佳瑞煤業(yè)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)與瓦斯抽放可行性分析

郭建明

(山西潞安化工集團(tuán) 左權(quán)佳瑞煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600)

能源賦存格局決定了煤炭是我國(guó)的主體消費(fèi)能源，在我國(guó)賦存的煤炭資源中，煤層透氣性大多較差，導(dǎo)致煤層富含瓦斯。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在煤礦事故中，瓦斯事故占一半以上，因此，瓦斯治理是煤礦開(kāi)采面臨的一大難點(diǎn)[1-2]。為減少礦井瓦斯災(zāi)害，瓦斯涌出量預(yù)測(cè)和瓦斯抽采技術(shù)是礦井開(kāi)采的必須措施。目前，礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)法主要有兩類(lèi)：建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的礦山統(tǒng)計(jì)法和以煤層瓦斯含量為基礎(chǔ)參數(shù)的分源預(yù)測(cè)法。瓦斯抽采技術(shù)一般有地面瓦斯鉆井、穿層鉆孔、順層鉆孔等[3-5]。

1 工程概況

佳瑞煤業(yè)井田處于沁水煤田的東北部邊緣地段，隸屬于山西潞安礦業(yè)集團(tuán)司馬煤業(yè)有限責(zé)任公司。根據(jù)礦井相關(guān)地質(zhì)資料顯示：井田范圍內(nèi)至上而下共有2、4、8、9、10、11、13、14和15號(hào)煤層共9層煤層，除15號(hào)煤層穩(wěn)定可采外，其余煤層為不穩(wěn)定煤層，均為不可采或者零星可采。15號(hào)煤層位于太原組下段下部，上距K2石灰?guī)r8.06 m，下距K1砂巖8.96 m，煤層厚度4.78～5.81 m，平均厚5.50 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含1～3層夾矸，單層夾矸最大厚度可達(dá)0.41 m，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖，該煤層為井田內(nèi)穩(wěn)定可采的厚煤層。根據(jù)相關(guān)計(jì)算，本礦井瓦斯儲(chǔ)量389.42 Mm3，在礦井瓦斯抽放率為35%的情況下可以抽出136.30 Mm3瓦斯，瓦斯資源較為豐富。15號(hào)煤層瓦斯基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 15號(hào)煤層瓦斯基本參數(shù)

2 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

采用分源預(yù)測(cè)法進(jìn)行礦井瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)，瓦斯涌出來(lái)源主要包括回采工作面、掘進(jìn)工作面、采空區(qū)等。

1) 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。回采工作面瓦斯涌出主要包括開(kāi)采層和鄰近層的瓦斯涌出，開(kāi)采層瓦斯涌出量可由公式(1)計(jì)算，鄰近層瓦斯涌出量按本煤層瓦斯涌出量的90%參與計(jì)算。

(1)

式中：q1為開(kāi)采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；k1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取1.3；k2為丟煤瓦斯涌出系數(shù)，取1.15；k3為預(yù)排瓦斯對(duì)工作面的影響系數(shù)，取0.81；m為開(kāi)采層厚度，取5.5m；M為工作面采高，取5.5 m；W0為開(kāi)采煤層原始瓦斯含量，取11.11 m3/t；WC為殘存瓦斯含量，取3.00 m3/t。

經(jīng)計(jì)算15號(hào)煤層首采工作面本煤層相對(duì)瓦斯涌出量為9.82 m3/t，鄰近層瓦斯涌出量為8.84 m3/t，即15號(hào)煤層首采工作面相對(duì)瓦斯涌出量為18.66 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為33.69 m3/min。

2) 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。主要包括煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出，煤壁瓦斯涌出量可由公式(2)計(jì)算，落煤瓦斯涌出量可由公式(3)計(jì)算。

(2)

qL=Svγ(X0-X1)

(3)

式中：qB為煤壁瓦斯涌出量;D為巷道煤體暴露周邊長(zhǎng)度，取9.7 m；v為巷道平均掘進(jìn)速度，綜掘平均掘進(jìn)速度為0.069 4 m/min，普掘平均掘進(jìn)速度為0.004 63 m/min；q0為煤壁瓦斯涌出初速度，取0.062 9 m3/m2·min；l為巷道長(zhǎng)度，綜掘取800 m，普掘取600 m。

qL為落煤瓦斯涌出量；S為掘進(jìn)巷道斷面積，m2；γ為煤的密度，取1.41 t/m3；X0為煤層原始瓦斯含量；X1為殘存瓦斯含量。

經(jīng)計(jì)算得出，當(dāng)采用普掘時(shí)巷道落煤瓦斯涌出量為0.90 m3/min，采用綜掘時(shí)巷道落煤瓦斯涌出量為1.34 m3/min。礦井達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量時(shí)井下裝備兩個(gè)綜掘、兩個(gè)普掘共兩個(gè)煤巷掘進(jìn)工作面，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量為16.50 m3/min。

3) 采空區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)?？捎晒?4)計(jì)算得到。

(4)

式中：q區(qū)為采空區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量；K＇為采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，取1.4；q采i為第i個(gè)回采工作面瓦斯涌出量；A采i為第i個(gè)平均日產(chǎn)量；q掘i為第i個(gè)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量；A區(qū)i為第i個(gè)采區(qū)平均日產(chǎn)量。計(jì)算得到采空區(qū)瓦斯絕對(duì)涌出量為48.19 m3/min。

綜上所述，結(jié)合本礦井使用綜采生產(chǎn)、采用放頂煤開(kāi)采等因素后，回采工作面和掘進(jìn)工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)值取1.50，采空區(qū)及礦井瓦斯涌出不均衡系數(shù)取1.30，對(duì)礦井最大瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。將不均衡系數(shù)代入后可以預(yù)測(cè)在達(dá)產(chǎn)時(shí)礦井絕對(duì)瓦斯涌出量最大為127.89 m3/min，見(jiàn)表2。

表2 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

3 抽放瓦斯的可行性分析

根據(jù)礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果，可知佳瑞煤業(yè)瓦斯來(lái)源由以下三部分組成：①回采工作面瓦斯涌出；②掘進(jìn)工作面瓦斯涌出；③采空區(qū)瓦斯涌出。各瓦斯源涌出瓦斯占礦井瓦斯涌出的比例見(jiàn)表3。由此可以看出，達(dá)產(chǎn)后的瓦斯涌出構(gòu)成中，回采工作面和采空區(qū)瓦斯涌出量比重較大。

表3 礦井瓦斯涌出量構(gòu)成

3.1 開(kāi)采層瓦斯抽放可行性分析

開(kāi)采層瓦斯抽采的可行性是指在原始透氣性條件進(jìn)行預(yù)抽的可能性，一般用煤層的透氣性系數(shù)和鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)來(lái)判斷?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α為0.057 4 d-1，煤層透氣性系數(shù)λ為0.124 m2/MPa2·d。據(jù)此判定礦井主采的15號(hào)煤層介于可以抽放和較難抽放之間，認(rèn)為佳瑞煤業(yè)15號(hào)煤層屬于可以抽放煤層，但需采取強(qiáng)化抽放措施以保證抽放效果。

3.2 鄰近層瓦斯抽放可行性分析

鄰近層抽放瓦斯技術(shù)是一項(xiàng)成熟的治理瓦斯災(zāi)害的技術(shù)。在中、近距離鄰近層賦存條件下，只要鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)、施工合理，抽放參數(shù)選擇適宜，都能取得較好的抽放瓦斯效果，工作面鄰近層的瓦斯抽采率一般可以達(dá)到40%～90%.佳瑞煤業(yè)將15號(hào)煤層作為首采層開(kāi)采，15號(hào)煤層上部有距離較近的14、13、11、10號(hào)等不可采煤層，采高較大的15號(hào)煤層回采后引起頂?shù)装鍘r層變形，勢(shì)必影響到鄰近層，使鄰近煤層透氣性大大增加，因此，鄰近層瓦斯抽放是可行的。

3.3 采空區(qū)瓦斯抽放可行性分析

佳瑞煤業(yè)整合前已經(jīng)進(jìn)行了多年開(kāi)采，形成了大面積15號(hào)煤層老采空區(qū)，加上以前開(kāi)采工藝比較落后、回采率比較低，導(dǎo)致丟煤比較多，其解吸瓦斯存儲(chǔ)于形成的老采空區(qū)內(nèi)，從目前具有的條件分析，具備采空區(qū)瓦斯抽采的條件，因此，采空區(qū)瓦斯抽放是可行的。

4 瓦斯利用效益分析

經(jīng)計(jì)算，佳瑞煤業(yè)抽放瓦斯系統(tǒng)建設(shè)完成且穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)到預(yù)計(jì)抽放效果時(shí)，礦井瓦斯抽放純量約為47.26 m3/min，年抽放純量在24.84 Mm3以上。按1 m3純瓦斯能產(chǎn)生3.0～3.5 kW·h的能換比計(jì)算，全年發(fā)電量為：47.26×1 440×365×3.0=74.52 MkW·h。按目前電價(jià)0.40元/ kW·h計(jì)算，抽放瓦斯綜合利用后的電能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：74.52×0.4=2 980萬(wàn)元，按年發(fā)電收益40%計(jì)算，年收益為1 192萬(wàn)元。