受采動影響煤層瓦斯賦存及涌出量預測研究

王 偉

（山西安標檢驗認證有限公司，山西 太原 030000）

高山煤業位于大同市云岡區境內高山鎮小窯頭村北，東距大同市約30 km，行政隸屬大同市云岡區高山鎮管轄，礦區面積3.886 4 km2。準備開采9號煤層，9號煤層開采屬于蹬空開采，在其下部的11-2號煤層已回采完畢，12-1號煤層也已大部采空，9號煤層位于11-2和12-1號煤層的采動裂隙帶內。掌握9號煤層的瓦斯賦存情況及涌出量數據，對礦井通風管理、瓦斯治理有著重要作用[1]。

1 礦井地質概況

高山煤業有限公司井田構造總體為軸向北東東或北西，向東傾伏的褶曲，為兩個向斜、兩個背斜組成的褶曲構造，區內大部分地區地層傾角為2°～3°。目前井田內共發現斷層27條，但斷距小，斷層方向基本一致，有一定的規律可循，未發現巖漿巖活動，綜述井田構造復雜程度屬簡單類型。井田內沒有大型構造（斷層）隔開，斷層規模較小，褶曲較為平緩，斷層和褶曲對井田的瓦斯賦存影響較小[2]，整個井田可視為同一個瓦斯地質單元。

2 煤層瓦斯含量測定及煤層瓦斯賦存

2.1 煤層瓦斯含量測定結果

根據高山煤業井下9號煤層實際巷道掘進情況，選擇在一采區軌道巷選取含量測點進行測定，結果見表1。

根據表1，9號煤層的瓦斯含量較小，含量在0.99～1.05 m3/t 之間，可解吸瓦斯含量在0.09～0.22 m3/t 之 間，氣 體 組 分 中CH4濃 度 為15.58%～17.94%，CO2濃度為2.40%～4.14%，N2濃度為77.92%～82.02%。

表1 9號煤層瓦斯含量測定結果表

2.2 煤層瓦斯賦存特征

9號煤層屬于蹬空開采，在其下部的11-2號煤層已回采完畢，12-1號煤層已大部采空。9號煤層下距11-2號煤層28.61～55.54 m，平均41.46 m，12-1號煤層位于11-2號煤層之下0.80～3.82 m，平均值為1.48 m。9號煤層處于11-2和12-1號煤層的采動裂隙帶內，受采動影響，9號煤層原始煤體破壞，瓦斯逸散通道發育，9號煤層部分原始瓦斯已經得到釋放，目前只能測定9號煤層的殘余瓦斯含量。而由于9號煤層的裂隙發育程度不同，瓦斯逸散的程度不均勻，根據表1，9號煤層的殘余瓦斯含量數據分析其煤層瓦斯賦存特征，繪制了9號煤層埋深與瓦斯含量關系圖如圖1，可知9號煤層殘余瓦斯含量與埋深的分布雜亂，無規律性，已經不存在線性關系，因此無法得到9號煤層的最大瓦斯含量。

圖1 9號煤層埋深與瓦斯含量關系圖

根據“瓦斯風化帶判定指標”，9號煤層為不粘煤，選1.5 m3/t作為瓦斯風化帶判定臨界值。9號煤層測定的瓦斯含量最大為1.05 m3/t，換算為可燃基瓦斯含量1.17 m3/t，小于1.5 m3/t。另根據氣體組分數據9號煤層CH4成分為15.58%～17.94%，CO2成分為2.40%～4.14%，N2成分為77.92%～82.02%。綜上，判定9號煤層處于瓦斯風化帶中的氮氣帶、氮氣～甲烷帶[3]。

3 礦井瓦斯涌出量預測

3.1 預測條件

采用分源預測法預測高山煤業開采9號煤層[4]，達產60萬t/a時，礦井最大瓦斯涌出量。9號煤生產時布置1個綜采一次采全高工作面和2個順槽掘進工作面，采掘比為1:2，全部垮落法管理頂板。9號煤層平均厚度0.90 m，工作面回采率取97%，設計工作面長度為160 m。工作面平均日產量1757 t。同時布置2個綜掘工作面，半煤巖巷掘進，掘進速度為200 m/月。運輸順槽掘進工作面凈寬4.6 m，凈高2.3 m，凈斷面10.58 m2，半煤巖巷，日平均出煤量為36 t，巷道長度1400 m。回風順槽掘進工作面凈寬3.2 m，凈高2.3 m，凈斷面7.36 m2，半煤巖巷，日平均出煤量為25 t，巷道長度1400 m。

3.2 9號煤層最大瓦斯含量確定

對分源預測法，煤層最大瓦斯含量是進行預測的核心參數，前已述及，9號煤層位于瓦斯風化帶，無法確定最大瓦斯含量。因此可采用“瓦斯風化帶判定指標”的煤種瓦斯含量指標進行瓦斯涌出量預測。根據煤類劃分9號煤層為不粘煤，根據“瓦斯風化帶判定指標”的瓦斯含量指標，再結合本礦瓦斯含量很小的實際情況，9號煤層取1.5 m3/t作為其最大瓦斯含量。由于1.5 m3/t是干燥無灰基瓦斯含量，需要將其換算成原煤瓦斯含量，計算得到9號煤層最大原煤瓦量為1.35 m3/t。

3.3 鄰近層瓦斯排放率

9號煤層最大厚度為0.90 m，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中的計算公式，頂板冒落帶最大高度為7.07 m，頂板裂隙帶hp最大高度為31.9 m，底板裂隙帶為15.83 m。9號煤層因11-2號和12-1煤層開采而蹬空，9號煤層與12-1號煤層間距44.41 m，根據導水裂隙帶公式，12-1號煤層平均厚度3.27 m，12-1號煤層開采后形成的導水裂隙帶高度為51.79～60.47 m，存在了溝通9號煤層和12-1號煤層的裂隙，12-1號煤層的殘留瓦斯可逸散到9號煤層的工作面。12-1號煤層底板裂隙帶為11.89 m，因此9號煤層的底板破壞影響范圍取44.41+3.27+11.89=59.26 m。根據煤層層間距距離，確定對9號煤層回采工作面瓦斯涌出量有影響的鄰近層有7-3號、8號、10號、11-1號、11-2號、12-1號、13號 和14-2號。9號 煤層采高為0.90 m，小于4.5 m，鄰近層瓦斯排放率按式（1）計算，計算結果見表2。

表2 9煤層鄰近層瓦斯排放率

式中：Ki為鄰近層瓦斯排放率，%；hi為第i鄰近層與開采層垂直距離，m；hp為受采動影響頂底板破壞影響范圍，m。

3.4 鄰近層瓦斯含量

由于鄰近層不具有實測條件，根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》（AQ 1018-2006）中附錄A，該礦井鄰近層的原始瓦斯含量、殘存瓦斯含量參考開采層進行選取。9號煤層上鄰近層7-3號和8號煤層原始瓦斯含量和殘存瓦斯含量按9號煤層取值。9號煤層下鄰近層10、11-1、11-2、13和14-2號煤層原始瓦斯含量和殘存瓦斯含量按12-1號煤層取值，根據《山西煤炭運銷集團高山煤業有限公司12-1號煤層瓦斯地質圖說明書》，12-1號煤層最大原始瓦斯含量2.30 m3/t，殘存瓦斯含量為1.25 m3/t。

9號煤層其上部的8號煤層已開采，7-3號煤層已經隨8號煤層回采時排放部分瓦斯，其原始瓦斯含量需要修正。其下部的11-2和12-1號煤層已開采，下鄰近層的10號、11-1號、13和14-2煤層已經分別隨11-2和12-1號煤層回采時排放部分瓦斯，其原始瓦斯含量需要修正。修正公式按式（2）計算。

式中：WXZ為鄰近層修正后瓦斯涌出量，m3/t；W0為鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；WC為鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；Ki為鄰近層對已回采煤層的瓦斯排放率，%。瓦斯含量修正數據見表3。

表3 9煤層三采區鄰近層瓦斯含量修正表

3.5 預測結果

高山煤業9號煤層達到產量60萬t/a時，礦井最大相對瓦斯涌出量為2.16 m3/t，礦井最大絕對瓦斯涌出量2.73 m3/min，回采工作面最大瓦斯涌出量為1.33 m3/min，掘進工作面最大瓦斯涌出量為0.06 m3/min。開采9號煤層時為低瓦斯礦井。

4 結論

（1）根據含量測定數據，9號煤層的瓦斯含量較小，含量在0.99～1.05 m3/t 之間，9號煤層位于瓦斯風化帶。9號煤層為蹬空開采，受采動影響，9號煤層原始煤體破壞，瓦斯逸散通道發育，瓦斯含量與埋深的分布雜亂，不具有線性關系。

（2）鄰近層的瓦斯含量參考開采層選取，但鄰近層瓦斯含量受已回采煤層采動影響，已經排放了部分瓦斯，因此提出了鄰近層瓦斯含量修正公式，對鄰近層瓦斯含量進行修正。

（3）根據預測結果，9號煤層開采時屬于低瓦斯礦井，采取合理的方法對回采期間的瓦斯進行治理，預防瓦斯超限。