【導(dǎo)讀】大型煤礦之一，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為Mt。該礦為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯涌出量大、瓦斯超限嚴(yán)重，并且自2021年籌建以來(lái)，多次發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。為了解決這些問(wèn)題，并防止瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生，本設(shè)計(jì)介紹了該礦的基本情況，預(yù)測(cè)礦井瓦斯的涌出量是，對(duì)抽放瓦斯的必要性與可行性進(jìn)行了論證。通過(guò)對(duì)抽放方法的比較和抽放管路的計(jì)算和。并計(jì)算了抽放系統(tǒng)的管道阻力和瓦。斯泵的流量與壓力，選擇了合適的瓦斯泵型號(hào)，建立地面永久抽放泵站。瓦斯加以利用，達(dá)到使其變廢為寶、減少環(huán)境污染的目的。Keyword:Yian、coalandgasoutburst、gasgushingquantity、drainagesystem、

　　

【正文】 不受采動(dòng)影響條件下，煤層內(nèi)鉆孔的瓦斯流量隨時(shí)間呈衰減變化的持性系數(shù)稱鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。它可以作為評(píng)價(jià)煤層預(yù)抽瓦斯難易程度的一個(gè)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下： qt=q0*eβ t (41) β =( ln q0 ln qt)/t (42) 式中： qt—— 百米 鉆孔經(jīng) t時(shí) 排放時(shí)的瓦斯流量 ， m3/(min*100m)； q0—— 百米 鉆孔成孔初始時(shí)的瓦斯流量 ， m3/(min*100m)； t—— 鉆孔瓦斯涌出經(jīng)歷時(shí)間 ， d； β —— 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù) ， d1。 實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，由于百米 鉆孔成孔初始時(shí)的瓦斯流量 難以精確測(cè)定，可以根據(jù)式42 在理論上導(dǎo)出任意兩次流量測(cè)定所確定的 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù) (式 43)。 β=( ln q i ln qj)/(tjti) (43) 式中： ti—— 鉆孔瓦斯涌出經(jīng)歷時(shí)間， d； tj—— 鉆孔瓦斯涌出經(jīng)歷時(shí)間 ， d； 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 qi—— 百米 鉆孔經(jīng) ti時(shí) 排放時(shí)的瓦斯流量 ， m3/(min*100m)； qj—— 百米 鉆孔經(jīng) tj時(shí) 排放時(shí)的瓦斯流量 ， m3/(min*100m)。 通過(guò)采用在不同地點(diǎn)、選擇不同的鉆孔直徑和不同的煤孔長(zhǎng)度等條件下分別測(cè)定原始數(shù)據(jù)，同時(shí)在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)定后注意區(qū)分鉆孔瓦斯的異常涌出和正常涌出的區(qū)別，剔除鉆孔 內(nèi)徑向非正常流場(chǎng)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，同時(shí)采用線性回歸分析等方法，減少參數(shù)測(cè)定時(shí)的非人為誤差，以全面準(zhǔn)確的測(cè)定出參數(shù)，給煤層預(yù)抽瓦斯難易程度提供可靠數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)。使測(cè)定結(jié)果更具代表性。由原始數(shù)據(jù)得到的 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù) 匯總于表44。所測(cè)定的 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù) 分別為： d1， d1和 d1。 表 44 不同測(cè)定地點(diǎn)的鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù) Table 44 Borehole gas flow attenuation coefficient of different measurement site 測(cè)定地點(diǎn) FX004軌道順槽開(kāi)口以里 230 m流量 西膠大巷變電所口以西 8 m 西膠大巷變電所口以西 18 m 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)(d1) 注：表中西 膠大巷變電所口以西 8m和 18m處鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為平均值。 排放孔影響半徑測(cè)定 超前鉆孔有效排放半徑的測(cè)定方法有 2種：①使用鉆孔流量法測(cè)定超前鉆孔的有效排放半徑；②使用鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法測(cè)定超前鉆孔的有效排放半徑。通過(guò)采用第二種方法，在 FX004 工作面軌道順槽開(kāi)口以里 m 處進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，原始孔和測(cè)試孔實(shí)際測(cè)定夾角為 8176。 ，兩孔的孔口距離為 m，排放時(shí)間為 30 分鐘。測(cè)試的 89 mm 的排放孔經(jīng) 30分鐘的排放半徑為 m。 礦井瓦斯儲(chǔ)量 礦井瓦斯儲(chǔ)量是指在煤田開(kāi)發(fā)過(guò)程中能夠向礦井排放瓦斯的煤層及圍巖所儲(chǔ)存的瓦斯量， 應(yīng)為礦井可采煤層的瓦斯儲(chǔ)量、受采動(dòng)影響后能夠向開(kāi)采空間排放的不可采煤層及圍巖瓦斯儲(chǔ)量之和。 礦井瓦斯儲(chǔ)量計(jì)算公式如下： W=W1+ W2+ W3 （ 44） 式中： 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 W— 礦井瓦斯儲(chǔ)量， Mm3； W1— 可采煤層的瓦斯儲(chǔ)量總和， Mm3； ?? ?? ni ii XAW 1 111 （ 45） A1i— 礦井每一個(gè)可采煤層的煤炭?jī)?chǔ)量， Mt； X1i— 礦井每一個(gè)可采煤層的瓦斯含量， m3/t； W2— 受采動(dòng)影響后能夠向開(kāi)采空間排放的各不可采煤層的瓦斯儲(chǔ)量， Mm3； ?? ?? mi ii XAW 1 222 （ 46） A2i— 受采動(dòng)影響后能夠向開(kāi)采空間排放瓦斯的不可采煤層的地質(zhì)儲(chǔ)量 ,Mt； X2i— 受采動(dòng)影響后能夠向開(kāi)采空間排放的不可采煤層的瓦斯儲(chǔ)量 m179。/t； W3— 受采動(dòng)影響后能夠向開(kāi)采空間排放的圍巖瓦斯儲(chǔ)量， Mm3，實(shí)測(cè)或按下式計(jì)算： W3=K（ W1+W2） （ 47） K— 圍巖瓦斯儲(chǔ)量系數(shù)，一般取 K=～ 。 考慮到義安煤礦主采煤層為二 1煤 ，其它煤層皆不可采，故礦井瓦斯儲(chǔ)量可按如下公式計(jì)算： XACk ??? （ 48） 式中： Wk— 礦井瓦斯儲(chǔ)量， Mm3； C— 圍巖瓦斯儲(chǔ)量系數(shù)，取 C = ； A— 煤炭工業(yè)儲(chǔ)量， A= Mt； X— 礦井煤平均瓦斯含量， X= m3/t。 由此可得，義安礦的礦井瓦斯儲(chǔ)量為 1183 Mm3。 礦井可抽瓦斯量及可抽期 礦井的瓦斯可抽量 為計(jì)算礦井的瓦斯可抽量，需首選確定礦井的瓦斯抽采率。瓦斯抽采率可根據(jù)煤層瓦斯抽采難易程度、瓦斯涌 出情況、采用的瓦斯抽采方法等因素綜合確定，也可參照鄰河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 近礦井或條件類似礦井?dāng)?shù)值選取。 根據(jù)《礦井瓦斯抽采管理規(guī)范》（煤安字 [1997]第 189 號(hào)）第 28 條、《礦井瓦斯抽放規(guī)范》（ AQ1027— 2021）第 條規(guī)定，以本煤層預(yù)抽為主的礦井，工作面抽采率不小于 25%，礦井抽采率不小于 20%。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（ 2021）第 190 條，采用預(yù)抽煤層瓦斯作為防突措施時(shí)，煤層瓦斯預(yù)抽率大于 30%。根據(jù)河南省煤炭工業(yè)管理局文件（豫煤安 [2021]1 號(hào)），高、突采面采前瓦斯預(yù)抽率不得低于 30%。 根據(jù)義安礦煤層的實(shí) 際情況，采煤工作面瓦斯預(yù)抽率設(shè)計(jì)為 30%，礦井瓦斯抽采率設(shè)計(jì)為 30%。 礦井瓦斯 可抽量是指礦井瓦斯儲(chǔ)量中能被抽出的瓦斯量，由下式計(jì)算： kkkc WW ??? （ 49） 式中： Wkc— 礦井瓦斯可抽量， Mm3； η k— 礦井瓦斯抽采率，按照義馬礦區(qū)生產(chǎn)礦井和義安煤礦的現(xiàn)狀預(yù)計(jì)，η k=25～35%，取平均值η k= 30%； Wk— 礦井瓦斯儲(chǔ)量， Mm3。 由此可得義安礦的瓦斯可抽量為 355 Mm3。 可抽期 根據(jù)礦井采掘工程計(jì)劃，并參照其他礦井實(shí)際抽放的效果，確定本礦井抽 放純量為15 m3/min?？紤]設(shè)備及系統(tǒng)檢修，年抽放天數(shù)按 330 d 計(jì)算，則年抽放瓦斯量為 7 Mm3。由此可計(jì)算的抽放抽放服務(wù)年限約為 51 a， 與 采區(qū) 生產(chǎn)服務(wù)年限相當(dāng) 符合《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè) 預(yù)測(cè)方法的選擇 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)是指根據(jù)某些已知的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照一定的方法和規(guī)律，預(yù)估出整個(gè)礦井或者局部區(qū)域瓦斯涌出量的工作。對(duì)于新建礦井，需要礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)資料，作為通風(fēng)設(shè)計(jì)以及制定瓦斯措施的依據(jù)。瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)的正確與否，直接影響著煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。若 預(yù)測(cè)偏低，礦井投產(chǎn)不久就需要進(jìn)行技術(shù)改造，甚至被迫減少產(chǎn)量，而預(yù)測(cè)偏高，則必須要增加投資和通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。所以研究礦井瓦斯涌河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 出量的預(yù)測(cè)方法，提高預(yù)測(cè)精度，一直是世界各主要采煤國(guó)的重要課題之一。 綜合國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)的方法有：統(tǒng)計(jì)分析法、瓦斯含量預(yù)測(cè)法、分源預(yù)測(cè)法、類比法。近年來(lái)由于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的或是進(jìn)一步優(yōu)化的預(yù)測(cè)方法，比如瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型法、速度預(yù)測(cè)法、灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法、基于遺傳規(guī)劃的預(yù)測(cè)法等等。下面詳細(xì)的介紹對(duì)比我國(guó)主要使 用的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)法優(yōu)劣及其適用范圍（表 45）。 表 45 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)法對(duì)比 Table 45 Gas emission forecast method of contrast 方法 簡(jiǎn)介 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 適用性 礦山統(tǒng)計(jì)法 據(jù)已開(kāi)采工作面的實(shí)測(cè)瓦斯資料，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出某一煤層瓦斯涌出量隨開(kāi)采深度的變化規(guī)律，并將其應(yīng)用于計(jì)算新采煤工作面瓦斯涌出量。 可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)已知工作面的瓦斯涌出量來(lái)計(jì)算新采煤工作面的瓦斯涌出量。 需要前期積累的資料多，可推測(cè)的深度低，推測(cè)結(jié)果受煤層傾角和瓦斯涌出量的梯度影響，誤 差較大。 適用于生產(chǎn)礦井的延伸水平、開(kāi)采水平的新區(qū)、鄰近的新礦井。 分源預(yù)測(cè)法 根據(jù)采煤工作面同時(shí)涌出的瓦斯源及瓦斯源涌出量的大小，預(yù)測(cè)采煤工作面的瓦斯涌出源的涌出量 技術(shù)成熟，預(yù)測(cè)精度可達(dá) 85%以上，適用性廣。 對(duì)瓦斯含量測(cè)定值的可靠性和含量點(diǎn)的分布有較高的要求，計(jì)算使用經(jīng)驗(yàn)公式，其結(jié)果的精度有一定的局限性。 適用于新建礦井、生產(chǎn)礦井水平延深、新設(shè)計(jì)采區(qū)以及采掘工作面的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)有多種方法，其中分源法預(yù)測(cè)礦井瓦斯涌出量，經(jīng)過(guò)多年研究、完善與提高，在很多礦井應(yīng)用取得了滿意的效果。 通過(guò)對(duì)煤層瓦斯含量與埋深的回歸分析 ,研究煤層瓦斯含量分布規(guī)律 。 對(duì)預(yù)測(cè)方法特性和適用條件比較 ,并結(jié)合研究礦井的實(shí)際 ， 選取了以煤層原始瓦斯含量為基礎(chǔ)、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì) 該 礦井進(jìn)行預(yù)測(cè)的分源預(yù)測(cè)法 。本設(shè)計(jì)采用分源法預(yù)測(cè)采掘工作面及礦井瓦斯涌出量。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 分源預(yù)測(cè)法的原理 含瓦斯煤層在開(kāi)采時(shí)，因受到采動(dòng)作業(yè)的影響，使煤層及圍巖中的瓦斯賦存平衡狀態(tài)遭到破壞，破壞區(qū)內(nèi)的煤層、圍巖所含瓦斯將涌入井下巷道。瓦斯涌出源即是井下瓦斯涌出的地點(diǎn)。瓦斯涌出源的多寡、涌出瓦斯量的大小是決定礦井瓦斯涌出量大小的重要因素。根據(jù)撫順?lè)衷旱难?究，礦井瓦斯涌出的源、匯關(guān)系如圖 41 所示。 圖 41 礦井瓦斯涌出的源、匯關(guān)系 Relations of coal mine gas emission source and sink 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè) 根據(jù) 《 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法 》（ AQ10182021） ，回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)用相對(duì)瓦斯涌出量表達(dá)，其計(jì)算公式為： 21 qqq ??采 410 式中 ： q 采 —— 回采工作面相 對(duì)瓦斯涌出量， m3/t； q1—— 開(kāi)采層相對(duì)瓦斯涌出量， m3/t； q2—— 鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量， m3/t。 （ 1）開(kāi)采層瓦斯涌出量 根據(jù) 我國(guó) 安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法 》（ AQ10182021） ， 井下開(kāi)采二 1煤為分層開(kāi)采的采煤工作面，開(kāi)采層瓦斯涌出量計(jì)算采用以下公式計(jì)算： 匯：礦井瓦斯涌出 生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出 源：已采采區(qū)采空區(qū)瓦斯涌出 采煤工作面瓦斯涌出 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出 源：生產(chǎn)采區(qū)采空區(qū)瓦斯涌出 源：開(kāi)采層瓦斯涌出涌出 源：鄰近層瓦斯涌出 源：煤壁瓦斯涌出 源：落煤瓦斯涌出 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 q1=K1*K2*K3*Kf*(WoWc) 411 式中： q1—— 開(kāi)采層相對(duì)瓦斯涌出量， m3/t； K2—— 工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，用回采率的倒數(shù)來(lái)計(jì)算，二 1 煤 層開(kāi)采工作面綜采時(shí)回采率取 ，則 K2＝ ，炮采時(shí)回采率取 則 K2′＝ ； K3—— 采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開(kāi)采層瓦斯涌出影響系數(shù)，用走向長(zhǎng)壁后退式回采， K3按下式計(jì)算： K3=（ L2h） /L = L—— 工作面長(zhǎng)度， 150 m； h—— 掘進(jìn)巷道預(yù)排等值寬度，貧煤取 10 m； Kf—— 分層開(kāi)采瓦斯涌出量系數(shù)，分層兩層開(kāi)采時(shí)， Kf取 。 Wo—— 煤層原始瓦斯含量， 取 瓦斯含量 平均值 m3/t； Wc—— 采落煤層運(yùn)至地面時(shí)殘存瓦斯含量 。 表 46 純煤的殘存 瓦斯含量 Table 46 Residual gas content of pure coal 煤的揮發(fā)份含量Vdaf（％） 6～ 8 8～ 12 12～ 18 18～ 26 26～ 35 35～ 42 純煤殘存瓦斯含量（ m3/） 9～ 6 6～ 4 4～ 3 4～ 3 2 2 表 46中所列的 Wc′值為每一噸純煤（即可燃基）的瓦斯殘存含量，所以在應(yīng)用時(shí)應(yīng)按下式換算成原煤殘存瓦斯含量： Wc＝ 100100 adad MA ?? 179。 Wc′ m3/t 式中 ： Wc′ —— 表 46 中所列的純煤瓦斯殘存量， m3/t； 二 1 煤層原煤揮發(fā)分 Vdaf％為％， Wc′為 4～ 3，設(shè)計(jì)取 4； 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)