阳泉矿区内石灰岩对瓦斯涌出量预测影响研究

刘 阳， 张树海

(中北大学 化工与环境学院， 山西 太原 030051)

阳泉矿区内石灰岩对瓦斯涌出量预测影响研究

刘 阳， 张树海

(中北大学 化工与环境学院， 山西 太原 030051)

从典型的阳泉矿区南庄煤矿入手， 分析利用现行分源瓦斯预测方法预测量远低于实际瓦斯涌出量的问题， 提出南庄煤矿12号煤层上邻近的石灰岩K2， K3， K4的瓦斯涌出， 使得12号煤层上邻近层实际瓦斯涌出量远大于用传统分源预测法计算出的瓦斯涌出量的原因； 采用矿山统计法和分源预测方法相结合准确计算出南庄煤矿12号煤层上邻近的瓦斯涌出量. 提出阳泉矿区上邻近层与本煤层瓦斯涌出量的比例.

石灰岩； 瓦斯涌出量； 矿山统计法； 阳泉矿区； 分源预测方法

新建煤矿或生产煤矿新水平延深， 都需要进行瓦斯涌出量预测报告编制， 以确定新煤矿、 生产煤矿新水平、 新采区开采后瓦斯涌出量大小， 作为矿井和采区通风设计、 瓦斯抽放设计及瓦斯治理的依据. 2006年我国发布的《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018-2006)行业标准， 瓦斯涌出量预测方法主要有建立在数量统计上的矿山统计预测法和以原煤瓦斯含量为基础的分源预测法两种. 这两种方法适用于绝大多数矿井， 但对于典型的阳泉矿区的煤层进行瓦斯涌出量预测时， 由于石灰岩中含有大量瓦斯的缘故， 单独用矿山统计预测法和分源预测法都不能准确地进行瓦斯涌出量预测. 因此， 准确的预测阳泉矿区邻近层瓦斯涌出量对阳泉矿区的矿井具有重要指导意义.

1 矿井基本情况

图 1 太原组12号煤层上邻近层柱状图Fig.1 Taiyuan No.12 coal seam in upper layer of histogram

南庄煤矿位于山西省阳泉市正南2 km处. 现开采12， 15号煤层， 井田面积12.618 6 km2， 批准生产能力为2.0 Mt/a， 矿井利用斜井开拓， 布置有主斜井、 副斜井、 行人斜井、 回风斜井. 现有一个+594 m 生产水平. 矿井通风方式为分区式， 通风方法为机械抽出式. 12号煤层回采工作面采用U+L型通风方式， 布置一条进风巷、 一条回风巷和外错尾巷. 根据该矿井历年瓦斯等级鉴定批复均为高瓦斯矿井. 根据我们的现场实测数据， 12号煤层原煤瓦斯含量为10.04～14.29 m3/t， 埋深在289～479 m之间， 由东北往西南瓦斯含量随着埋深加深而加大. 12号煤层甲烷组分为88.34%～93.37%， 煤层处于甲烷带.

12号煤层位于太原组， 太原组是本井田主要的含煤地层， 为一套海陆交互相含煤地层. 岩性以深灰～黑色泥岩、 砂质泥岩间夹灰白～深灰色砂岩和深灰色石灰岩为主， 含煤6～8层， 分别为8， 9， 10， 11， 12， 13， 14， 15号煤， 其中12号煤为稳定的大部可采煤层； 15号煤为稳定的全区可采煤层； 其余为零星可采和不可采煤层. 本组厚116.8～139.0 m， 平均厚121.25 m. 12号煤在太原组中部位置， 距K4石灰岩大约8.7 m， 下距K3石灰岩大约5.87 m. 煤层厚度范围为0.18～1.70 m， 平均约1.22 m， 煤层比较稳定， 结构比较简单. 最多含1层夹矸， 夹矸厚度平均0.23 m， 井田内只有南部小区域不可采， 为稳定的大部分可采煤层. 煤层顶板为砂岩、 泥岩， 底板为中、 细砂岩、 泥岩. 12号煤为低灰～中灰， 中高含硫、 高发热量的优质无烟煤.

2 用分源法计算瓦斯涌出量

根据安全标准(AQ1018-2006)《矿井瓦斯涌出量预测方法(不含放顶煤)》， 采用分源法预测南庄煤矿12号煤层瓦斯涌出量， 工作面的日产量为1 151 t， 工作天数为330 d， 3班制.

采煤工作面瓦斯来源于本煤层瓦斯涌出和上下邻近层瓦斯涌出两部分.

q采面=q本+q邻，

(1)

式中：q采面为采煤工作面瓦斯相对涌出量， 单位： m3/t；q本为本煤层瓦斯相对涌出量， 单位： m3/t；q邻为邻近层瓦斯相对涌出量， 单位： m3/t.

1) 本煤层(包括围岩)瓦斯涌出量

q本

式中：q本为本煤层瓦斯相对涌出量， 单位： m3/t；K1为瓦斯涌出系数(围岩)，K1取值范围为1.1～1.3； 全部垮落法顶板管理，K1值为1.3； 南庄矿为垮落法顶板管理取值1.3；K2为回采面瓦斯丢煤涌出系数， 工作面回采率的倒数为其值， 12号煤层的回采率为97%， 计算K2值为1.03；K3为采区内准备巷道预排瓦斯对回采面瓦斯涌出影响的系数， 采用长壁后退式K3=(L-2h)/L，L为回采面长度， 12号煤为180 m，h为瓦斯预排宽度， 12号煤层为无烟煤， 按照150 d取值为10.5 m， 12号煤K3计算为0.88；M为回采面采高， 单位： m；m为本煤层厚度， 单位： m；W0为煤层原始瓦斯含量， 单位： m3/t； 12号煤瓦斯含量为14.00 m3/t；Wc为煤的残存瓦斯含量， 单位： m3/t； 12号煤实测最小值为3.4 m3/t.

表 1 本煤层相对瓦斯涌出量计算表

图 2 邻近层的层间距与瓦斯排放率的关系图Fig.2 Table of the relationship between the layer spacing and the gas emission rate of the adjacent layers

2) 回采面邻近层瓦斯涌出量计算

计算上下邻近层的瓦斯涌出量按式(3)

q邻

式中：Q邻为上下邻近层的相对瓦斯涌出量；mi为上下邻近层得煤层平均厚度， 单位： m；M为回采面的采高， 单位： m；ηi为上下邻近层的瓦斯排放率， %， 可根据本煤层到邻近层到的距离由图 2 查取；Woi为上下邻近层的瓦斯含量；Wci为上下邻近层的残存量.

根据柱状图12号煤层开采时可向12号煤层涌出瓦斯的上邻近层有1， 2， 3， 4， 6， 8， 9， 10， 11共9层， 下邻近层有13， 14， 15号共3层； 邻近层共12层煤， 各邻近层按阳泉区域矿井的各煤层瓦斯含量值取， 其瓦斯相对涌出量见表 2.

表 2 12号煤层4606回采面各邻近层瓦斯涌出量计算表

表 3 采煤面瓦斯涌出量计算表

3 分源预测法预测值准确性分析

3.1 实际瓦斯涌出量的统计

根据南庄煤矿2016年上半年12号煤层4606回采面风排瓦斯量和抽采量， 统计结果见表 4.

表 4 回采面实际瓦斯涌出量统计表

由表 4 的统计结果可以清楚地看出本煤层实际瓦斯涌出量与分源预测法的瓦斯涌出量相对误差范围为-4.11%～1.70%； 邻近层的实际瓦斯涌出量与分源预测法的瓦斯涌出量相对误差范围为247%～265%， 可见邻近层实际瓦斯涌出量是预测值的3.47～3.65倍； 预测值远低于实际瓦斯涌出量.

3.2 理论预测偏小的原因分析

3.2.1 原煤瓦斯含量

采用分源预测法预测瓦斯涌出量时， 原煤瓦斯含量测定位置分布的区域性以及数值测定的准确性都是影响计算瓦斯涌出量的重要指标. 因为阳泉矿区大多都是高瓦斯矿井， 历年对瓦斯含量测定比较重视， 各煤层瓦斯含量值较多也基本准确， 且本矿开采历史较长， 资源仅剩西部一小块资源， 测点分布基本覆盖全井田. 从上面计算也可知本煤层瓦斯含量计算和实际涌出误差也很小， 邻近层的瓦斯含量影响不大.

3.2.2 邻近层其它岩层影响分析

从图 1 可知12号煤层由下往上有： 一层细砂岩、 一层K4石灰岩、 一层泥岩、 两层中砂岩； 但岩石自身不含瓦斯， 且对瓦斯的吸附能力也很弱基本不吸附； 但岩层在裂隙发达的情况下， 也会储存大量的游离瓦斯. 在开采过程中受到采动影响， 岩层中的游离瓦斯就会大量涌出到本煤层中， 大大增加了邻近层瓦斯涌出量， 也就是前面通过计算严重偏小的原因.

3.3 石灰岩中瓦斯的形成

12号煤层的上邻近层有一层K4石灰岩和下邻近层的K3石灰岩. 石灰岩大多在海洋生态中形成， 岩溶孔隙随着演变过程形成. 上下邻近煤层的瓦斯经过长时间的运移进入到石灰岩的这些岩溶孔隙中， 形成游离瓦斯. 其次， 石灰岩中还含有大量的未泥化的海动物化石， 在石灰岩地质年代这些海洋动物也形成烷氢类气体.

综上所述： 在阳泉矿区中邻近层瓦斯涌出量计算时， 考虑石灰岩中的瓦斯才能更准确地预测瓦斯涌出量.

4 石灰岩中瓦斯涌出量的确定

1) 石灰岩中瓦斯都处于游离状态， 直接测定瓦斯含量不可行， 笔者认为只有通过矿山统计法测定煤层开采过程中石灰岩中涌出的瓦斯量.

2) 由表4可知12号煤层在开采过程中本煤层瓦斯涌出量为9.57～10.15 m3/min， 邻近层瓦斯涌出量为87.98～92.49 m3/min之间； 可见邻近层瓦斯涌出量是本煤层的8.87～9.66倍.

3) 根据分源预测法计算邻近层瓦斯涌出是31.73 m3/min， 统计法平均值是90.89 m3/min； 可见石灰岩中涌出瓦斯量为59.16 m3/min， 来源于上邻近层的K4石灰岩和下邻近层的K3石灰岩. 统计法是分源预测法计算邻近层的2.86倍.

5 结 论

1) 阳泉矿区在形成的历史演化过程中在太原组中断赋存有K2， K3， K4石灰岩， 其中石灰岩有大量岩溶孔隙， 形成大量游离瓦斯， 受到采动影响大量涌向开采煤层中.

2) 由于分源预测法只计算煤层的瓦斯涌出量， 忽略了石灰岩的大量瓦斯量， 使得瓦斯涌出量预测偏差巨大， 给矿井的安全生产和瓦斯治理带来隐患.

3) 本文通过统计法和分源预测法相结合， 更准确地计算出阳泉矿区的矿井瓦斯涌出量， 给矿井的日常管理和瓦斯治理提供了可靠的依据.

4) 阳泉矿区由于石灰岩的影响， 邻近层瓦斯涌出量是本煤层瓦斯涌出量大约为9倍. 可以大量用于为现在大规模的生产矿井的瓦斯涌出量预测.

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Influence of Limestone on Gas Emission Prediction in Yangquan Mining Area

LIU Yang, ZHANG Shuhai

(School of Chemical and Environmental Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Sarting from the coal mine of Yangquan mining area Nanzhuang typical analysis, forecasting method using the current source gas is much lower than the amount of actual gas emission, the Nanzhuang coal mine No.12 coal seam gas near K2, K3, K4 of the limestone that gush, No.12 coal seam in upper layer of actual gas emission is much larger than the amount calculated by gas the traditional source prediction method of gas emission; Using methods which combine mine statistical and source prediction accurately calculates Nanzhuang coal mine 12 coal seam near the gas emission The proportion of the gas emission from the coal seam and the upper adjacent layer in Yangquan mining area are put forward.

limestone; gas emission; mine statistical method; Yangquan mining area; sub source prediction method

1671-7449(2017)02-0170-05

2016-12-23

刘 阳(1990-)， 女， 硕士生， 主要从事火灾爆炸灾害科学及预防工程等研究.

TD712

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.014