瓦斯涌出量的预测是指根据某些已知相关数据,按照一定的方法和规律,预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。新建矿井、生产矿井的新水平或新采区,需要预测瓦斯涌出量,作为设计的依据。
决定煤矿风量的主要因素往往是瓦斯涌出量,因此,预测结果的正确与否,能够影响矿井开采的经济技术指标,甚至能否正常进行生产。大型高瓦斯矿井,如果预测的涌出量偏低,投产不久就需要进行通风改造,或者被迫降低产量。而预测偏高,势必增大投资和通风设备的运行费用,造成不必要的浪费。
预测瓦斯涌出量的方法,可以分为统计法和计算法两类:计算法主要用于新矿区的新井建设;统计法是根据生产矿井或生产水平,在以往生产过程中积累的大量不同深度相对瓦斯涌出量与深度的数据,通过整理分析找出相互之间变化关系的统计资料,推算出相邻的新矿井或延深水平瓦斯涌出量的方法。如果预测地区的地质、采矿因素没有明显的变化,预测结果可以满足工程的需要。
现结合实例介绍统计法预测瓦斯涌出量的具体内容和步骤,表3.7为抚顺龙凤矿不同加权平均开采深度时的相对瓦斯涌出量。根据这些资料,以矿井加权平均开采深度为横坐标,相对瓦斯涌出量为纵坐标,作出涌出量随深度变化曲线,将此曲线外延,可预测出深部的瓦斯涌出量。
表3.7 抚顺龙凤矿开采深度与瓦斯涌出量
加权平均开采深度可计算为
Hw=∑HiAi/∑Ai (3.7)
式中Hw-加权平均开采深度,m;
Hi-统计期内,第i采煤区段的开采深度,m;
Ai-统计期内,第i采煤区段的产煤量,t。
在现代开采深度范围的瓦斯带内,如果地质、采矿条件变化不大,相对瓦斯涌出量与深度的关系大多近似为直线(在瓦斯风化带内,变化缓慢且无规律)。因此,这一方法的两个重要参数是瓦斯风化带下界深度和相对瓦斯涌出量与深度的比值。
深度与相对瓦斯涌出量的比值,称瓦斯涌出量梯度。它的物理含义为相对瓦斯涌出量每增加1m3/t时,开采深度增加的米数,其单位为m/(m³·t
-1)。瓦斯涌出量梯度越小,矿井瓦斯涌出量随深度增加的速度越快。
瓦斯涌出量梯度为
gm=[(H2 - H1)/(q2 -q1)]
n (3.8)
式中gm-瓦斯涌出量梯度,m(m3·t
-1)或t/m²;
H1,H2-瓦斯带内的两个已采深度,m;
q1,q2-对应于H1,H2深度的相对瓦斯涌出量,m³/t;
n-指数系数,大多数煤田在垂深1000 m内时n=1。
以抚顺龙风矿为例(见表3.7),H1=320 m,q1=25.7m³/t,H2 =410 m,q1=33.0m³/t代入式(3.8),求得gm=10.9t/m²。该矿开采深度每增加10.9 m,相对瓦斯涌出量增加1m³/t。
已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯风化带下界深度时,可预测相对瓦斯涌出量为
qm=q0+(H- H0)/ga (3.9)
或 qm=qm1+(H- H1)/gm (3.10)
式中qm-预测深H(m)处的相对瓦斯涌出量,m³/t;
H0-瓦斯风化带下界深度,m;
ga-瓦斯涌出量增深率,(m·t)/m³;
q0,q1-瓦斯风化带下界或H1处的相对瓦斯涌出量,q0=2m³/t。
利用式(3.10)来预测抚顺龙凤矿深500 m处的瓦斯涌出量为
qm=qm1+(H-H1)/ga
= 330.0+(500.0- 410. 0)/10.9
=41.2 m³/t
由表3.7知,采深500 m处的实测值为41.5m³/t,预测误差仅为0.7%,完全可以满足工程上的要求。
某些缓倾斜煤层和矿井的深部,瓦斯涌出量梯度不是常数,即矿井的相对瓦斯涌出量与深度间是非线性的关系,可以采用作图法,外推找出预测深度处的相对瓦斯涌出量。
统计法预测瓦斯涌出量时,必须注意以下两点:
①统计法只适用于瓦斯带以下已开采了1~2个水平的矿井,而且外推深度不得超过100~ 200 m,煤层倾角和瓦斯涌出量梯度值越小,外推深度也应越小,否则误差可能很大。
②积累的瓦斯涌出量资料,至少要有一年以上,而且积累的资料越多、精度越高,已采水平(或区域)的瓦斯地质情况和开采技术条件与新设计水平(或区域)越相似,预测的可靠性也越高。否则,应根据有关资料进行相应的修正,或按相似程度进行分区预测。
为了把井田空间上的相对瓦斯涌、出量变化规律直观地表达出来,以便比较可靠地预测瓦斯涌出量,最好在矿井开采层面图上,及时标出各个已采区的平均相对瓦斯涌出量,并把瓦斯涌出量相同的点连成曲线,作为外推预测的依据,这种瓦斯涌出量等值线图能够清晰地反映煤层走向和倾斜的瓦斯涌出量变化情况,对于预测不同地区的瓦斯涌出量十分方便。