0 引言
AQ 1018-2006《矿井瓦斯涌出量预测方法》对单一回采工艺工作面的瓦斯涌出量预测具有较高准确性，但用于预测综放工作面瓦斯涌出量时存在较大误差[1-2]，因此其明确指出不适用于放顶煤工作面瓦斯涌出量预测。综放工作面较单一的炮采、普采及综采工作面多一道放煤工序，同时存在煤层厚度大、采出率偏低、局部瓦斯积聚程度增加等特点[3-4]，使得综放工作面瓦斯涌出量预测存在较大困难。马建宏等[5]利用分源预测法，改进了综放工作面瓦斯涌出量预测方法，在计算瓦斯涌出量时考虑了采煤机割煤和放顶煤过程中瓦斯涌出的差异性。蒋中承等[6]通过分析综放工作面班产量与瓦斯涌出量监测数据，采用幂函数曲线拟合方法预测综放工作面瓦斯涌出量。上述文献针对的是一次采全厚综放工作面，目前缺少厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量预测方面的研究，导致该类工作面瓦斯治理技术依据性不强。本文通过分析厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出来源，得出了瓦斯涌出量计算公式，利用该公式预测厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量，并通过现场试验验证了本文预测方法误差较小，对AQ 1018-2006进行了较好的补充。
1 厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出分析
(1) 综放开采中割煤和放顶煤这两道工艺与综采有很大不同，使得瓦斯涌出规律不同。预测综放工作面瓦斯涌出量时，必须考虑采煤机割煤和放顶煤过程中的瓦斯涌出[7]。
(2) 综放工作面回采过程中，遗留煤量包括工作面前后端头、初采、末采等丢失的煤量[8-11]，导致采出率较低，采空区遗留煤较多。在预测工作面瓦斯涌出量时，应充分考量采空区遗留煤中涌出的瓦斯。
(3) 工作面上分层采空区范围内残留的煤量较少，且距离本分层开采的时间较长，瓦斯已充分释放，同时上分层采空区范围内裂隙较发育，有较多的漏风通道，瓦斯向上部移动，对本分层采空区瓦斯涌出影响不大。因此，在预测厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量时，只考虑本分层瓦斯涌出量和下分层实体煤瓦斯涌出。
2 综放工作面瓦斯涌出量预测方法
通过现场调查及分析可知，厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出主要来源于割煤、放煤、采空区、邻近层，如图1所示。
图1 厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出来源
Fig.1 Gas emission sources on fully-mechanized caving face with layered mining of thick coal seam
根据4种瓦斯涌出来源，得出厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量：
q=q1+q2+q3+q4
(1)
式中q1—q4分别为割煤、放煤、采空区、邻近层瓦斯涌出量。
2.1 割煤瓦斯涌出
综放工作面采煤机割煤瓦斯涌出量计算原理与单一回采工艺工作面相同，公式为
(2)
式中：K1为围岩瓦斯涌出系数；K2为采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数；Kf为厚煤层分层开采时，取决于煤层分层数量和顺序的分层瓦斯涌出系数，若无分层开采则取1；m1为机采高度；M为开采煤层厚度；W0为煤层原始瓦斯含量；Wc为运出矿井后煤的残存瓦斯含量。
式(2)与AQ 1018-2006不同之处为取消了工作面遗留煤瓦斯涌出系数。考虑到综放工作面开采时遗留煤较多，且工作面的遗留煤很快进入采空区，因此计算采空区瓦斯涌出量时，单独考虑遗留煤瓦斯涌出。
2.2 放煤瓦斯涌出
综放工作面放煤瓦斯涌出量计算公式为
(3)
式中：K3为放落煤体破碎度对放煤瓦斯涌出影响系数；m2为放顶煤厚度。
考虑到放落煤体块度较大，煤体内瓦斯释放不如割落的破碎煤体充分，因此在计算放煤瓦斯涌出量时增加了放落煤体破碎度对放煤瓦斯涌出影响系数K3。研究表明，放落煤体破碎度与放顶煤垮落角有关。
在综放工作面回采前测得某区域原煤瓦斯含量Wy。该区域回采后，在工作面运输巷口(煤体已运出工作面)分别取采煤机割落的破碎煤体和放落的大块顶煤，测得残余瓦斯含量Wg，Wf，则K3=(Wy-Wf)/(Wy-Wg)。通过分析大量现场资料，放顶煤垮落角与K3关系见表1。
表1 放顶煤垮落角与K3关系
Table 1 Relationship between top-coal caving angle and K3
放顶煤垮落角/(°)≥8070～8060～70≤60K30.95～1.000.85～0.950.75～0.850.70
2.3 采空区瓦斯涌出
工作面采空区瓦斯涌出主要来源于回采后遗留煤瓦斯涌出，而遗留煤量与开采工艺的采出率直接相关，因此根据AQ 1018-2006计算遗留煤瓦斯涌出量。对于厚煤层分层开采综放工作面，在计算采空区瓦斯涌出量时，还需考虑下分层实体煤瓦斯涌出，计算公式为
q3=K4(qy+qf)
(4)
式中：K4为采空区内承压影响区瓦斯涌出影响系数；qy为采空区遗留煤相对瓦斯涌出量；qf为下分层实体煤相对瓦斯涌出量。
qy=Kn1(1-k)(W0-Wc)
(5)
式中：Kn1为遗留煤瓦斯涌出不均衡系数；k为综放工作面平均采出率。
对于分层开采综放工作面，下分层实体煤瓦斯涌出与邻近层瓦斯涌出类似，不同之处是各开采分层之间不存在岩层。因此，下分层实体煤瓦斯涌出量可参考邻近层瓦斯涌出量计算公式得到。
(6)
式中：n为开采分层数；mi为第i层下部煤体厚度；λi为第i层下部煤体受采动影响的瓦斯排放率；Wi为第i层下部煤体瓦斯含量；Wic为第i层下部煤体残存瓦斯含量，通常为Wc。
煤层瓦斯含量与埋深一般呈线性关系，因此设瓦斯含量沿煤层深度呈线性分布。瓦斯排放率为受采动影响的煤体释放瓦斯量与原始煤层可解吸瓦斯含量之间的比值，随距开采分层距离增大而线性减小，距离为0时排放率为100%。由此可得
Wi=wtx+W0
(7)
(8)
式中：wt为瓦斯含量梯度；x为距开采分层距离；hcp为采动影响破坏深度。
建立几何模型(图2)分析下分层实体煤瓦斯涌出。设距开采分层距离为x的煤体垂直厚度为dx(倾斜厚度为dx/sin α，α为煤层倾角)，下部煤体瓦斯含量及瓦斯排放率均可为dx的函数，在可接受误差范围内，假设均为线性函数。
图2 下分层实体煤瓦斯涌出分析几何模型
Fig.2 Geometry model for analyzing gas emission from coal body under mining layer
结合图2，分层开采综放工作面下分层实体煤瓦斯涌出量为
(9)
2.4 邻近层瓦斯涌出
厚煤层分层开采综放工作面开采高度大，使得垮落带和裂隙带高度增加，扩大了上下邻近层的开采影响范围。由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》可知，开采高度较大，则煤层顶底板破坏影响范围较大，根据AQ 1018-2006计算的各煤层瓦斯排放率相对较高。研究表明，对于厚煤层分层开采综放工作面，可参考采高较大的非综放工作面来计算邻近层瓦斯涌出量，计算公式为
(10)
式中：R为邻近层数；mj为第j个邻近层厚度；λj为第j个邻近层瓦斯排放率；W0j为第j个邻近层原始瓦斯含量；Wcj为第j个邻近层残存瓦斯含量。
3 现场试验
为了验证厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量预测方法的准确性，分别对神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿+575 m水平B1-2煤层西翼工作面及碱沟煤矿东翼+495 B1+2综放工作面瓦斯涌出量进行预测。工作面基本参数见表2。
根据厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量计算公式，乌东煤矿及碱沟煤矿综放工作面瓦斯涌出量预测结果见表3。结合矿井实际开采参数预测的2个煤矿工作面相对瓦斯涌出量分别为1.99，1.09 m3/t，结合工作面日产量预测的绝对瓦斯涌出量分别为3.13，0.83 m3/min。回采过程中实际测得的乌东煤矿及碱沟煤矿综放工作面绝对瓦斯涌出量分别为3.04，0.85 m3/min，预测误差均小于5%，满足实际生产需求。
表2 综放工作面基本参数
Table 2 Basic parameters of fully-mechanized caving faces
矿井工作面长度/m日产量/t机采高度/m放顶煤厚度/m分段高度/m垮落角/(°)机采采出率/%放顶煤采出率/%瓦斯含量/(m3·t-1)残存瓦斯含量/(m3·t-1)乌东煤矿30.622663.022.0256090702.681.53碱沟煤矿29.810933.219.8236095652.001.21
表3 综放工作面瓦斯涌出量预测结果
Table 3 Prediction results of gas emission rate on fully-mechanized caving faces
矿井q1/(m3·t-1)q2/(m3·t-1)q3/(m3·t-1)q4/(m3·t-1)相对瓦斯涌出量预测值/(m3·t-1)绝对瓦斯涌出量预测值/(m3·min-1)绝对瓦斯涌出量实测值/(m3·min-1)相对误差/%乌东煤矿0.040.281.490.171.993.133.042.96碱沟煤矿0.030.130.860.071.090.830.852.35
4 结语
结合厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出特点，分析了综放工作面瓦斯涌出来源，研究了厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量预测方法，结合实际情况推导了瓦斯涌出量计算公式。现场测试结果表明，该方法预测值与实测值的误差小于5%，满足实际生产需求，为同类条件下综放工作面瓦斯涌出量预测提供了可靠依据。
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