基于瓦斯風(fēng)化帶判定指標(biāo)的礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)研究

李瑞林 王 偉

（山西安標(biāo)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，山西 太原 030000）

瓦斯涌出量數(shù)據(jù)是礦井進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)、瓦斯治理關(guān)鍵性基礎(chǔ)參數(shù)[1]。新建礦井、開采新煤層和開采新水平都必須進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)[2]，最常用的方法是礦山統(tǒng)計(jì)法和分源預(yù)測(cè)法。礦山統(tǒng)計(jì)法并不適用瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)的煤層[3]，只能采用分源預(yù)測(cè)法。對(duì)分源預(yù)測(cè)法，如何確定瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)煤層最大瓦斯含量是預(yù)測(cè)成功的關(guān)鍵。

簸箕掌煤業(yè)位于大同市馬道頭鄉(xiāng)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬t/a。礦井屬于基建階段，準(zhǔn)備開采19#煤層，因此預(yù)測(cè)19#煤層瓦斯涌出量對(duì)礦井下一步瓦斯治理和通風(fēng)管理具有重要的指導(dǎo)意義。本文根據(jù)瓦斯風(fēng)化帶判定指標(biāo)，提出一種確定瓦斯風(fēng)化帶煤層最大瓦斯含量的新途徑，為風(fēng)化帶內(nèi)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)提供了新的方法。

1 煤層瓦斯含量測(cè)定

簸箕掌煤業(yè)井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及校正后的地勘瓦斯含量數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)表1 可知，19#煤層的瓦斯含量較小，含量在0.22～0.44 m3/t 之間，最大瓦斯含量為0.44 m3/t。殘存瓦斯含量在0.14～0.25 m3/t 之間，最小殘存瓦斯含量為0.14 m3/t。氣體組分中CH4濃度為2.15%～24.16%，平均濃度為11.21%；CO2濃度為0.00%～3.25%，平均濃度為1.68%；N2濃度為73.76%～94.79%，平均濃度為87.41%。

2 煤層瓦斯賦存特征

簸箕掌井田位于大同向斜的中東部，井田總體構(gòu)造形態(tài)為一傾向北、走向近東西的單斜構(gòu)造，地層傾角3°～5°。井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)7 條正斷層，其中中南部的有三條近東西向的正斷層，使井田形成了地壘、地塹構(gòu)造格局。

煤層瓦斯含量較低的原因：（1）簸箕掌煤業(yè)19#煤層屬于變質(zhì)程度較低的氣煤，在整個(gè)成煤過程中生成的瓦斯量較小，且其吸附能力也較小，是導(dǎo)致目前煤層中瓦斯含量較小的主要原因。（2）19#煤層埋深最深處約為310 m，最淺約為160 m，較淺的煤層埋藏為瓦斯的逸散提供了有利的條件。（3）井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，共發(fā)現(xiàn)7 條斷層，在井田內(nèi)斷層均為張性正斷層，屬于開放性斷層，有利于瓦斯釋放。

煤層瓦斯賦存沿垂向分為瓦斯風(fēng)化帶和CH4帶。瓦斯風(fēng)化帶可細(xì)分為CO2-N2帶、N2帶、和N2-CH4帶[4]。根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)，19#煤層埋深297 m 處于N2帶，而井田范圍內(nèi)的最大埋深為310 m，埋深為310 m 處極大可能仍處于N2帶，最多進(jìn)入到N2-CH4帶，不會(huì)跨越式地躍遷進(jìn)去甲烷帶，推斷19#煤層屬于瓦斯風(fēng)化帶。以往研究表明，在CH4帶內(nèi)煤層瓦斯含量一般會(huì)隨煤層埋藏深度的增加有增大的趨勢(shì)[5]，而在瓦斯風(fēng)化帶中的煤層瓦斯含量賦存不均衡，無明顯規(guī)律[6]。

根據(jù)表1 的瓦斯含量數(shù)據(jù)分析19#煤層瓦斯含量分布規(guī)律，繪制了19#煤層瓦斯含量與埋深分布散點(diǎn)圖，如圖1 所示。根據(jù)圖示，19#煤層瓦斯含量與埋深的分布散亂，不具有規(guī)律性，無法得到瓦斯含量與埋深的線性關(guān)系，不能確定19#煤層內(nèi)的最大瓦斯含量。

表1 19#煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果表

圖1 19#煤層瓦斯含量與埋深分布散點(diǎn)圖

3 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

3.1 預(yù)測(cè)含量的選擇

對(duì)分源預(yù)測(cè)法來說，預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)的最大瓦斯含量是進(jìn)行預(yù)測(cè)的關(guān)鍵性參數(shù)，而根據(jù)瓦斯賦存特征，19#煤層位于瓦斯風(fēng)化帶，無法確定最大瓦斯含量。因此可采用“瓦斯風(fēng)化帶判定指標(biāo)”的煤種瓦斯含量指標(biāo)進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，如表2 所示。根據(jù)《煤層瓦斯風(fēng)化帶確定方法》（MT/T 1174-2019）中的瓦斯風(fēng)化帶判定準(zhǔn)則：當(dāng)煙煤和無煙煤瓦斯組分分析結(jié)果中甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)小于80%且可燃基瓦斯含量Wr滿足下列條件時(shí)，則指標(biāo)測(cè)定點(diǎn)處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)。

表2 不同煤種瓦斯風(fēng)化帶判定指標(biāo)

根據(jù)煤類劃分，19#煤層為氣煤；根據(jù)“瓦斯風(fēng)化帶判定指標(biāo)”的瓦斯含量指標(biāo)，19#煤層取1.5 m3/t 作為其最大可燃基瓦斯含量。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告中19#煤層的平均水分（Mad）為1.10%，平均灰分（Ad）為31.53%，換算成原煤瓦斯含量為1.01 m3/t。

3.2 預(yù)測(cè)條件

19#煤層生產(chǎn)能力為120 萬t/a，布置1 個(gè)回采工作面和2 個(gè)順槽掘進(jìn)工作面，全部垮落法管理頂板。19#煤層平均厚度9.89 m，為特厚煤層?；夭晒ぷ髅婊夭陕嗜?3%，工作面長(zhǎng)度為210 m，工作面平均產(chǎn)量3122 t/d。掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度為300米/月，掘進(jìn)工作面凈寬5.2 m，凈高3.5 m，凈斷面為18.20 m2，平均出煤量為257 t/d，巷道長(zhǎng)度為1600 m。9 號(hào)煤層平均厚度為9.89 m，頂板垮落帶最大高度為29.40 m，上鄰近層16上#、16#和18#煤層均位于19#煤層的垮落帶中，鄰近層瓦斯排放率均取100%。19#煤層殘存瓦斯含量取歷次殘存瓦斯含量的最小值0.14 m3/t。

3.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

將預(yù)測(cè)參數(shù)帶入，經(jīng)計(jì)算可知19#煤層達(dá)產(chǎn)120 萬t/a 時(shí)，礦井最大相對(duì)和絕對(duì)瓦斯涌出量分別為2.24 m3/t 和5.66 m3/min，回采面最大瓦斯涌出量為2.93 m3/min，掘進(jìn)面最大瓦斯涌出量為0.49 m3/min，簸萁掌煤業(yè)開采19#煤層時(shí)為低瓦斯礦井。同時(shí)礦井相對(duì)瓦斯涌出量為2.24 m3/t，小于3 m3/t，也驗(yàn)證了19#煤層位于瓦斯風(fēng)化帶的結(jié)論。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)了礦井建設(shè)期間的瓦斯涌出量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量2.09 m3/min，掘進(jìn)面瓦斯涌出量為0.34 m3/min。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，掘進(jìn)工作面的瓦斯不均衡涌出系數(shù)取1.5，因此掘進(jìn)面的最高絕對(duì)瓦斯涌出量為0.51 m3/min。將實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表3，相對(duì)誤差為3.92%，小于5%，滿足實(shí)際需求。

表3 預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

（1）根據(jù)瓦斯含量測(cè)定結(jié)果，19#煤層的瓦斯含量較小，含量為0.22～0.44 m3/t，殘存瓦斯含量為0.14～0.25 m3/t。瓦斯氣體中N2最多，平均濃度為87.41%；其次為CH4，平均濃度為11.21%；CO2最少，平均濃度為1.68%。19#煤層位于瓦斯風(fēng)化帶。

（2）19#煤層變質(zhì)程度較低是瓦斯含量較低的主要原因，其次，埋藏深度淺和斷裂構(gòu)造較發(fā)育為瓦斯的逸散提供了有利的條件。

（3）19#煤層為氣煤，根據(jù)“瓦斯風(fēng)化帶判定指標(biāo)”的煤種瓦斯含量指標(biāo)，19#煤層取1.5 m3/t 作為其最大可燃基瓦斯含量，進(jìn)行涌出量預(yù)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和該方法的預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為3.92%，小于5%，滿足實(shí)際需求。因此其他瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)的煤層可根據(jù)煤種選擇相應(yīng)的煤種瓦斯含量，作為煤層最大瓦斯含量進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。