原相煤礦瓦斯抽采量預(yù)測研究

王治文，白雪文，劉春剛，張 桉

(1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；3.煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦瓦斯事故已占到煤礦生產(chǎn)過程所發(fā)生事故的80%以上，造成的傷亡人數(shù)占特大事故傷亡人數(shù)的90%[1].準(zhǔn)確地預(yù)測礦井瓦斯涌出量，對預(yù)防煤礦惡性事故的發(fā)生，保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。煤礦瓦斯涌出量是礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、瓦斯防治與管理的重要依據(jù)[2].礦井瓦斯涌出量的預(yù)測方法可以分為礦山統(tǒng)計(jì)法、分源預(yù)測法、瓦斯梯度法、煤層瓦斯含量法和瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型等[3-5].伴隨著煤層開采深度的不斷增加，煤層中的瓦斯含量以及瓦斯涌出量等均隨之增加。通過對煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的測定以及對其數(shù)據(jù)解算，可以判斷出煤層蘊(yùn)藏瓦斯的能力和煤層瓦斯突出是否危險(xiǎn)，是否容易抽采。對煤炭瓦斯各種參數(shù)進(jìn)行有效地測定，同時(shí)弄清楚區(qū)域內(nèi)的瓦斯賦存情況和分布規(guī)律，可以更好地預(yù)防瓦斯事故[6].

1 原相煤礦瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試

瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)主要包括：瓦斯含量的分布情況、煤層中瓦斯的壓力、煤層中的殘存瓦斯含量、煤層的透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)及抽采半徑等[7].

1.1 瓦斯含量分布

原相煤礦原相南北斷層(F165)和原相南正斷層(F168)之間的區(qū)域?yàn)棰裉?hào)瓦斯地質(zhì)單元，原相南正斷層(F168)以南至井田邊界為Ⅱ號(hào)瓦斯地質(zhì)單元，見圖1.

圖1 井田瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐謭D

原相煤礦02、2號(hào)煤層埋藏深度(H)越深，其瓦斯含量(W)越多，在Ⅰ號(hào)瓦斯地質(zhì)單元兩者之間遵循以下線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律：

W=0.019 3H-2.53

(1)

式中：

W—煤層中瓦斯的含量，m3/t；

H—煤層的埋藏深度，m.

Ⅱ號(hào)瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量(W)和埋藏深度(H)之間遵循以下線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律：

W=0.019 1H-1.71

(2)

根據(jù)獲得的瓦斯與埋藏深度規(guī)律，整個(gè)井田內(nèi)02、2號(hào)煤層埋深最淺處約450 m，由此推算02號(hào)煤層最小瓦斯含量為6.16 m3/t；并且2號(hào)煤層中瓦斯含量最低為6.88 m3/t.

《太原華潤煤業(yè)有限公司原相煤礦礦井瓦斯涌出量預(yù)測(02、2號(hào)煤層)報(bào)告》表明，Ⅰ、Ⅱ號(hào)瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)的02、2號(hào)煤層瓦斯含量均是西部小，東部大，由西向東逐漸增高。Ⅰ號(hào)瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)02號(hào)煤層最大瓦斯含量約12.91 m3/t，2號(hào)煤層最大瓦斯含量約13.57 m3/t.Ⅱ號(hào)瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)02號(hào)煤層最大瓦斯含量約14.50 m3/t，2號(hào)煤層最大瓦斯含量約15.20 m3/t，Ⅱ號(hào)瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)的瓦斯含量最高。

1.2 煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院2012年編制的《太原華潤煤業(yè)有限公司原相煤礦02、2號(hào)煤層基礎(chǔ)參數(shù)測試報(bào)告》和2013年11月中國礦業(yè)大學(xué)編制的《太原華潤煤業(yè)有限公司原相煤礦02號(hào)、2號(hào)煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》資料：02和2號(hào)煤層基礎(chǔ)參數(shù)見表1.

表1 02和2號(hào)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)表

從表1中可以得知，滿足殘余瓦斯含量不大于6.0 m3/min且抽采率不小于50%的情況下：02號(hào)煤層順層預(yù)抽鉆孔，當(dāng)其抽采時(shí)間分別為68 d、107 d、201 d時(shí)，鉆孔有效抽采半徑分別為1.5 m、2.0 m、2.5 m，此時(shí)鉆孔間距分別為3.0 m、4.0 m、5.0 m；2號(hào)煤層順層預(yù)抽鉆孔，當(dāng)其抽采時(shí)間分別為92 d、166 d、228 d時(shí)，鉆孔有效抽采半徑分別為1.5 m、2.0 m、2.5 m，此時(shí)鉆孔間距分別為3.0 m、4.0 m、5.0 m.

1.3 瓦斯突出鑒定及突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測

2013年11月中國礦業(yè)大學(xué)出具的《太原華潤煤業(yè)有限公司原相煤礦02號(hào)、2號(hào)煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》，最終鑒定結(jié)論為“太原華潤煤業(yè)有限公司原相煤礦法定礦界內(nèi)的突出煤層是02號(hào)、2號(hào)煤層”。

根據(jù)2016年9月煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司出具的《02、2號(hào)煤層開拓后煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測報(bào)告》：一采區(qū)范圍內(nèi)的02號(hào)煤層埋深于650 m以及深區(qū)域，其中有瓦斯和煤突出危險(xiǎn)性，一采區(qū)范圍內(nèi)的2號(hào)煤層埋深在673 m及以深區(qū)域均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

2 瓦斯涌出量計(jì)算

依據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心編制的《太原華潤煤業(yè)有限公司原相煤礦礦井瓦斯涌出量預(yù)測(02、2號(hào)煤層)》報(bào)告可知：

1)一采區(qū)02號(hào)煤層在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，礦井的絕對瓦斯涌出量最高可達(dá)99.20 m3/min，相對瓦斯涌出量最高可達(dá)52.38 m3/t，而回采工作面的瓦斯涌出量最高為55.92 m3/min，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量最高可達(dá)5.53 m3/min.相比之下，二采區(qū)02號(hào)煤層生產(chǎn)時(shí)，礦井的絕對瓦斯涌出量最高可達(dá)84.81 m3/min，相對瓦斯涌出量最大可達(dá)44.79 m3/t，同時(shí)回采工作面的瓦斯涌出量最高可達(dá)47.65 m3/min，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量最高可達(dá)4.78 m3/min.另外，三采區(qū)02號(hào)煤層生產(chǎn)時(shí)，礦井絕對瓦斯涌出量最高可達(dá)105.13 m3/min，相對瓦斯涌出量最高可達(dá)55.51 m3/t，并且回采工作面瓦斯涌出量最高可達(dá)到59.33 m3/min，同時(shí)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量最大可為5.83 m3/min.

2)一采區(qū)2號(hào)煤層在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，礦井絕對瓦斯涌出量最大可達(dá)31.83 m3/min，相對瓦斯涌出量最高可達(dá)16.81 m3/t，同時(shí)回采工作面的瓦斯涌出量最高可達(dá)16.38 m3/min，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量最高可達(dá)2.89 m3/min；二采區(qū)2號(hào)煤層生產(chǎn)時(shí)，礦井絕對瓦斯涌出量最高可達(dá)26.70 m3/min，相對瓦斯涌出量最高可達(dá)14.10 m3/t，同時(shí)回采工作面的瓦斯涌出量最高可達(dá)13.60 m3/min，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量最高可達(dá)2.51 m3/min.對比前者，三采區(qū)2號(hào)煤層生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，礦井絕對瓦斯涌出量最高值可達(dá)33.27 m3/min，而相對瓦斯涌出量最高可達(dá)17.57 m3/t，并且回采工作面瓦斯涌出量最高可達(dá)17.13 m3/min，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量最大值可達(dá)到2.99 m3/min.

礦井的瓦斯涌出量構(gòu)成見表2，回采工作面的瓦斯涌出量構(gòu)成見表3.

表2 礦井瓦斯涌出量構(gòu)成表

表3 回采工作面瓦斯涌出量構(gòu)成表

根據(jù)預(yù)測結(jié)果與涌出量構(gòu)成表可知：

1)02號(hào)煤層生產(chǎn)時(shí)，礦井絕對瓦斯涌出量為84.81～105.13 m3/min.其中，回采工作面瓦斯涌出為47.65～59.33 m3/min，大約占全礦井瓦斯涌出的56%；掘進(jìn)瓦斯涌出量為6.63～ 7.95 m3/min，占全礦井瓦斯涌出的比例大約是8%；而采空區(qū)瓦斯涌出量為30.53～37.85 m3/min，占全礦井瓦斯涌出比例約為36%.在回采工作面時(shí)，瓦斯涌出在開采層為19.15～23.95 m3/min，在整個(gè)回采工作面瓦斯涌出的占比為40%；瓦斯涌出在領(lǐng)近層為28.51～35.38 m3/min，在整個(gè)回采工作面中瓦斯涌出所占比例為60%.

2)2號(hào)煤層生產(chǎn)時(shí)，礦井瓦斯涌出量為26.70～33.27 m3/min，其中瓦斯涌出在回采工作面時(shí)為13.60～17.13 m3/min，在礦井瓦斯涌出總量的占比51%；而掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量為3.49～4.16 m3/min，占比為13%；同時(shí)采空區(qū)瓦斯的涌出量為9.61～11.98 m3/min，占比為36%.在回采工作面中，瓦斯涌出量在開采層是8.03～10.11 m3/min，在回采工作面瓦斯的涌出量占比為59%；瓦斯涌出量在破斷層為5.57～7.02 m3/min，占比41%.

3)在礦井開采施工02、2號(hào)煤層時(shí)，如果以0.90 Mt/a產(chǎn)能，掘進(jìn)工作面的絕對瓦斯涌出量最高可達(dá)到5.83 m3/min，回采工作面的絕對瓦斯涌出量最高可達(dá)59.33 m3/min，而礦井絕對瓦斯涌出量最大可達(dá)到105.13 m3/min，礦井相對瓦斯涌出量最高可達(dá)55.51 m3/t.

3 礦井應(yīng)抽瓦斯量預(yù)測

根據(jù)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果，針對02號(hào)煤層工作面瓦斯涌出量最大時(shí)期進(jìn)行抽采量預(yù)計(jì)；依據(jù)GB 50471—2018《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于瓦斯抽采量計(jì)算公式進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算。

1)工作面采前預(yù)抽瓦斯量應(yīng)按下式計(jì)算：

Qy=∑Qh+∑Qj+∑Qs

(3)

式中：

Qh—預(yù)抽煤層區(qū)段或工作面回采區(qū)域的瓦斯總量，m3/min；

Qj—預(yù)抽煤巷條帶的瓦斯量，m3/min；

Qs—預(yù)抽石門揭煤區(qū)域的瓦斯量，m3/min.

2)預(yù)抽煤層區(qū)段或工作面回采區(qū)域的瓦斯量按照下述公式計(jì)算：

(4)

式中：

K1—瓦斯的抽采不均衡系數(shù)，取值1.05～1.20，取1.15；

L1—預(yù)抽煤層區(qū)段或工作面的回采區(qū)域?qū)挾龋琺，取工作面走向長度1 200；

L2—預(yù)抽煤層區(qū)段或回采工作面的長度，m，取工作面長度200 m；

M—預(yù)抽煤層平均厚度，m，02號(hào)煤層的平均厚度為1.63；

γ—煤的視密度，t/m3，02號(hào)煤層視密度為1.4；

t—預(yù)抽時(shí)間，年，取300天，即0.83年；

W0—原煤瓦斯含量，m3/t，取14.50；

W1—預(yù)抽達(dá)標(biāo)的瓦斯含量，m3/t.

針對突出煤層來說，預(yù)抽達(dá)標(biāo)瓦斯的含量應(yīng)按照煤層始突深度處的瓦斯含量取值，當(dāng)沒有考察出煤層始突深度處的煤層瓦斯含量時(shí)，應(yīng)該按照8 m3/t取值；瓦斯涌出量主要來源于本煤層的采煤工作面，預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)可解吸瓦斯含量按表取值，即預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)瓦斯含量等于可解吸瓦斯含量與殘存瓦斯含量之和；而對于瓦斯涌出量主要來源于突出煤層的采煤工作面，預(yù)抽達(dá)標(biāo)瓦斯的含量需要同時(shí)滿足上述兩項(xiàng)要求，綜合上述兩項(xiàng)取8 m3/t.

3)回采時(shí)期瓦斯抽采包含了工作面回采期間持續(xù)預(yù)抽本煤層瓦斯、抽采上下臨近層及圍巖的卸壓瓦斯等，回采期間瓦斯的抽采量應(yīng)按照下述公式進(jìn)行計(jì)算：

Qc=∑Qbc+∑Qyc

(5)

Qbc=Qh×Kc

(6)

(7)

式中：

Qbc—工作面回采時(shí)期的本煤層預(yù)抽量，m3/min；

Qyc—鄰近層卸壓瓦斯的抽采量，m3/min；

Kc—工作面回采時(shí)期本煤層的預(yù)抽量與預(yù)抽時(shí)期的抽采量之比，一般取值0.3～0.5，取0.4；

K1—瓦斯抽采的不均衡系數(shù)，取值為1.20～1.50，取1.4；

L3—回采工作面的寬度，m，取200；

L4—回采工作面的年推進(jìn)度，m，根據(jù)計(jì)算大于設(shè)計(jì)工作面走向長度，故取工作面走向長度1 200；

mj—鄰近層煤厚，m，01號(hào)煤0.29 m、1號(hào)煤0.28 m、2號(hào)煤1.83 m、3號(hào)煤0.47 m、4號(hào)煤0.77 m、6號(hào)煤1.22 m；

ηj—鄰近層瓦斯排放率，%，01號(hào)煤87%、1號(hào)煤90%、2號(hào)煤79%、3號(hào)煤65%、4號(hào)煤43%、6號(hào)煤9%；

Ky—鄰近層的卸壓瓦斯抽采率，%.

當(dāng)采用穿層鉆孔進(jìn)行抽采時(shí)，需要依據(jù)布置穿層鉆孔的數(shù)量、鉆孔與終孔的間距和鉆孔控制的卸壓區(qū)域范圍，選取鄰近層瓦斯涌出量的20%～80%，當(dāng)采用高抽巷抽采、高位鉆孔抽采時(shí)，選取鄰近層瓦斯涌出量的20%～60%，取60%.

4)現(xiàn)有采空區(qū)抽采。

生產(chǎn)礦井通過現(xiàn)場實(shí)際考察實(shí)測取值，新建礦井可參考類似礦井取值，也可以取預(yù)抽、卸壓抽后工作面剩余瓦斯涌出量的20%～60%，當(dāng)以鄰近層瓦斯涌出為主的時(shí)候取大值；當(dāng)以本煤層瓦斯涌出為主時(shí)需要取小值。并用風(fēng)量驗(yàn)算回采工作面的瓦斯?jié)舛仁欠癯鱿拗品秶?；?0%.

根據(jù)上述公式及取值，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如下：

1)本煤層預(yù)抽瓦斯量計(jì)算結(jié)果。

將相關(guān)參數(shù)帶入式(4)計(jì)算得02號(hào)煤層工作面采前預(yù)抽瓦斯量：

Qh(02)=

9.38 m3/min

(8)

將與之相關(guān)的參數(shù)帶入式(6)中，并計(jì)算得工作面回采期間本煤層瓦斯的預(yù)抽量為：

Qbc(02)=Qh(02)×Kc=9.38×0.4=3.75 m3/min

(9)

2)鄰近層瓦斯抽采量預(yù)計(jì)結(jié)果。

將相關(guān)參數(shù)帶入式(7)計(jì)算工作面鄰近層瓦斯抽采量。

上鄰近層：

3.35 m3/min

(10)

下鄰近層：

16.81 m3/min

(11)

3)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采量預(yù)計(jì)結(jié)果。

Qxk(02)=

(59.33-9.38-3.75-3.35-16.81)×60%=

15.62 m3/min

(12)

式中：

Qxk—現(xiàn)有的采空區(qū)瓦斯的抽采量，m3/min.

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，工作面總抽采量預(yù)計(jì)為48.91 m3/min，則回采期間還需要風(fēng)排瓦斯量為10.42 m3/min，該部分瓦斯通過合理的通風(fēng)方式可以解決。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，各抽采瓦斯量所占比例關(guān)系如下：

1)本煤層采前噸煤預(yù)抽瓦斯量占原煤可解吸瓦斯量比例為：(15.40-8)/(15.40-2.4)=57%

2)本煤層回采期間預(yù)抽瓦斯量占回采期間瓦斯涌出量比例為：3.75/(59.33-9.38)=8%

3)上鄰近層抽采量占回采期間瓦斯涌出量比例為：3.35/(59.33-9.38)=7%

4)下鄰近層抽采量占回采期間瓦斯涌出量比例為：16.81/(59.33-9.38)=34%

5)現(xiàn)采空區(qū)的瓦斯抽采量所占據(jù)回采期間瓦斯涌出量的比例為：15.62/(59.33-9.38)=31%

6)回采期間總抽采量占回采期間瓦斯涌出量比例為：8%+7%+34%+31%=80%

4 結(jié) 論

經(jīng)過對礦井瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的多次測試，以及瓦斯涌出量的計(jì)算，最后依據(jù)瓦斯涌出量的預(yù)測結(jié)果，針對02號(hào)煤層工作面瓦斯涌出量最大時(shí)期進(jìn)行抽采量預(yù)計(jì)。得出以下結(jié)論：

1)礦井最大瓦斯含量位于包括02號(hào)煤層及2號(hào)煤層在內(nèi)的Ⅱ號(hào)瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)，02號(hào)煤層的最大瓦斯含量大約為14.50 m3/t，2號(hào)煤層的最大瓦斯含量大約為15.20 m3/t，瓦斯突出鑒定以及突出危險(xiǎn)性區(qū)域的預(yù)測結(jié)果表明，02號(hào)及2號(hào)煤層為突出煤層。

2)根據(jù)原相煤礦02、2號(hào)煤層礦井瓦斯涌出量預(yù)測可知，原相煤礦瓦斯治理的重點(diǎn)是02號(hào)煤層回采工作面，主要是針對本煤層瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出，其中關(guān)鍵點(diǎn)是需要解決下鄰近層涌出瓦斯的問題。

3)工作面總抽采量預(yù)計(jì)為48.91 m3/min，回采期間風(fēng)排瓦斯量為10.42 m3/min，該部分瓦斯通過合理的通風(fēng)方式可以解決，并對各抽采瓦斯量所占比例關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，為02號(hào)煤層工作面回采期間瓦斯抽采效果的判斷提供依據(jù)。