夏店煤礦瓦斯賦存規(guī)律與涌出量預測分析

王永紅

(潞安礦業(yè)集團 慈林山煤業(yè)公司夏店煤礦，山西 襄垣 046200)

夏店煤礦為山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)公司下屬的主力生產(chǎn)礦井之一，位于山西省襄垣縣境內(nèi)，井田面積13.237 3 km2，核定生產(chǎn)能力為1.8 Mt/a。礦井批準開采3#煤層，井田內(nèi)3#煤層埋深80～600 m，厚度為4.10～7.06 m，屬結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可采的厚煤層。

礦井投產(chǎn)以來瓦斯涌出量一直較小，2011年礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果為低瓦斯礦井，礦井絕對瓦斯涌出量為10.18 m3/min，相對瓦斯涌出量為7.39 m3/t。但隨著礦井開采深度的延伸，煤層瓦斯壓力和瓦斯含量呈明顯增大趨勢，特別在3110工作面掘進期間，瓦斯涌出量顯著增加，常發(fā)生回風流瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。實踐證明，煤層瓦斯含量分布存在一定的規(guī)律，找出煤層瓦斯賦存規(guī)律，對于預防或避免瓦斯事故具有重要的現(xiàn)實意義［1－4］。因此，為保證礦井安全高效生產(chǎn)，對3#煤層深部區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律及礦井后期開采瓦斯涌出量大小進行分析和預測很有必要。

1 礦井地質(zhì)概況

1.1 含煤地層

夏店煤礦礦區(qū)內(nèi)廣泛被第四系黃土覆蓋，僅在沖溝和河床兩岸有零星基巖出露，主要出露地層為二迭系上石盒子地層。據(jù)鉆孔資料該區(qū)主要賦存有奧陶系、石炭系本溪組、太原組、二迭系山西組、下石盒子組、上石盒子組地層。

井田內(nèi)的煤層主要分布在二疊系下統(tǒng)的山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。煤層總厚度13.31 m，其中可采煤層有3 層(3#煤層、15－1煤層、15－3煤層)，平均總厚度8.62 m。山西組厚度48.33～71.89 m，平均58.9 m，主要由粗砂巖、中細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，上部為煤層薄而不穩(wěn)定，主要可采的3#煤層發(fā)育在中下部。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)

夏店煤礦井田總體地質(zhì)條件屬于簡單型，井田西北部為一走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角10°～15°，東南部呈褶皺構(gòu)造，中部局部傾角平均約5°～6°，西川斷層附近局部傾角達40°。

1.2.1 褶曲

1)前袁家溝背斜:北起南姚村南，經(jīng)劉家村西、北馬喊、北坡、孔家莊、向家莊至霍村西至該背斜在井田東南部進入礦區(qū)，走向北東，井田內(nèi)長約2 km，兩翼傾角10°～15°。

2)夏店向斜:北起小西莊北，往南經(jīng)南馬喊村西，夏店至王北村西，延伸長4.6 km，其北端伸入礦區(qū)約1.5 km，兩翼傾角10°～15°。

3)夏店背斜:北起小西莊北，往南經(jīng)墁子坡村東，渠街至池巖村東南，延伸長5 km，其北端伸入礦區(qū)約1.5 km，兩翼傾角10°～15°。

1.2.2 斷層

1)西川正斷層:為井田南部邊界，近于東西走向，傾向東南，落差120 m，傾角70°，井田內(nèi)全掩蓋。

2)王家溝逆斷層:為井田西部邊界，南起九龍村南，向北經(jīng)王家溝村東，后王家溝至圪塔頭村北，延伸長7 km，平面形態(tài)呈S 型，傾向北西，傾角45°～61°，落差21～43 m，本礦界內(nèi)3 km，地表黃土覆蓋。

3)東坡正斷層:位于井田東南部，走向北東，傾角74°，延伸長1.5 km，地表黃土覆蓋。

4)北部正斷層:隱狀構(gòu)造，走向北東，傾向北西，傾角50°，落差23 m。

在礦井的向斜軸部，裂隙不發(fā)育，瓦斯比較富集;背斜軸部張性裂隙發(fā)育，瓦斯容易逸散，不利于煤層瓦斯保存。礦井西川正斷層呈東西走向，傾角為70°，造成礦井西部煤層埋深增大，并且3#煤層頂?shù)装鍨槟噘|(zhì)砂巖及泥巖，裂隙不甚發(fā)育，有利于煤層瓦斯的保存，從而形成礦井西部瓦斯大、東部瓦斯小的現(xiàn)象。

2 煤層瓦斯賦存規(guī)律分析

2.1 3#煤層瓦斯含量測定

煤層瓦斯含量是計算瓦斯儲量和瓦斯涌出量的基礎(chǔ)，也是預測煤與瓦斯突出的重要參數(shù)之一，所以準確測定煤層瓦斯含量非常必要［5－6］。采用鉆孔煤屑解吸法對3#煤層瓦斯含量進行了實測。

鉆屑解吸法［7］測定煤層瓦斯含量的原理:井下采集新鮮原始煤樣，實測煤樣瓦斯解吸量，根據(jù)煤樣瓦斯解吸規(guī)律推算取樣過程煤樣的損失瓦斯量，然后測定煤樣的殘存瓦斯量，最后根據(jù)煤樣的取樣損失瓦斯量、瓦斯解吸量、殘存瓦斯量和煤樣重量計算煤層瓦斯含量。結(jié)合夏店煤礦的現(xiàn)場實際條件，在3#煤層選取了5 個測點對該煤層瓦斯含量進行現(xiàn)場測定，測點位置及瓦斯含量測定結(jié)果見表1。

表1 3#煤層地勘鉆孔瓦斯成分測定結(jié)果統(tǒng)計表

根據(jù)《山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)公司夏店煤礦3#煤層補鉆地質(zhì)報告》，采用解吸法采3#煤層瓦斯樣7 個，以往施工用解吸法采3#煤層瓦斯樣6 個，加上建井早期礦井區(qū)內(nèi)采3#煤層瓦斯樣6 個，共19個鉆孔，其瓦斯含量與成分測定結(jié)果統(tǒng)計見表2。

從3#煤層鉆孔煤層瓦斯樣測試結(jié)果來看，3#煤層瓦斯中甲烷(CH4)成分為0～93.74%，平均51.57%;二氧化碳(CO2)成分為0.16%～20.84%，平均4.74%;氮氣(N2)成分為0.81%～92.46%，平均41.67%。根據(jù)煤層瓦斯垂直分帶劃分標準知:礦井3#煤層埋深大于260 m為甲烷帶、小于260 m為瓦斯風化帶。

從地勘鉆孔瓦斯含量來看，測點中ZK5 鉆孔見煤深度390 m，瓦斯含量2.1 m3/t·daf;502 鉆孔見煤深度86 m，瓦斯含量2.7 m3/t·daf;503 鉆孔見煤深度188 m，瓦斯含量1.56 m3/t·daf。因此，按不同煤質(zhì)下瓦斯含量判定，礦井3#煤層瓦斯風化帶下限為260 m。綜合以上情況判定夏店煤礦3#煤層風化帶下限為煤層埋深260 m。由表1 和表2 可以看出，進入瓦斯帶后煤層瓦斯含量逐漸增大，這與現(xiàn)場瓦斯涌出量明顯增加相吻合。

2.2 煤層瓦斯含量分布規(guī)律

影響井田瓦斯含量及分帶的主要因素為煤層埋藏深度和地質(zhì)構(gòu)造。隨著煤層埋藏增加，瓦斯含量總體呈增加趨勢［8］。在斷層附近，由于巖性破碎、裂隙發(fā)育，有利于瓦斯逸散，瓦斯含量相對降低。如3#煤層，在802號鉆孔位于逆斷層附近，瓦斯含量為4.35 m3/t;在井田南部由于斷層發(fā)育，加之西川斷層為導水斷層，地下水的流動也會帶走一部分瓦斯，瓦期含量較低。礦區(qū)西部煤層傾角變大呈俯沖態(tài)，煤層埋深增加且少有斷層等有利于瓦斯逸散的地質(zhì)構(gòu)造，使得煤層瓦斯含量逐漸變大。

在影響煤層瓦斯含量的眾多地質(zhì)因素中，煤層埋深被認為是最具普遍性的因素之一［9］。一般出露于地表的煤層，瓦斯容易逸散，并且空氣也向煤層滲透，導致煤層中的瓦斯含量少，甲烷濃度低。隨著煤層埋藏深度的增加，地應力增高，圍巖的透氣性降低，瓦斯向地表運移的距離也相應增大，這種變化不利于瓦斯的放散。所以，在瓦斯風氧化帶以深，瓦斯含量、涌出量及瓦斯壓力主要隨煤層埋藏深度增加而變大。

表2 3#煤層地勘鉆孔瓦斯成分測定結(jié)果統(tǒng)計表

考慮到夏店煤礦地表部分為第四系黃土層覆蓋，黃土層由于長期的水力沖刷，厚度差異極為明顯，有的區(qū)域基巖出露，而有的區(qū)域黃土層多達100 m 以上，使得相同底板標高處的煤層埋藏深度相差懸殊。為了客觀準確地揭示夏店煤礦井田煤層瓦斯含量沿傾向的分布規(guī)律，對煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度的關(guān)系進行了研究，回歸結(jié)果見圖1。

從圖1 可以看出，3#煤層的瓦斯含量有隨煤層埋藏深度增加而增加的趨勢，且相關(guān)性較好，相關(guān)度可達0.898 4，回歸關(guān)系為:

X—煤層瓦斯含量，m3/t;

H—煤層埋藏深度，m。

圖1 3#煤層瓦斯含量與煤層埋深變化圖

從圖1 可以看出，煤層瓦斯含量增長梯度2.51 m3/t/100 m，夏店煤礦瓦斯含量大致呈西高東低的趨勢。此外，由回歸分析可以看出，井田瓦斯含量變化較大，這直接導致目前開采的礦井深部三一采區(qū)瓦斯涌出量急劇升高，礦井瓦斯等級由原來的低瓦斯礦井升級為高瓦斯礦井。礦井范圍內(nèi)最大瓦斯含量出現(xiàn)在礦井西部三一采區(qū);最小瓦斯含量出現(xiàn)在礦井東部三五采區(qū)。所以，礦井在采掘作業(yè)進入西部三一采區(qū)時應密切注意煤層瓦斯涌出量的變化情況，為瓦斯管理工作及時提供信息。

3 瓦斯涌出量預測

3.1 預測方法

目前，礦井涌出量預測［10］方法主要有兩種:分源預測法和礦山統(tǒng)計預測法。其中分源預測法是目前廣為采用的一種具有世界先進水平的預測方法，預測準確率達到85%以上。礦山統(tǒng)計預測法是一種傳統(tǒng)的預測方法，它根據(jù)瓦斯涌出統(tǒng)計規(guī)律來推算預測地區(qū)的瓦斯涌出量，在具有非常相似的地質(zhì)條件、開采方法時才可以應用，否則，預測率難以保證。

本次測定過程采用分源預測法對礦井進行瓦斯涌出量預測，分源預測法［11］的技術(shù)原理是:根據(jù)煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的構(gòu)成關(guān)系，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律并結(jié)合煤層的賦存條件和開采技術(shù)條件，通過對回采工作面和掘進工作面瓦斯涌出量的計算，達到預測采區(qū)和礦井瓦斯涌出量的目的，礦井瓦斯涌出源匯關(guān)系見圖2。

3.2 預測條件

根據(jù)礦井初步設(shè)計，礦井移交生產(chǎn)后，可劃分為三個時期，第一時期為三一采區(qū)和三五采區(qū)各布置一個綜采工作面同時開采;第二時期和第三時期為三五采區(qū)開采完畢后，三一采區(qū)布置一個綜采工作面開采。

礦井瓦斯涌出量預測具體設(shè)定條件如下:

1)礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為1.8 Mt/a。

基于PoS的共識機制還包括PPCoin[21]、Casper[22]、Snow-White[23]等。

2)第一時期:三一采區(qū)布置一個綜采工作面，長度為210 m;布置兩個綜掘工作面，綜掘斷面積均為13.44 m2，掘進速度為400 m/mon，采區(qū)生產(chǎn)能力為1.5 Mt/a;三五采區(qū)布置一個綜采工作面，長度為150 m;布置兩個掘進工作面，斷面積均為13.44 m2，掘進速度為120 m/mon，采區(qū)生產(chǎn)能力為0.3 Mt/a;掘進產(chǎn)煤量為0.05 Mt/a。

第二時期:三一采區(qū)布置一個綜采工作面，其中工作面產(chǎn)煤1.75 Mt/a，掘進落煤0.05 Mt/a，綜采工作面長度為210 m，布置兩個綜掘工作面，斷面積均為13.44 m2，掘進速度為400 m/mon。

第三時期:三一采區(qū)布置一個綜采工作面，其中工作面產(chǎn)煤1.75 Mt/a，掘進落煤0.05 Mt/a，綜采工作面長度為210 m，布置兩個綜掘工作面，掘進斷面積均為13.44 m2，掘進速度為400 m/mon。

3)根據(jù)煤層賦存情況及采煤方法，工作面回采率分別為96%(數(shù)據(jù)來源于初設(shè))。

4)年工作日330 天。

3.3 瓦斯涌出量預測結(jié)果

回采工作面瓦斯涌出量預測結(jié)果見表3，掘進工作面瓦斯涌出量預測結(jié)果見表4，采區(qū)瓦斯涌出量預測結(jié)果見表5，礦井瓦斯涌出量預測結(jié)果見表6。

表3 回采工作面瓦斯涌出量預測結(jié)果

表4 掘進工作面瓦斯涌出量預測結(jié)果

表5 采區(qū)瓦斯涌出量預測結(jié)果

表6 礦井瓦斯涌出量預測結(jié)果

由表3～6 可以看出:夏店煤礦開采3#煤層時瓦斯涌出量情況如下:

第一時期:三一采區(qū)采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為42.68 m3/min、掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為8.46 m3/min;三五采區(qū)采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為3.73 m3/min、掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.52 m3/min;礦井最大絕對瓦斯涌出量為 91.57 m3/min、最 大 相 對 瓦 斯 涌 出 量為24.18 m3/t。

第二時期:采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為60.73 m3/min、掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為9.58 m3/min;礦井最大絕對瓦斯涌出量為115.04 m3/min、最大相對瓦斯涌出量為30.37 m3/t。

第三時期:采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為63.08 m3/min、掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為9.77 m3/min;礦井最大絕對瓦斯涌出量為123.93 m3/min、最大相對瓦斯涌出量為32.72 m3/t。

4 結(jié)論

1)通過收集、分析地勘鉆孔瓦斯含量資料，得出3#煤層總體瓦斯含量隨著煤層埋深的增加而增大。

2)據(jù)瓦斯含量和瓦斯組分測定結(jié)果得，夏店煤礦3#煤層在埋深大于260 m 時為甲烷帶、小于260 m時為瓦斯風化帶。

3)通過對3#煤層瓦斯含量分布特征進行分析得，煤層隨埋藏深度的關(guān)系為X=0.025 1 H+1.086，結(jié)果表明瓦斯含量增長梯度2.51 m3/t/100 m。

4)應用分源預測法，預測了夏店煤礦礦井開采三個時期瓦斯涌出量情況，在預測范圍內(nèi)各時期采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量均大于5 m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量均大于3 m3/min，礦井最大相對瓦斯涌出量均大于10 m3/t，礦井最大絕對瓦斯涌出量均大于40 m3/min，可以判定夏店煤礦各開采時期均屬于高瓦斯礦井。

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