野川煤業(yè)3#煤層瓦斯涌出量預測

楊旭東

(1.山西煤炭運銷集團晉城有限公司，山西 晉城 048026；2.山西煤炭運銷集團科學技術研究有限公司，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定和礦井瓦斯涌出量預測兩部分，對計算礦井瓦斯蘊藏量，研究煤層瓦斯賦存規(guī)律，判斷煤與瓦斯突出危險性具有重要的意義[1，2]。山西煤炭運銷集團野川煤業(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；底板為泥巖或細砂巖。屬結構簡單的厚煤層。本文以野川煤業(yè)3#煤層作為研究對象，在對周邊礦井進行調研的基礎上，通過井下打鉆、取樣，實驗室分析等方法[3,4]，采用分源法對礦井瓦斯的涌出情況進行預測，提出預測結果。

1 3#煤層瓦斯含量測定及規(guī)律分析

1.1 3#煤層瓦斯含量測定方法

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

1.2 3#煤層瓦斯含量分析

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

表1 3#煤層瓦斯含量測定結果表

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)

相關系數(shù)為0.84。

實驗室測定的這3處位置相應的煤樣氣體組分(CH4、CO2、N2和C2～C8)依次為：運輸大巷掘進頭1 100 m處82.08%、1.18%、16.01%和0.73%；回風大巷掘進頭950 m處91.58%、0.62%、7.41%和0.39%；3104運輸順槽掘進頭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 礦井瓦斯涌出量預測

開采煤層瓦斯涌出量計算見式(2)。

(2)

式中：q1為開采煤層相對瓦斯涌出量，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)內準備巷道預排瓦斯對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為運出礦井后煤的殘存瓦斯含量，m3/t，取實測最小值2.50 m3/t。預測得到的一盤區(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，相對涌出量5.28 m3/t。

當3#煤層開采時，8上、8下、9上、9下、11、12、13、14和16#等9個鄰近煤層可向該煤層涌出瓦斯，3個盤區(qū)的日產量為2 590 t/d時，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測結果分別為7.60 m3/t、7.63 m3/t和5.90 m3/t。

當一盤區(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，掘進工作面長度為600 m，掘進速度為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，即掘進工作面瓦斯涌出量預測結果為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)生產采區(qū)瓦斯涌出量預測結果分別為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全部生產采區(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井為礦井相對瓦斯涌出量，m3/t；q區(qū)i為第i個生產采區(qū)相對瓦斯涌出量，m3/t；Aoi為第i個生產采區(qū)平均日產量，t；K″為已采采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，取1.20。當3個盤區(qū)的日產量為2 590 t/d時，表2為礦井瓦斯涌出量預測結果表。

表2 礦井瓦斯涌出量預測結果表

3 礦井瓦斯涌出構成分析

根據(jù)上述瓦斯涌出量預測結果，礦井、工作面和采空區(qū)的瓦斯涌出量構成主要為：1) 3#煤層開采一盤區(qū)、二盤區(qū)、三盤區(qū)時，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采區(qū)瓦斯涌出為主，已采采區(qū)瓦斯涌出為輔，其中，生產采區(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產量生產3#煤層時，礦井開采一盤區(qū)時最大絕對瓦斯涌出量24.07 m3/min，最大相對涌出量為12.71 m3/t；開采二盤區(qū)時最大絕對瓦斯涌出量24.18 m3/min，最大相對涌出量為12.77 m3/t；開采三盤區(qū)時最大絕對瓦斯涌出量19.22 m3/min，最大相對涌出量為10.15 m3/t。屬高瓦斯礦井。

4 結論

本文以野川煤業(yè)3#煤層作為研究對象，采用鉆孔煤屑解析法對3#煤層的瓦斯含量進行了測定，采用分源法對礦井瓦斯的涌出量進行了預測和構成分析。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，增長梯度為1.69 m3·t-1·100 m-1；以90萬t/a產量生產3#煤層時，礦井最大絕對瓦斯涌出量24.18 m3/min，最大相對涌出量為12.77 m3/t，屬高瓦斯礦井。