山西某礦煤層瓦斯涌出量預測研究

田翔宇

（精英數智科技股份有限公司，山西 太原 030031）

0 引言

隨著我國煤礦開采深度和強度的不斷增加，受深部高應力疊加強烈采動影響，瓦斯突出危險性愈發明顯[1-2]。煤層瓦斯涌出量不確定是造成煤與瓦斯突出的重要原因[3]。因此，準確預測煤層瓦斯涌出量對于防止瓦斯突出至關重要。在瓦斯涌出量預測方面，前人做了大量研究，然而很少同時考慮多方面現場因素[4]。煤層瓦斯含量與埋藏深度、圍巖情況、井田地質構造等條件密切相關[5-6]。需要綜合各個現場因素對瓦斯涌出量進行預測。

1 礦井概況

山西某礦礦井井田面積53.325 km2，證載能力為360 萬t/a，剩余可采儲量4.55 億t，剩余服務年限90 a。礦井采用平硐開拓，條帶式開采。生產采區為+973 m水平三采區、五采區，+860 m 水平二采區、八采區。采用傾斜長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤，采空區處理為全部垮落法；煤巷為機掘；巖巷為炮掘。

主采煤層2#、4#、8#、9#四層煤，井田內各主要可采煤層以瘦煤為主，貧煤、焦煤次之。煤層總厚13.4 m，煤系地層總厚155.88 m，可采含煤系數為8.31%。礦井為煤與瓦斯突出礦井。2022 年瓦斯涌出量測定結果，絕對瓦斯涌出量113.74 m3/min，相對瓦斯涌出量14.47 m3/t。礦井嚴格按要求執行兩個“四位一體”綜合防突措施，定期測定、收集、整理井下瓦斯參數，完善瓦斯地質圖和防突預測圖，確保采掘作業均在防突效果有效范圍內進行。

山西某礦安全監控系統于2005 年安裝并與集團公司監控中心聯網，現在使用2019 年升級改造完成的KJ90X 型監控系統，該系統配備服務器兩臺實現熱備份。機房實行雙回路熱備供電，配有在線式UPS電源，系統斷電后能持續供電不少于6 h。目前，礦井安裝使用監控分站54 臺，各種傳感器456 臺，其中高低濃度甲烷傳感器94 臺、一氧化碳傳感器78 臺、溫度傳感器46 臺、斷電饋電儀31 臺、其他傳感器207 臺。

周邊相鄰礦井瓦斯等級分別為：杜兒坪礦、西銘礦屬高瓦斯礦井、屯蘭礦屬于煤與瓦斯突出礦井，西曲礦屬低瓦斯礦井。

2 礦井瓦斯賦存規律

2.1 埋深對瓦斯含量影響

煤層瓦斯含量沿傾向分布規律常用瓦斯含量與上覆基巖厚度之間關系表示，埋深往往直接影響成煤過程中產生的瓦斯在煤層中保存條件的好壞。根據勘探及相關資料顯示，煤層埋深是影響山西某礦瓦斯含量的主要原因。

2#煤層、4#煤層、8#煤層、9#煤層瓦斯含量與煤層埋深回歸方程結果分別如下公式（1）～式（4）所示：

式中：H 為煤層埋深，W 為瓦斯含量。這些關系能客觀地表明煤層瓦斯含量沿傾向的分布規律。經計算后得知，山西某礦煤層埋藏深度自北向南逐漸增大，煤層瓦斯含量從北向南逐漸增大。

通過對實際測量，得出了2008—2019 年煤層瓦斯絕對和相對瓦斯涌出量。如圖1 所示。相對瓦斯涌出量與絕對瓦斯涌出量變化趨勢基本保持一致，在反復震蕩中不斷上升。這是因為隨著開采的不斷進行，煤層深度下降，所受地應力也隨之增加，導致瓦斯涌出量不斷升高。瓦斯涌出量的增加對于煤礦安全影響重大。需要對后續瓦斯涌出量加以預測，從而為煤礦瓦斯突出防治提供相應的數據支撐。

圖1 瓦斯絕對和相對涌出量

2.2 圍巖對瓦斯含量的影響

煤層周圍一定范圍內，影響煤層穩定性的巖體稱為煤層圍巖，包括直接底、老頂和直接頂。圍巖的透氣性能對煤層瓦斯含量影響較大。2#和4#煤層頂板多為粉砂巖和砂質泥巖，這些圍巖裂隙較多，有助于煤層瓦斯逸散。8#煤層頂板為石灰巖，該巖石裂隙較少，完整性較強，煤層瓦斯不易逸散。當9#煤層與8#煤層間距較大時，頂板為較致密的砂巖，瓦斯容易集聚，當與8#下煤間距較近時，頂板變為不致密的砂質泥巖、粉砂巖，瓦斯易逸散。

2.3 井田的地質構造對礦井瓦斯含量的影響

煤礦內陷落柱和斷層較為發育，使煤巖層透氣性增大。截止到2019 年11 月底，山西某礦井田內已發現604 個陷落柱，其中2014—2019 年11 月底共發現陷落柱133 個，大部分分布在三采區、五采區和八采區。陷落柱周圍常伴有裂隙，陷落柱內煤、巖塊混雜，透氣性較好。同時煤層節理較發育，給瓦斯的擴散提供一定的通道，地質構造對瓦斯賦存影響較大，呈駝峰效應。

2.4 地下水對煤層瓦斯含量的影響

受到山西某礦的地質構造影響，大范圍煤礦北部的煤層露頭為地下水補給區域，隨之向深部延申，逐漸變為滯留區。因此由北向南瓦斯含量逐漸增加。由于地下水在太原組煤層地下活動強烈，導致山西組煤層瓦斯含量在垂直方向上高于太原組。

2.5 礦井瓦斯分區

綜合分析上述四種控制因素與山西某礦二十余年的采掘資料，礦井瓦斯分布差距顯著，瓦斯含量主要趨勢為東低西高、北低南高，下水平遠大于上水平，各采區差別明顯。復雜瓦斯賦存為準確預測瓦斯涌出量增加了難度，需要一種較為可靠準確的預測方法。

3 瓦斯涌出量預測

3.1 礦井瓦斯涌出量預測方法

瓦斯涌出量的準確預測對于煤礦災害防治起著至關重要的作用。并且能夠為礦井通風、煤炭回采、瓦斯抽放等提供數據支撐。將分源預測法用于山西某礦瓦斯涌出量預測。方法原理如圖2 所示。

圖2 礦井瓦斯涌出源匯關系示意圖

3.1.1 開采煤層（包括圍巖）瓦斯涌出量[如公式（5）]

式中：q1為開采煤層（包括圍巖）相對瓦斯涌出量，m3/t；k1為圍巖瓦斯涌出系數，對于陷落法頂板管理的工作面，取k1=1.2；k2為工作面丟煤瓦斯涌出系數，其值為工作面回采率的倒數，2#煤層工作面回采率按80%，則k2=1.25；k3—順槽掘進預排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數。m0為煤層厚度，m，2#煤層平均厚度m0＝1.42 m；m1為煤層采高，m；X0為煤層瓦斯含量，m3/t，X1為煤的殘存瓦斯含量，m3/t。

3.1.2 鄰近層瓦斯涌出量[如公式（6）]

式中：q2為鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i 個鄰近層厚度，m；m1為開采層的開采厚度，m；X0i為第i 鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；X1i為第i 鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t，取X1i為=2.41 m3/t；ki為取決于層間距離的第i 鄰近層瓦斯排放率。

3.2 礦井瓦斯量預測

根據2019 年度山西焦煤有限責任公司山西某礦測定的瓦斯等級鑒定結果，全礦井相對瓦斯涌出量為17.74 m3/t；由未來五年采掘銜接圖疊加礦井瓦斯地質圖可預測未來五年各煤層采掘工作面瓦斯絕對涌出量和相對涌出量值，具體情況如圖3 所示。

圖3 五年各煤層采掘工作面瓦斯絕對涌出量和相對涌出量值

由圖3 可知，從2019 年以后，未來五年礦井瓦斯絕對涌出量預測值和相對涌出量預測值趨勢基本一致，呈現出先下降后上升，再下降最后上升的趨勢。最大相對瓦斯涌出量為14.32～31.01 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為109～236 m3/min。對比2020 年、2021 年實際瓦斯涌出相關數值，與預測值基本吻合。

4 結論

1）從煤層埋藏深度、圍巖、井田地質構造、地下動水、礦井瓦斯區分共五個方面對煤層瓦斯含量進行了探討。

2）使用分源預測法預測山西某礦瓦斯涌出量。并結合相關地質和開采條件，提升計算準確率，從而完成瓦斯涌出量預測。

3）在獲取煤層瓦斯含量的基礎上，對各煤層瓦斯涌出量進行了預測。結果表明產量4.0 Mt/a 時，從2021 年開始未來五年礦井最大相對瓦斯涌出量為14.32～31.01 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為109～236 m3/min。對比2021 年、2022 年實際瓦斯涌出相關數值，與預測值基本吻合。