科興米山煤業(yè)瓦斯賦存規(guī)律與突出危險性預測

廉振華 文昌俊

摘要：為揭示科興米山煤業(yè)15#煤層瓦斯賦存規(guī)律，針對15#煤層瓦斯賦存特點及15111綜采工作面開采條件，對米山煤業(yè)15#煤層的瓦斯參數(shù)進行了測試，編繪了15#煤層瓦斯含量分布預測圖，揭示了其瓦斯賦存規(guī)律;采用分源預測法預測了礦井的瓦斯涌出量，并對煤與瓦斯區(qū)域突出危險性進行了預測。

Abstract： In order to reveal the law of gas occurrence in 15# coal seam of Kexing Mishan Coal Industry， according to the characteristics of gas occurrence in 15# coal seam and mining conditions of 15111 fully mechanized mining face， the gas parameters of 15# coal seam of Mishan Coal Industry were tested， and the gas content distribution prediction map was compiled to reveal the law of gas occurrence. The gas emission volume of mine is predicted by using the method of separate source prediction， and the regional outburst risk of coal and gas is also predicted.

關鍵詞：煤層開采;賦存規(guī)律;瓦斯突出;瓦斯預測

Key words： coal seam mining;occurrence law;gas outburst;gas prediction

中圖分類號：TD712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0111-03

0 ?引言

2017年我國煤炭在一次能源消費中占比為60.4%，在相當長的時期內(nèi)，煤炭作為我國的主導能源不可替代。隨著煤礦開采深度的加深，開采地質(zhì)條件更加復雜，由煤礦瓦斯引起的問題愈發(fā)增多，瓦斯已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素[1-2]。煤層瓦斯賦存規(guī)律研究、涌出量與突出風險性預測是瓦斯防治的基礎，能為煤與瓦斯突出防治提供基礎依據(jù)。

國外的礦井瓦斯涌出量預測方法主要有德國的文特法和英國的艾利法，預測方法呈現(xiàn)綜合化、多元化[3]。我國礦井瓦斯涌出量預測主要采用礦山統(tǒng)計法與分源預測法，隨著科技的快速發(fā)展，尤其在計算機信息技術和數(shù)學方法的迅猛發(fā)展，原有的礦井瓦斯預測方法得到了擴展，開始有了系統(tǒng)預測方法，如速度法、瓦斯地質(zhì)單元數(shù)學方法、神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)預測法和灰色系統(tǒng)理論預測法等。突出區(qū)域預測方法有指標預測法、地質(zhì)預測方法、物探法和數(shù)學物理預測方法。

本文將以針對15#煤層瓦斯賦存特點及15111綜采工作面開采條件，對15#煤層的瓦斯參數(shù)進行測試，編繪瓦斯含量分布預測圖，揭示其瓦斯賦存規(guī)律;在此基礎上，采用分源預測法預測礦井的瓦斯涌出量，并對煤與瓦斯區(qū)域突出危險性進行預測。

1 ?綜采工作面工程概況

1.1 工作面基本情況

山西高平科興米山煤業(yè)有限公司15111綜采工作面位于井田的東部，井下標高750～800m，地面標高898～926m，蓋山厚度約126～148m。15111綜采工作面北部為15112準備工作面，東部為保安煤柱，南部為15110采空區(qū)，西部為15104運輸順槽。工作面所采煤層為15#煤，工作面長度145.5m，走向長度490.0m，煤層平均厚3.0m，煤層傾角3～8°，煤炭可采儲量28.8萬噸。煤層走向東北方向，煤層傾角3～8°，煤質(zhì)較軟，賦存穩(wěn)定。煤層頂板局部破碎或有溶洞。煤層頂板為K2灰?guī)r、泥巖，底板為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖。15111綜采工作面平面位置如圖1所示。

1.2 工作面回采工藝

15111綜采工作面采煤方法為綜合機械化一次采全高采煤法，工作面采高控制在2.4～3.5m，平均采高3.0m?；夭芍锌筛鶕?jù)煤層厚度及時進行調(diào)整，循環(huán)進度0.6m。

1.3 工作面瓦斯情況

根據(jù)礦井瓦斯等級鑒定報告數(shù)據(jù)，2016年礦井最大絕對瓦斯涌出量為1.98m3/min，最大相對瓦斯涌出量為1.04m3/t;2018年最大絕對瓦斯涌出量為2.08m3/min，最大相對瓦斯涌出量為1.69m3/t，該礦屬低瓦斯礦井。

2 ?15#煤層瓦斯賦存規(guī)律研究

2.1 15#煤層瓦斯參數(shù)測試

15#煤層鉆孔瓦斯含量與成分測試結果見表1。

由表1可知，井田15#煤層瓦斯成份以氮氣（N2）為主，占總量的46.53%，其次為二氧化碳（CO2）占總量的37.62%，二者占總量的84.15%，甲烷（CH4）僅占總量的15.85%。

2.2 15#煤層瓦斯賦存規(guī)律

將表1中瓦斯含量與煤層埋藏深度進行線性回歸，回歸結果如圖2所示。

由圖2可看出，該礦15#煤層瓦斯賦存具有如下規(guī)律：

①本井田瓦斯含量不大，原因是煤層上覆基巖厚度不大，生成的瓦斯多已逸散。瓦斯賦存的主控因素是埋深。

②在本井田內(nèi)瓦斯含量與煤層埋深為負相關關系（式（1）），與瓦斯含量隨埋藏深度的增加而增大的一般規(guī)律相反。

③依據(jù)6個鉆孔的瓦斯含量測定結果，瓦斯成分中CH4所占體積比最高為54.64%，未達到80%，說明本井田處于瓦斯風化帶內(nèi)且處于氮氣～甲烷帶。

④從含量的分布情況看，受到王家莊向斜和王家莊背斜的控制，處在背斜軸部的ZK4-1、ZK5-1鉆孔及處在向斜翼部的ZK4-2鉆孔瓦斯含量較高。根據(jù)鉆孔瓦斯含量資料采用插值法編繪了15#煤層瓦斯含量分布預測圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，15#煤層瓦斯含量東部高、西部低，瓦斯含量為1.59～3.65m3/t，平均2.35m3/t。

3 ?礦井瓦斯涌出量預測

3.1 預測方法的選取

采用分源預測法對15#煤層礦井瓦斯涌出量進行預測。分源預測法的技術原理是：根據(jù)煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關系（圖4），利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律并結合煤層的賦存條件和開采技術條件，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。

3.2 預測條件

①根據(jù)礦井布局可以把礦井分為前、中、后三個開采時期，前期開采一盤區(qū)，中期開采二盤區(qū)，后期開采三、四盤區(qū);

②礦井布置一個生產(chǎn)能力為900kt/a的走向長壁綜采工作面，平均采高為2.96m，工作面長度為150m，回采率為95%，一次采全高，頂板管理方法為全部垮落法;

③在生產(chǎn)期間，礦井同時布置2個掘進面，巷道斷面積12m2。巷道掘進速度為400m/mon;

④年工作日為330天，礦井平均日產(chǎn)量為2727t/d。

3.3 瓦斯涌出量預測結果

回采工作面、掘進工作面、生產(chǎn)采區(qū)和礦井瓦斯涌出量分別見表2～表5。

由表5可以看出：

①預測在生產(chǎn)前期階段，礦井最大絕對瓦斯涌出量為3.86m3/min，最大相對瓦斯涌出量為2.04m3/t;

②預測在生產(chǎn)中期階段，礦井最大絕對瓦斯涌出量為9.81m3/min，最大相對瓦斯涌出量為5.18m3/t;

③預測在生產(chǎn)后期階段，礦井最大絕對瓦斯涌出量為7.10m3/min，最大相對瓦斯涌出量為3.75m3/t。

在生產(chǎn)各階段中，中期階段礦井瓦斯涌出量最大。

按照《煤礦瓦斯等級鑒定暫行辦法》，預測科興米山煤業(yè)有限公司煤礦在開采15#煤層時，生產(chǎn)的前、中與后期都屬于瓦斯礦井。

4 ?煤與瓦斯區(qū)域突出危險性預測

煤與瓦斯突出是煤礦井下采掘過程中煤和瓦斯突然涌出并產(chǎn)生巨大動力效應的煤巖動力災害，可能導致瓦斯爆炸，是煤礦事故發(fā)生頻率高、人員傷亡大的地質(zhì)災害。有效進行區(qū)域突出危險性預測可減少防突措施實施的盲目性，增加防突工作的針對性，避免對非突出區(qū)域投入大量人力、財力和物力，有利于保障礦井安全生產(chǎn)。

據(jù)編制的山西高平科興米山煤業(yè)有限公司15#煤層瓦斯地質(zhì)圖：該礦井煤的破壞類型為Ⅰ類，其預測煤層突出危險性四個單項指標中，至少有一個煤的破壞類型小于煤層突出危險臨界值，再根據(jù)本礦井及鄰近煤礦的開采實際，預測本礦15#煤層現(xiàn)采掘位置不存在發(fā)生煤與瓦斯突出危險。

科興米山煤業(yè)礦井15#煤層處于瓦斯風化帶，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中的第四十三條及煤層瓦斯參數(shù)結合瓦斯地質(zhì)分析的區(qū)域預測方法要求，預測本礦15#煤層現(xiàn)采掘位置不存在發(fā)生煤與瓦斯突出危險。

但隨著開采的深度的增加，瓦斯含量和瓦斯壓力也將隨之增大;在地質(zhì)構造區(qū)域，煤體破壞較嚴重，瓦斯壓力較大，建議在今后的生產(chǎn)過程中，應加強相關瓦斯參數(shù)的測定，尤其在地質(zhì)構造帶更應重視。

5 ?礦井瓦斯類型評價

根據(jù)2013年12月31日國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局聯(lián)合下發(fā)的《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》，礦井瓦斯類型分為簡單、中等、復雜、極復雜四種類型，其中煤層瓦斯含量小于4m3/t時定為簡單類型;煤層瓦斯含量大于或等于4m3/t且小于8m3/t時定為中等類型;煤層瓦斯含量大于或等于8m3/t時定為復雜類型;煤與瓦斯突出礦井或按照煤與瓦斯突出礦井管理的定為極復雜類型。

對照上述類型標準，該礦15#煤層瓦斯含量為1.59～3.65m3/t，平均2.35m3/t，礦井15#煤層瓦斯類型屬于簡單類型。

6 ?結論

①根據(jù)礦井瓦斯等級鑒定報告數(shù)據(jù)，2016年礦井最大絕對瓦斯涌出量為1.98m3/min，最大相對瓦斯涌出量為1.04 m3/t;2018年最大絕對瓦斯涌出量為2.08m3/min，最大相對瓦斯涌出量為1.69 m3/t，該礦屬低瓦斯礦井。

②15#煤層瓦斯成份以氮氣（N2）為主，占總量的46.53%，其次為二氧化碳（CO2）占總量的37.62%，二者占總量的84.15%，甲烷（CH4）僅占總量的15.85%。

③15#煤層瓦斯瓦斯賦存的主控因素是埋深，瓦斯含量與煤層埋深為負相關關系，瓦斯成分中CH4所占體積比最高為54.64%，處于瓦斯風化帶內(nèi)且處于氮氣～甲烷帶。

④分源預測法預測結果表明：生產(chǎn)前期、中期、后期的礦井最大相對瓦斯涌出量分別為2.04m3/t、5.18m3/t、3.75m3/t，中期階段礦井瓦斯涌出量最大。

⑤該礦井15#煤層瓦斯類型屬于簡單類型，其處于瓦斯風化帶，不存在煤與瓦斯突出危險。

參考文獻：

[1]胡殿明，林柏泉.煤層瓦斯賦存規(guī)律及防治技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2006.

[2]俞啟香，程遠平，等.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2011.

[3]袁亮，薛生，謝軍.瓦斯含量法預測煤與瓦斯突出的研究與應用[J].煤炭科學技術，2011，39（3）：47-51.