分源預(yù)測法在回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測中的應(yīng)用

馬 迅

（河北省煤田地質(zhì)勘查院，河北 邢臺 054000）

瓦斯涌出量預(yù)測是礦井在一定生產(chǎn)時期、生產(chǎn)方式和配產(chǎn)條件下對于下一步生產(chǎn)時瓦斯涌出的預(yù)判。目前隨著科技的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了多種瓦斯預(yù)測方法。本文主要詳細(xì)介紹了分源預(yù)測法，并將該方法應(yīng)用于煤礦進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測。

1 礦區(qū)概況

冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)亨健礦業(yè)有限公司核定生產(chǎn)能力為42 萬t/a，僅開采山西組2#煤，劃分為+100m、-40m、-160m 三個水平，目前+100m、-40m 水平已經(jīng)結(jié)束，-160m 水平有兩個采區(qū)。礦井開拓方式為斜井多水平開拓，開采方法為走向長壁采煤法和傾斜長壁采煤法，對整個煤層一次采全高，頂板管理為自然垮落法，礦井通風(fēng)方式為中央并列抽出式。自2004 年至今，礦井瓦斯歷年等級鑒定結(jié)果均為高瓦斯礦井。2014 年，河北省煤田地質(zhì)勘查院受亨健礦業(yè)有限公司委托，承擔(dān)了其生產(chǎn)礦井地質(zhì)報(bào)告的編制任務(wù)，涉及了瓦斯地質(zhì)工作。

2 地層、構(gòu)造

井田范圍內(nèi)大部分地層被新生界地層所掩蓋，基巖出露很少，地層整體上傾向東或北東向。區(qū)內(nèi)賦存的地層自下而上分別為：奧陶系中統(tǒng)（O2）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）和二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）和二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）、三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l）、第四系（Q）。

主要含煤地層為石炭系本溪組、太原組及二疊系山西組。本溪組含煤1 層，為10#煤層，不穩(wěn)定，不可采，煤厚0.30～0.42m，平均厚度0.35m；太原組含煤8～14 層，煤層總厚度8.45m，含煤系數(shù)為2.7%，其中可采和局部可采煤層5 層，為4、6、7、8、9#煤層，平均厚度7.52m，均勻分布在本組中、下部；山西組含煤4～7 層，煤層總厚度6.04m，含煤系數(shù)7.8%。其中2#煤層為本井田主要可采煤層，平均厚度3.69m。

井田總體構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，并伴有短軸、開闊的小型傾伏褶曲和斷層。大、中型斷層整體上呈北東向展布，均為高角度正斷層，且具有傾角大（一般在70°以上）、延伸遠(yuǎn)的特點(diǎn)。有少量寬緩褶曲存在，地層產(chǎn)狀變化不大。巖漿巖普遍發(fā)育，且厚度巨大，但它是順層侵入，對煤層破壞作用并不十分嚴(yán)重，僅在部分地段侵蝕煤層。

3 煤層

2#煤層作為本井田主要可采煤層， 厚0.83～8.34m，平均3.69m，普遍含一層夾矸，夾矸厚度在0.05～0.71m，一般為0.25m。煤質(zhì)類型均為高度變質(zhì)無煙煤。

4 煤層瓦斯含量分布特征

亨建煤礦位于煤系巖漿活動較強(qiáng)烈的地區(qū)，大規(guī)模的巖漿侵入促使煤層進(jìn)一步變質(zhì)而成為其瓦斯主要來源，并受斷層、褶皺、頂板巖性及埋深等多因素的影響主要儲存于煤層或圍巖中。通過對該礦2#煤層瓦斯含量實(shí)測以及礦井掘進(jìn)時反演的瓦斯含量（見表1），分析瓦斯賦存與埋藏深度的關(guān)系，利用回歸分析，建立瓦斯含量（y）與埋深（x）的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，相關(guān)系數(shù)R=0.9542。

數(shù)學(xué)模型：y=0.0265x-0.8825式中：

x-煤層埋深，m；

y-煤層瓦斯含量，m3/t。

表1 2#煤層實(shí)測、反演含量點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

圖1 煤礦2#煤層瓦斯含量與煤層埋深的關(guān)系

由圖1 可知，2#煤層瓦斯含量梯度為2.65m3/t·100m，在埋深109m、184m、260m、335m、411m處的煤層瓦斯含量趨勢值分別是2m3/t、4m3/t、6m3/t、8m3/t、10m3/t，呈現(xiàn)出煤層瓦斯含量通常與埋藏深度有密切相關(guān)的規(guī)律。煤層埋深越大，瓦斯的有效蓋層厚度越大，瓦斯的賦存條件越好。

5 分源預(yù)測法預(yù)測瓦斯涌出量

分源預(yù)測法是根據(jù)礦井回采工作面的瓦斯涌出源的數(shù)量及各源瓦斯涌出量來預(yù)測礦井瓦斯涌出量的方法。

采用分源預(yù)測法預(yù)測2#煤層回采工作面相對瓦斯涌出量。2#煤層瓦斯來源是2#煤層及上鄰近煤層1#、1下

#，下鄰近煤層3#、4#煤層，分別對其相對瓦斯涌出量進(jìn)行計(jì)算。

（1）2#煤層相對瓦斯涌出量

表2 計(jì)算參數(shù)取值表

其中，2#煤層瓦斯含量W0取埋深184m、260m、335m、411m 處，其瓦斯含量趨勢值分別為4m3/t、6m3/t、8m3/t、10m3/t，計(jì)算出2#煤層相對瓦斯涌出量分別為1.30m3/t、3.91m3/t、6.52m3/t、9.13m3/t。

（2）鄰近層相對瓦斯涌出量

鄰近煤層情況取值見表3。其中，上鄰近層煤層原始瓦斯含量按2 號煤層瓦斯含量的80%取值，下鄰近層按2 號煤層瓦斯含量的1.2 倍取值；第i個鄰近層煤層厚度，mi取值見表3，第i 個鄰近層瓦斯排放率ηi按圖2 選取。

表3 鄰近煤層情況一覽表

圖2 鄰近層瓦斯排放率與層間距的關(guān)系曲線

（3）回采工作面相對瓦斯涌出量

回采工作面相對瓦斯涌出量由開采層及鄰近層相對瓦斯涌出量加和計(jì)算得到，結(jié)果不同埋深及瓦斯含量下的回采工作面的瓦斯涌出量見表4。

表4 回采工作面相對瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

本文建立了瓦斯含量與埋深數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了開采煤層的瓦斯含量梯度及不同埋深下煤層瓦斯含量趨勢值。利用分源預(yù)測法，通過計(jì)算開采層及臨近層的瓦斯涌出量，加和得到回采工作面相對瓦斯涌出量，為煤礦采掘前的通風(fēng)設(shè)計(jì)工作提供了一定依據(jù)。