的等待时间tmz，在这种情况下，虽不影响下一阶段的掘进工作，但等待的时间过长会增加巷道的维护成本，而图(c)中，掘进工作时间(tj1-tj0)加上(tz0+tz1+th)的时间点大于下一阶段掘进工作完成的时间tj3，此时矿井开拓过程会超出的时间为tmz，在这种情况下，对下一阶段掘进工作的正常进行产生负面影响，造成一定的经济损失，由此可得：

2)准备煤量合理可采期的计算，其计算公式如下：

式中，tz为准备煤量合理可采期，lz为准备工作所需的掘进总长度，q为准备过程的平均掘进队个数，vz为准备过程的平均掘进速度，tz0为形成准备煤量后到形成回采煤量前的平均准备接替时间，tz1为准备巷道揭露煤层前的平均预抽时间；

本实施例中，准备工作所需的掘进总长度lz可为采区运输巷道、采区回风巷道及采区上山等工程的总长度，其中，对于一般不需揭煤预抽的矿井，准备巷道揭露煤层前的平均预抽时间tz1忽略不计。

本实施例中，通过表1中的数据，带入准备煤量合理可采期的计算公式进行计算，求得工作面准备煤量合理可采期

矿井回采过程的接续示意图如图5所示，其中，图(a)为接续正常，即掘进工作的时间(tj1-tj0)与tm之和正好等于回采工作的时间tc0，是最理想的工作状态，图(b)和图(c)均为接续工作不正常，图(b)中，掘进工作的时间(tj1-tj0)与tm之和小于回采工作的时间tc0，此时矿井回采过程会产生一个空闲的等待时间tmy，在这种情况下，虽不影响下一阶段的回采工作，但等待的时间过长会增加巷道的维护成本，而图(c)中，掘进工作时间(tj1-tj0)与tm之和大于回采工作的时间tc0，超出的时间为t’m，此时矿井开拓过程会超出的时间为t’mz，在这种情况下，对下一阶段回采工作的正常进行产生负面影响，造成一定的经济损失，由此可得：

3)回采煤量合理可采期的计算，其计算公式如下：

th＝lm/(vj-φvd)+max{to，tc}；

式中，th为工作面回采煤量合理可采期，to为工作面平均设备安装调试时间，tc为工作面平均瓦斯抽采达标时间，lm为回采工作所需的掘进总长度，vj为工作面平均掘进速度；

本实施例中，通过表1中的数据，带入回采煤量合理可采期的计算公式进行计算，求得工作面回采煤量合理可采期th＝lm/(vj-φvd)+max{to，tc}＝6.95(月)。

4)瓦斯抽采达标煤量的概念：对于任意类型矿井，瓦斯抽采达标煤量都包括经区域性瓦斯治理后效果检验为无瓦斯隐患的煤量和瓦斯浓度低而无需进行预抽的煤量两部分；

5)瓦斯抽采达标煤量合理可采期，其计算公式如下：

tw＝kth；

式中，tw为瓦斯抽采达标煤量可采期，k为瓦斯预抽安全系数，且s1为回采煤量面积，s2为瓦斯预抽煤量面积。

本实施例中，通过表1中的数据，带入瓦斯抽采达标煤量可采期的计算公式进行计算，求得工作面瓦斯抽采达标煤量可采期tw＝kth＝12.51(月)。

矿井“四量”关系如图6所示，由图6可以看出，由于各个矿井的瓦斯含量不同，高瓦斯或瓦斯突出矿井中瓦斯含量高，通过风排瓦斯并不能完全消除瓦斯超标所带来的事故隐患，因此在生产过程中必须进行瓦斯预抽工作，以此降低瓦斯浓度，从而消除因瓦斯因素所造成的突发灾害；而低瓦斯矿井中的瓦斯浓度通过通风足以消除瓦斯所带来的隐患，因此不需要进行预抽工作，其中，图(a)代表高瓦斯或瓦斯有突出危险的矿井，预抽工作量大，在抽采不达标前不能进行回采工作，因此瓦斯抽采达标煤量是属于开拓煤量和准备煤量中的一部分，图(b)和图(c)代表不同瓦斯抽采达标煤量面积下的低瓦斯矿井，预抽工作量小，甚至不需要对瓦斯预抽，可直接布置回采工作面进行回采，因此瓦斯抽采达标煤量可能大于准备煤量或者开拓煤量。

矿井瓦斯预抽煤量与回采煤量比例关系如图7所示，图中，s1为回采煤量面积，s2为瓦斯预抽煤量面积。由图7可以看出，当矿井为非突出矿井时，s1近似等于s2，此时k＝1；当矿井为突出矿井时，s1远小于s2，此时k＞1。

综上所述，本申请提出的一种考虑瓦斯预抽的矿井“四量”合理可采期的计算方法，提出瓦斯抽采达标煤量，明确了矿井“抽、掘、采”生产技术之间的相互关系，弥补了现有理论的不足，为采矿规律的认识奠定了新的理论基础；其次，基于瓦斯预抽提出矿井“四量”合理可采期，改进了原“三量”可采期计算模型，保障了高瓦斯及瓦斯突出矿井可采期计算的合理性，为各类型矿井安全生产及监测工作提供了新的考核指标。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；因而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。