楊旭東

(1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)晉城有限公司，山西 晉城 048026；2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

煤層瓦斯涌出量主要包括煤層瓦斯含量測(cè)定和礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)兩部分，對(duì)計(jì)算礦井瓦斯蘊(yùn)藏量，研究煤層瓦斯賦存規(guī)律，判斷煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性具有重要的意義[1，2]。山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)野川煤業(yè)3#煤層位于山西組中下部，上距下石盒子組底砂巖約33 m，下距太原組K6灰?guī)r6 m～18 m，煤層厚度5.30 m～5.99 m，平均厚度5.36 m，含0～1層夾矸，煤層穩(wěn)定。頂板為中粒砂巖、粉砂巖；底板為泥巖或細(xì)砂巖。屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的厚煤層。本文以野川煤業(yè)3#煤層作為研究對(duì)象，在對(duì)周邊礦井進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過井下打鉆、取樣，實(shí)驗(yàn)室分析等方法[3,4]，采用分源法對(duì)礦井瓦斯的涌出情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出預(yù)測(cè)結(jié)果。

1 3#煤層瓦斯含量測(cè)定及規(guī)律分析

1.1 3#煤層瓦斯含量測(cè)定方法

采用鉆孔煤屑解析法測(cè)定3#煤層瓦斯含量，在3#煤層運(yùn)輸大巷掘進(jìn)頭1 100 m處，埋深239 m；回風(fēng)大巷掘進(jìn)頭950 m處，埋深264 m；3104運(yùn)輸順槽掘進(jìn)頭120 m處，埋深245 m等3處位置進(jìn)行打鉆取樣，利用煤層鉆孔采集煤體巖芯，鉆孔直徑42 mm，鉆孔深度18 m。用解吸法直接測(cè)定煤層瓦斯解吸量，井下解吸，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤樣殘存瓦斯量、水分、灰分、揮發(fā)分、煤樣重量、可燃質(zhì)質(zhì)量和瓦斯成分。

1.2 3#煤層瓦斯含量分析

根據(jù)上述測(cè)定方法，得到野川煤業(yè)3#煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果，如表1所示。

表1 3#煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果表

3#煤層瓦斯含量(W)隨埋深(H)的增加而增加，線性公式為式(1)。

W=0.016 9H+3.443 7

(1)

相關(guān)系數(shù)為0.84。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的這3處位置相應(yīng)的煤樣氣體組分(CH4、CO2、N2和C2～C8)依次為：運(yùn)輸大巷掘進(jìn)頭1 100 m處82.08%、1.18%、16.01%和0.73%；回風(fēng)大巷掘進(jìn)頭950 m處91.58%、0.62%、7.41%和0.39%；3104運(yùn)輸順槽掘進(jìn)頭120 m處89.44%、0.85%、4.71%和5.00%。根據(jù)該氣體組分，3#煤層甲烷組分范圍為82.08～91.58%，均大于80%，3#煤層處在甲烷帶；3#煤層瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為1.69 m3·t-1·100 m-1；井田東南部瓦斯含量較低，瓦斯含量值小于4.5 m3/t；井田中部瓦斯含量較高，瓦斯含量值范圍為4.5 m3/t～6.5 m3/t，井田西北部瓦斯含量最大，最大值為7.50 m3/t。

2 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

開采煤層瓦斯涌出量計(jì)算見式(2)。

(2)

式中：q1為開采煤層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，野川煤業(yè)全部垮落法管理頂板，取1.3；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，取1.18；K3為采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù)，取0.86；m為3#煤層厚度，m，取5.57 m；M為工作面采高，m，取5.57 m；W0為煤層瓦斯含量，m3/t；WC為運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量，m3/t，取實(shí)測(cè)最小值2.50 m3/t。預(yù)測(cè)得到的一盤區(qū)瓦斯含量為7.65 m3/t，殘存瓦斯含量為2.50 m3/t，相對(duì)涌出量6.79 m3/t；二盤區(qū)瓦斯含量為7.00 m3/t，殘存瓦斯含量為2.50 m3/t，相對(duì)涌出量6.86 m3/t；三盤區(qū)瓦斯含量為6.50 m3/t，殘存瓦斯含量為2.50 m3/t，相對(duì)涌出量5.28 m3/t。

當(dāng)3#煤層開采時(shí)，8上、8下、9上、9下、11、12、13、14和16#等9個(gè)鄰近煤層可向該煤層涌出瓦斯，3個(gè)盤區(qū)的日產(chǎn)量為2 590 t/d時(shí)，一盤區(qū)、二盤區(qū)和三盤區(qū)的鄰近層瓦斯涌出量分別為0.81 m3/t、0.77 m3/t和0.62 m3/t，得到的一盤區(qū)、二盤區(qū)和三盤區(qū)回采工作面瓦斯涌出預(yù)測(cè)結(jié)果分別為7.60 m3/t、7.63 m3/t和5.90 m3/t。

當(dāng)一盤區(qū)瓦斯含量為7.65 m3/t，二盤區(qū)瓦斯含量為7.00 m3/t，三盤區(qū)瓦斯含量為6.50 m3/t，煤層厚度取5.57 m，掘進(jìn)工作面長(zhǎng)度為600 m，掘進(jìn)速度為400 m/mon，一盤區(qū)、二盤區(qū)和三盤區(qū)煤壁瓦斯涌出量分別為1.09 m3/t、1.10 m3/t和0.82 m3/t，落煤瓦斯涌出量分別為0.67 m3/t、0.68 m3/t和0.52 m3/t，即掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果為1.76 m3/t、1.78 m3/t和1.36 m3/t。同理，一盤區(qū)、二盤區(qū)和三盤區(qū)生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果分別為10.59 m3/t、10.64 m3/t和8.22 m3/t。

礦井瓦斯涌出量包括礦井內(nèi)全部生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量和已采采區(qū)瓦斯涌出量，公式為式(3)。

(3)

式中：q井為礦井相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；q區(qū)i為第i個(gè)生產(chǎn)采區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；Aoi為第i個(gè)生產(chǎn)采區(qū)平均日產(chǎn)量，t；K″為已采采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，取1.20。當(dāng)3個(gè)盤區(qū)的日產(chǎn)量為2 590 t/d時(shí)，表2為礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果表。

表2 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果表

3 礦井瓦斯涌出構(gòu)成分析

根據(jù)上述瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果，礦井、工作面和采空區(qū)的瓦斯涌出量構(gòu)成主要為：1) 3#煤層開采一盤區(qū)、二盤區(qū)、三盤區(qū)時(shí)，回采工作面瓦斯涌出都以開采層為主、鄰近層為輔，其中，開采層瓦斯涌出分別占89.93%、89.87%、89.44%，鄰近層瓦斯涌出分別占10.07%、10.13%、10.56%；2) 瓦斯涌出以回采工作面瓦斯涌出為主、掘進(jìn)瓦斯涌出和采空區(qū)瓦斯涌出為輔，其中，回采工作面瓦斯涌出分別占68.11%、68.09%、68.15%，掘進(jìn)瓦斯涌出分別占8.81%、8.83%、8.73%，采空區(qū)瓦斯涌出分別占23.08%、23.08%、23.12%；3) 礦井瓦斯涌出以生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出為主，已采采區(qū)瓦斯涌出為輔，其中，生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出分別占83.29%、83.33%、81.01%，已采采區(qū)瓦斯涌出分別占16.61%、16.67%、18.99%；4) 野川煤業(yè)以90萬t/a產(chǎn)量生產(chǎn)3#煤層時(shí)，礦井開采一盤區(qū)時(shí)最大絕對(duì)瓦斯涌出量24.07 m3/min，最大相對(duì)涌出量為12.71 m3/t；開采二盤區(qū)時(shí)最大絕對(duì)瓦斯涌出量24.18 m3/min，最大相對(duì)涌出量為12.77 m3/t；開采三盤區(qū)時(shí)最大絕對(duì)瓦斯涌出量19.22 m3/min，最大相對(duì)涌出量為10.15 m3/t。屬高瓦斯礦井。

4 結(jié)論

本文以野川煤業(yè)3#煤層作為研究對(duì)象，采用鉆孔煤屑解析法對(duì)3#煤層的瓦斯含量進(jìn)行了測(cè)定，采用分源法對(duì)礦井瓦斯的涌出量進(jìn)行了預(yù)測(cè)和構(gòu)成分析。指出：3#煤層甲烷組分范圍為82.08～91.58%之間，煤層處在甲烷帶；煤層瓦斯含量隨埋深的增加而增加，增長(zhǎng)梯度為1.69 m3·t-1·100 m-1；以90萬t/a產(chǎn)量生產(chǎn)3#煤層時(shí)，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量24.18 m3/min，最大相對(duì)涌出量為12.77 m3/t，屬高瓦斯礦井。