1. 绪论
预测采区瓦斯涌出量的方法研究是煤矿安全生产中的一个重要课题。随着技术的发展，不同的方法和模型不断被提出和改进，目前主要有以下几种方法。
数值模拟方法是通过建立煤层瓦斯运移的数学模型，利用计算机进行模拟计算来预测瓦斯涌出量。这种方法可以考虑多种因素(如煤层结构、压力等)对瓦斯涌出的影响，具有较高的精度和灵活性。目前，CFD (计算流体动力学)和DEM (离散元方法)在瓦斯涌出量预测中的应用较为广泛[1] [2]。
统计分析方法是通过对历史瓦斯涌出数据进行统计分析，建立瓦斯涌出量预测模型。这种方法简单易行，能够快速预测瓦斯涌出量，但其精度受历史数据质量的影响较大[3] [4]。
经验公式是根据大量实测数据和经验总结出来的公式，用于预测瓦斯涌出量。经验公式简单实用，但其适用性有限，需根据具体矿区进行调整[5] [6]。
机理模型是基于瓦斯在煤层中运移和解吸的机理，建立瓦斯涌出量预测模型。这种方法能够深入理解瓦斯涌出的物理过程，预测精度较高，但模型建立和参数确定较为复杂[7] [8]。
随着人工智能技术的发展，机器学习方法在瓦斯涌出量预测中得到了广泛应用。通过对大量历史数据进行训练，机器学习模型能够自动提取数据特征，进行高精度的瓦斯涌出量预测。常用的方法有神经网络、支持向量机等[9] [10]。
总的来说，各种方法各有优缺点，具体应用中需要根据实际情况选择合适的方法或多种方法结合使用，以提高预测精度和可靠性。
2. 工程背景
目前某煤矿是单一采区进行回采。该项目的试验地点主要是2609，2611回采工作面。工作面为炮采工作面，开采煤层为2煤，煤层平均厚度在1.5m左右。工作面标高为−410.9~−453.8 m，走向长为850 m，倾斜长为150 m，煤层倾角平均为9˚，工作面地质条件简单，局部地区有小断层。没有较大的含水层，局部地点有顶板淋水现象。由于推进速度快，瓦斯涌出量也相应增大，给瓦斯治理带来了较大的难度。分析工作面瓦斯来源及构成，快速预测瓦斯涌出量，可以给煤矿瓦斯治理提供依据，使煤矿的瓦斯防治措施更加有的放矢。
3. 瓦斯来源及构成
3.1. 回采工作面瓦斯来源及构成
根据炮采工作面采煤工艺和煤矿煤层赋存状况，工作面瓦斯涌出划分成三大瓦斯涌出源：放炮落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出(包括丢煤、围岩、和邻近层瓦斯涌出)。各来源的瓦斯涌出采用如下方法测定：
1) 在2609工作面刚开始开采阶段(老顶第一次垮落前)，选择检修班测定工作面进、回风顺槽风量和瓦斯浓度，确定工作面进、回风瓦斯涌出量，两者之差即为工作面暴露煤壁瓦斯涌出量Q煤壁；
2) 在工作面老顶未垮落前，选择正常采煤班，测定采煤过程中进、回风顺槽瓦斯涌出量，两者之差即为工作面采煤瓦斯涌出量与循环暴露煤壁瓦斯涌出量之和，将该值减去1)中测得的循环暴露煤壁瓦斯涌出量即得落煤瓦斯涌出量Q落煤；
3) 选择工作面推进至距开切眼100 m左右位置的正常采煤班，测定采煤过程中工作面瓦斯涌出量Q(测点布置与前类似)，将此值减去1)、2)中获得的循环暴露煤壁和采煤瓦斯涌出量，即得采空区瓦斯涌出量Q采空区；
4) 在各源瓦斯涌出量已知时2609工作面瓦斯涌出来源构成可按下列公式计算：
C煤壁 = Q煤壁/Q × 100% (1)
C落煤 = Q落煤/Q × 100% (2)
C采空区 = Q采空区/Q × 100% (3)
式(1)~(3)中C煤壁、C落煤、C采空区—分别是煤壁、落煤和采空区瓦斯涌出比例，%；
Q煤壁、Q落煤、Q采空区——分别是煤壁、落煤和采空区瓦斯涌出量m3/min；
Q——采煤工作面瓦斯涌出量，m3/min。
通过对2609工作面老顶来压前的检修班(无采掘作业)瓦斯涌出量的多次跟踪实测的数据进行统计，选取其中一条较典型的瓦斯涌出量变化曲线如图1。
Figure 1. Gas emission curve of maintenance class before main roof weighting
图1. 老顶来压前检修班瓦斯涌出曲线
图中横坐标为测定时间，纵坐标为瓦斯涌出量。经统计分析，老顶来压前的检修班平均瓦斯涌出量为0.96 m3/min，由于检修班无任何采掘作业，而且老顶来压以前工作面瓦斯涌出量较小。故认为老顶来压前的瓦斯涌出量就近似为煤壁瓦斯涌出量，即Q煤壁 = 0.96 m3/min。工作面推进100 m (老顶周期来压结束后)时检修班的平均瓦斯涌出量为1.64 m3/min。
工作面推进100 m时检修班的瓦斯涌出量只包含煤壁瓦斯涌出量和采空区瓦斯涌出量，煤壁瓦斯涌出量在老顶来压前后不变，故采空区瓦斯涌出量按下列公式计算为：
Q采空区 = Q来压后检修班 − Q煤壁 (4)
将实测数据Q来压后检修班 = 1.64 m3/min和Q煤壁 = 0.96 m3/min代入式(4)得：
Q采空区 = 0.68 m3/min.
2609工作面老顶来压前的采煤班瓦斯涌出量测定结果如图2所示。
Figure 2. Gas emission curve of coal mining class
图2. 采煤班瓦斯涌出曲线
经统计采煤期间工作面平均瓦斯涌出量为2.25 m3/min，由于此前在检修班测得的煤壁瓦斯涌出量为0.96 m3/min，故落煤瓦斯涌出量为1.29 m3/min。
采煤班瓦斯涌出量按公下列式计算：
Q = Q落煤 + Q煤壁 + Q采空区 (5)
将Q落煤、Q煤壁、Q采空区得测得的数据代入上式，得：
Q = 2.93 m3/min
通过上面统计分析，2609工作面瓦斯涌出量来源于煤壁、落煤和采空区的比例如下：
C煤壁 = Q煤壁/Q × 100% = 33%
C落煤 = Q落煤/Q × 100% = 44%
C采空区 = Q采空区/Q × 100% = 23%
3.2. 掘进工作面瓦斯来源及构成
掘进工作面瓦斯包括暴露煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出两部分。这两个瓦斯涌出源的瓦斯涌出构成不是固定不变的，它们随巷道长度的变化而变化。在某一巷道长度条件下这两个涌出源的涌出构成采用如下方法测定：
1) 选择正在掘进的工作面，测定装运煤工作结束且无其它施工作业时段的掘进工作面瓦斯涌出量(测风量和瓦斯浓度)，此值即为对应巷长下的掘进工作面煤壁瓦斯涌出量Q煤壁；
2) 在相同巷长条件下，选择正常掘进作业时段，测定掘进落煤期间，巷道的瓦斯涌出总量的平均值Q (多次测值平均)将此值减去1)中所测的Q煤壁即为掘进工作面落煤瓦斯涌出量Q落煤；
3) 掘进工作面瓦斯涌出来源构成按下列公式计算：
C煤壁 = Q煤壁/Q × 100% (6)
C落煤 = Q落煤/Q × 100% (7)
式(6)，(7)中C煤壁、C落煤—分别是掘进工作面煤壁、落煤瓦斯涌出比例，%；
Q煤壁、Q落煤——分别是掘进工作面煤壁、落煤瓦斯涌出量，m3/min。
通过对2609掘进工作面进行跟踪测定，得到的测试数据曲线见图3。
其平均涌出瓦斯量为：
Q停机段 = 1.27 m3/min; Q开机段 = 1.53 m3/min
Figure 3. Gas emission curve of tunneling working face
图3. 掘进工作面瓦斯涌出曲线
停机时段瓦斯涌出量实际上是煤壁(包括打锚杆孔)瓦斯涌出量，开机时段瓦斯涌出量包括落煤瓦斯涌出量和煤壁(包括打锚杆孔)瓦斯涌出量。所以煤壁和落煤瓦斯涌出量分别为：Q煤壁 = 1.27 m3/min，Q落煤 = 0.26 m3/min；由此计算得出煤壁、落煤瓦斯涌出比例分别为：C煤壁 = 83%，C落煤 = 17%。
4. 分源比例法预测瓦斯涌出量
4.1. 分源比例法的思想
相同的矿区由于相同的开采技术条件，具有相同的地质条件，所以瓦斯来源应相同，其比例也相同。某煤矿在井下作业时发现，回采工作面煤壁瓦斯涌出量与掘进工作面煤壁瓦斯涌出量存在一个近似稳定的比例关系，即Q回采壁/Q掘进壁 = 3/4，命名为采掘瓦斯平衡系数B。故此，可以在布置回采巷道阶段就可以通过测量掘进煤壁瓦斯涌出量预测回采工作面煤壁瓦斯涌出量。继而通过回采掘进工作面各瓦斯来源的比例关系对回采工作面、掘进工作面瓦斯涌出量进行预测，进而达到预测采区和矿井瓦斯涌出量的目的。
4.2. 分源比例法的应用
(1) 比例法预测回采面煤壁瓦斯涌出量
2611工作面具有与2609工作面相同的地质条件，开采技术条件，故采掘瓦斯平衡系数相等。在2611掘进期间测得掘进工作面瓦斯涌出量为1.58 m3/min，比2609工作面掘进瓦斯涌出量高，这是因为邻近2609采空区所致，2611掘进工作面与2611回采工作面同时受到2609采空区影响，瓦斯增长比例应相等。采掘瓦斯平衡系数B依然不变。已经测得在2611掘进期间测得掘进工作面瓦斯涌出量为1.58 m3/min，则Q回采壁 = Q掘进壁 × B = 1.19 m3/min.。
(2) 分源法预测回采面掘进面瓦斯涌出量
通过上面统计分析，2609回采工作面瓦斯涌出量来源于煤壁、落煤和采空区的比例如下：
C煤壁 = 33%, C落煤 = 44%, C采空区 = 23%
计算得到2611回采工作面Q = Q煤壁/C煤壁 = 3.56 m3/min
Q落煤 = 1.56 m3/min
Q采空区 = 0.82 m3/min
2609掘进工作面瓦斯涌出量来源于煤壁、落煤的比例如下：
C煤壁 = 83%, C落煤 = 17%。
计算得到2611掘进工作面Q = Q煤壁/C煤壁 = 1.90 m3/min
Q落煤 = 0.32 m3/min
(3) 现场实测瓦斯含量
实测结果见下表1。
由表可知，2611回采工作面回采时瓦斯涌出量预测值为3.56 m3/min，回采工作面检修时瓦斯涌出量预测值为1.99 m3/min，实测结果分别为3.86 m3/min和2.23 m3/min，平均为3.05 m3/min；2611掘进面瓦斯涌出量预测值为1.90 m3/min。实测结果分别为2.16 m3/min和1.79 m3/min，平均为1.98 m3/min。通过数据可以看出，材料道数据偏大，溜子道数据偏小，这可能是材料道回风以及更靠近上一工作面所致。预测值和实测结果相差在15%以内，说明预测结果较为准确，分析比较数据发现运用该方法预测得到的数据偏小。
Table 1. Gas emission measurements results
表1. 瓦斯涌出量实测结果
生产的工作面 |
涌出量预测值(m3/min) |
涌出量实测值(m3/min) |
2611材料道 |
1.90 |
2.16 |
2611溜子道 |
1.90 |
1.79 |
2611回采工作面回采 |
3.56 |
3.86 |
2611回采工作面检修 |
1.99 |
2.23 |
由于该煤矿是单一采区生产，每个采区又是单面生产，所以矿井瓦斯涌出量实质上就是采区瓦斯涌出量，采区瓦斯涌出量实质上就是工作面瓦斯涌出量。该矿矿区工作制为两班采煤一班检修，采煤时瓦斯涌出量为2611回采工作面瓦斯涌出量与2611掘进面瓦斯涌出量之和，即预测值为1.90 + 1.90 + 3.56 = 7.36 m3/min，实测值为2.16 + 1.79 + 3.86 = 7.81 m3/min。检修时瓦斯涌出量为2611回采工作面瓦斯涌出量与2611掘进面瓦斯涌出量之和减去回采时落煤产生的瓦斯涌出量，即预测值为1.90 + 1.90 + 3.55 − 1.56 = 5.80 m3/min，实测值为2.16 + 1.79 + 2.23 = 6.18 m3/min。
5. 结论
(1) 通过比例分源预测法可以在布置回采巷道期间就预测出工作面的瓦斯涌出量，进而预测出采区的瓦斯涌出量，方法简单，快速，成本低。为煤矿瓦斯涌出量快速预测提供了理论依据和实践基础，具有较好的推广应用前景。
(2) 采掘瓦斯平衡系数B在某个矿是常数，但在每个矿都不一样，每个矿可以测定该矿的B值，进而预测出本采区的瓦斯涌出量。
(3) 通过在煤矿运用该方法，预测值和实测结果相差在15%以内，与实测相比偏小。
(4) 比例分源预测法只是在具有相同的开采技术条件和地质条件的矿区，正在布置回采巷道时大致预测瓦斯含量，如若精确预测瓦斯含量，必须采用其他先进方法及精密设备预测。