大通煤礦3#煤層瓦斯賦存特征及涌出量預測

李偉偉

（晉能控股集團晉城公司大通煤業，山西 高平 046700）

瓦斯指煤層中易燃易爆性氣體總稱，通常是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、乙炔（C2H2）等氣體的統稱，其中甲烷占據絕對的含量[1]。甲烷的生成伴隨著成煤全過程，以及成煤后在盆地中演化二次生氣等一系列過程。在最后一期生氣事件結束后，原生甲烷含量會趨于穩定。但煤層形成后，經歷多次區域大的構造運動以及小規模范圍內構造事件，地層以及煤層發生層滑作用、錯動等行為，導致瓦斯在煤層內和鄰近層發生氣體運移現象，甚至在應力集中區發生“氣包”現象。在采煤過程中若未及時探知并將隱蔽災害排除，則發生嚴重安全事故。目前我國有數據可查高瓦斯煤礦840 座，其中發生瓦斯突出煤礦719 處[2]，因此瓦斯突出預測以及治理是安全生產重任。

目前學者對煤礦瓦斯賦存特征研究以及影響因素可歸納為區域/礦區地質構造、煤層頂底板封蓋性、煤階/熱演化程度、煤層厚度和埋深5 個方面。一般來說構造急劇變化區域、煤階越高、煤層厚度越大、埋藏深度越大會導致局部富集大量瓦斯。構造急劇變化區域破壞煤層的完整性導致游離瓦斯富集在構造附近，郭德勇等[3]探討了構造應力場對煤與瓦斯突出的控制作用，指出構造應力場控制著煤體結構分布并進一步控制瓦斯的富集與突出。構造應力場作用下導致區域煤層滲透率逐漸降低，瓦斯的含量不僅高，且壓力大，在壓扭性構造帶則常常形成易突出區域。煤熱演化程度反映成煤后有機質富集過程，這一過程煤體內受到干餾作用而形成大量的微孔-裂隙，為瓦斯的富集提供更多的存儲空間[4]。煤層厚度對瓦斯含量的影響在于儲集母體空間的增大[5-6]，埋深為煤提供相對較高壓力和溫度富集瓦斯，該文采用井下煤體采集數據對這一點展開討論。鑒于此，在實際工作中結合礦井自身地質條件，利用生產過程中礦區范圍內實測稀疏點數據實施全礦范圍內瓦斯預測，探究并指出大通煤業井田范圍內瓦斯賦存的規律，指明瓦斯易突出區，提前評判礦井瓦斯危害性，科學指導煤礦安全、透明化開采。

1 概況

大通煤業井田行政區劃隸屬高平市陳區鎮管轄，太行山脈西南側，中朝準地臺內山西中隆起區的中部及南部，沁水塊坳東南部沾尚—武鄉—陽城北北東向褶帶的中南段[7]。主要出露地層奧陶系的馬家溝組和峰峰組，石炭系的本溪組、太原組，二疊系的山西組及石盒子組以及第四系松散層廣泛覆蓋于各時代地層之上（表1）。研究區內體構造為南北向，礦區中部分布南北向-南東北西向背斜，礦區中南部為組合背向斜，中東部則為復向斜，斷層較少（圖1）。大通煤業批準開采山西組3#和太原組15#煤層，生產能力為120 萬t/a。山西組自上而下共含有1～3 層煤，山西組厚約60 m，煤層總厚度約4.95 m。根據鉆孔數據統計含煤系數為8.3%，3 號煤層為全區穩定煤層，厚度介于2.57～7.70 m，平均煤厚達4.56 m，薄煤層分布在構造突變帶，但總體均較厚。根據全區鉆孔數據顯示，煤田范圍內局部存在剝蝕區（ZK2-1），山西組3 號煤厚度總體變化為東南部相對較薄，但中部向北部分均較厚。3 號煤以半亮型煤為主，極少量的半暗型煤，顯微組分顯示以條帶狀亮煤為主，煤中顯微組分測試指示鏡質組極高（～68%），少量惰質組（～22%），極少量或者不見殼質組，礦物組分以黏土礦為主（8%），少量裂隙型碳酸鹽巖礦物（～1.6%）以及極少量的黃鐵礦為特征的硫化物，最大鏡質組反射率介于2.7%～3.1%。根據開采計劃目前開采3#煤層。

圖1 井田構造綱要圖

表1 大通煤礦地層表

2 3#煤層瓦斯含量測定結果及特征

2.1 瓦斯含量測定結果

煤與瓦斯突出是煤體中存儲的瓦斯能和應力能的失穩釋放。針對煤中高濃度甲烷提出先抽后采的策略，有效減少瓦斯量的涌出，預防瓦斯涌出超限，降低開采區、排采區瓦斯積聚，為生產平臺通風創造有利的條件；降低煤層中應力，進行提前釋放，提升采煤安全；綜合開發非常規氣資源；響應藍天保衛戰，將環保進行到底。近年來已經有眾多文獻說明埋深與瓦斯含量的關系，即埋深越大，瓦斯含量越高[8-11]。本次研究基于大通煤礦301 采區、302采區、303 采區工作面大巷以及鉆孔取芯煤巖樣進行了瓦斯氣體解吸分析，對煤體瓦斯含量以及自然瓦斯成分進行了測試。由表2 和圖2 可知，大通煤礦3#煤隨著深度加深瓦斯含量增大，獲得二者線性回歸方程為W=0.005 7H+2.161 8，R2=0.88。3#煤的瓦斯含量每100 m 增加0.57 m3/t。

圖2 埋深與瓦斯含量交匯圖

表2 3#煤瓦斯含量測定表

根據礦井瓦斯含量增長趨勢和3#煤層底板等高線，預測了全區3#煤層瓦斯含量分布圖（圖3）。井田內3#煤層瓦斯含量具有北高南低的特征，根據梯度計算可知：301 采區可采范圍內，由西南向東北方向延伸，埋深越來越大，瓦斯含量遞增，瓦斯最大埋深290 m 處，瓦斯含量最大值為3.59 m3/t；302 采區可采范圍內，由南向北，瓦斯含量逐漸增大，最大埋深240 m 處，瓦斯含量最大值為3.53 m3/t；303 采區可采范圍內，由西向東瓦斯含量逐漸變大，最大埋深300 m 處，瓦斯含量最大值為3.88 m3/t；304 采區可采范圍內，由西向東瓦斯含量逐漸變大，最大埋深350 m 處，瓦斯含量最大值為4.16 m3/t。

圖3 3#煤層瓦斯含量等值線圖

2.2 3#煤層突出危險性預測

煤層瓦斯含量是主要參數之一，可用作評價瓦斯涌出及煤層突出危險性。主采煤層總體處于甲烷—氮氣帶和甲烷帶，3#煤層部分區域處于瓦斯風化帶范圍內，井田內3#煤層瓦斯含量具有北高南低的特征，預測瓦斯含量最大值為4.16 m3/t，小于8 m3/t；周邊煤礦也未發生過瓦斯動力現象，初步認為3#煤層無煤與瓦斯突出危險性。

3 礦井瓦斯涌出量預測

研究采用分源預測法對晉能集團大通煤業的瓦斯涌出量進行預測，在瓦斯風化帶內使用下限指標進行預測[12-13]

3.1 預測條件

1）根據瓦斯涌出量測定報告瓦斯來源分析，礦井瓦斯主要來源于本煤層采煤工作面（圖4）。

圖4 涌出量預測模式圖

2）礦井設計生產能力為年產量120 萬t。按照礦井初步設計，礦井回采工作面日產量為3661 t，工作面運輸順槽掘進斷面為9.10 m2，工作面回風順槽掘進斷面為10.08 m2，掘進速度為360 m/月。依據測試報告，殘存量取值1.98 m3/t，301 采區最大瓦斯含量取3.13 m3/t，302 采區最大瓦斯含量取3.53 m3/t，303 采區最大瓦斯含量取3.88 m3/t，304 采區最大瓦斯含量取4.16 m3/t?；夭晒ぷ髅婧途蜻M工作面瓦斯涌出量預測見表3 及表4。

表3 回采工作面瓦斯涌出量預測結果表

3.2 預測公式

式中：q采為工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；q1為開采層相對瓦斯涌出量，m3/t；q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t。

1）回采面涌出量

式中：k1為圍巖瓦斯涌出系數，取k1=1.3；k2為丟煤瓦斯涌出系數，k2=1.05；k3為長壁后退式回采條件下準備巷道預排瓦斯影響系數；L為回采工作面長度；h為巷道瓦斯預排等值寬度；m為開采層厚度；M為工作面采高；W0為煤層原始瓦斯含量；W1為煤的殘存瓦斯含量。

2）鄰近層涌出量

式中：mi為第i個鄰近層煤層厚度，m；M為工作面采高，m；ηi為第i個鄰近層瓦斯排放率%；Woi為第i個鄰近煤層的原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第i鄰近煤層殘存的瓦斯含量，m3/t。回采工作面瓦斯相對涌出含量鄰近層按0 值計算。

生產采區瓦斯涌出量系采區內所有回采工作面、掘進工作面及采空區瓦斯涌出量之和，生產采區瓦斯涌出量預測結果見表5。

表5 生產采區瓦斯涌出量預測結果

3#煤層在年產量120 萬t 條件下：回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為10.58 m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為2.69 m3/min，采區最大絕對瓦斯涌出量達13 m3/min，礦井最大絕對瓦斯涌出量達14 m3/min，相對瓦斯涌出量約為5.6 m3/t。

4 結論

1）通過對3#煤層瓦斯含量測定獲取埋藏深度與瓦斯含量的關系：W=0.005 7H+2.161 8，R2=0.88，結果顯示呈線性正比關系。

2）主采煤層總體處于甲烷—氮氣帶和甲烷帶，3#煤層部分區域處于瓦斯風化帶范圍內，井田內3#煤層瓦斯含量具有北高南低的特征，預測瓦斯含量最大值為4.16 m3/t，小于8 m3/t，初步認為3#煤層無煤與瓦斯突出危險性。

3）預測礦井最大絕對瓦斯涌出量達14 m3/min，相對瓦斯涌出量約為5.6 m3/t。