原相煤矿瓦斯抽采量预测研究

王治文，白雪文，刘春刚，张 桉

(1.山西煤炭进出口集团 左云韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037000；2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；3.煤科集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122)

据统计，我国煤矿瓦斯事故已占到煤矿生产过程所发生事故的80%以上，造成的伤亡人数占特大事故伤亡人数的90%[1].准确地预测矿井瓦斯涌出量，对预防煤矿恶性事故的发生，保证煤矿安全生产具有重要意义。煤矿瓦斯涌出量是矿井通风设计、瓦斯防治与管理的重要依据[2].矿井瓦斯涌出量的预测方法可以分为矿山统计法、分源预测法、瓦斯梯度法、煤层瓦斯含量法和瓦斯地质数学模型等[3-5].伴随着煤层开采深度的不断增加，煤层中的瓦斯含量以及瓦斯涌出量等均随之增加。通过对煤层瓦斯基础参数的测定以及对其数据解算，可以判断出煤层蕴藏瓦斯的能力和煤层瓦斯突出是否危险，是否容易抽采。对煤炭瓦斯各种参数进行有效地测定，同时弄清楚区域内的瓦斯赋存情况和分布规律，可以更好地预防瓦斯事故[6].

1 原相煤矿瓦斯基础参数测试

瓦斯基础参数主要包括：瓦斯含量的分布情况、煤层中瓦斯的压力、煤层中的残存瓦斯含量、煤层的透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数及抽采半径等[7].

1.1 瓦斯含量分布

原相煤矿原相南北断层(F165)和原相南正断层(F168)之间的区域为Ⅰ号瓦斯地质单元，原相南正断层(F168)以南至井田边界为Ⅱ号瓦斯地质单元，见图1.

图1 井田瓦斯地质单元划分图

原相煤矿02、2号煤层埋藏深度(H)越深，其瓦斯含量(W)越多，在Ⅰ号瓦斯地质单元两者之间遵循以下线性统计规律：

W=0.019 3H-2.53

(1)

式中：

W—煤层中瓦斯的含量，m3/t；

H—煤层的埋藏深度，m.

Ⅱ号瓦斯地质单元瓦斯含量(W)和埋藏深度(H)之间遵循以下线性统计规律：

W=0.019 1H-1.71

(2)

根据获得的瓦斯与埋藏深度规律，整个井田内02、2号煤层埋深最浅处约450 m，由此推算02号煤层最小瓦斯含量为6.16 m3/t；并且2号煤层中瓦斯含量最低为6.88 m3/t.

《太原华润煤业有限公司原相煤矿矿井瓦斯涌出量预测(02、2号煤层)报告》表明，Ⅰ、Ⅱ号瓦斯地质单元内的02、2号煤层瓦斯含量均是西部小，东部大，由西向东逐渐增高。Ⅰ号瓦斯地质单元内02号煤层最大瓦斯含量约12.91 m3/t，2号煤层最大瓦斯含量约13.57 m3/t.Ⅱ号瓦斯地质单元内02号煤层最大瓦斯含量约14.50 m3/t，2号煤层最大瓦斯含量约15.20 m3/t，Ⅱ号瓦斯地质单元内的瓦斯含量最高。

1.2 煤层瓦斯基础参数

根据煤炭科学研究总院2012年编制的《太原华润煤业有限公司原相煤矿02、2号煤层基础参数测试报告》和2013年11月中国矿业大学编制的《太原华润煤业有限公司原相煤矿02号、2号煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》资料：02和2号煤层基础参数见表1.

表1 02和2号煤层瓦斯基础参数表

从表1中可以得知，满足残余瓦斯含量不大于6.0 m3/min且抽采率不小于50%的情况下：02号煤层顺层预抽钻孔，当其抽采时间分别为68 d、107 d、201 d时，钻孔有效抽采半径分别为1.5 m、2.0 m、2.5 m，此时钻孔间距分别为3.0 m、4.0 m、5.0 m；2号煤层顺层预抽钻孔，当其抽采时间分别为92 d、166 d、228 d时，钻孔有效抽采半径分别为1.5 m、2.0 m、2.5 m，此时钻孔间距分别为3.0 m、4.0 m、5.0 m.

1.3 瓦斯突出鉴定及突出危险性区域预测

2013年11月中国矿业大学出具的《太原华润煤业有限公司原相煤矿02号、2号煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》，最终鉴定结论为“太原华润煤业有限公司原相煤矿法定矿界内的突出煤层是02号、2号煤层”。

根据2016年9月煤炭科学技术研究院有限公司出具的《02、2号煤层开拓后煤与瓦斯突出危险性区域预测报告》：一采区范围内的02号煤层埋深于650 m以及深区域，其中有瓦斯和煤突出危险性，一采区范围内的2号煤层埋深在673 m及以深区域均具有煤与瓦斯突出危险性。

2 瓦斯涌出量计算

依据山西省煤炭工业厅综合测试中心编制的《太原华润煤业有限公司原相煤矿矿井瓦斯涌出量预测(02、2号煤层)》报告可知：

1)一采区02号煤层在生产作业时，矿井的绝对瓦斯涌出量最高可达99.20 m3/min，相对瓦斯涌出量最高可达52.38 m3/t，而回采工作面的瓦斯涌出量最高为55.92 m3/min，掘进工作面瓦斯涌出量最高可达5.53 m3/min.相比之下，二采区02号煤层生产时，矿井的绝对瓦斯涌出量最高可达84.81 m3/min，相对瓦斯涌出量最大可达44.79 m3/t，同时回采工作面的瓦斯涌出量最高可达47.65 m3/min，掘进工作面瓦斯涌出量最高可达4.78 m3/min.另外，三采区02号煤层生产时，矿井绝对瓦斯涌出量最高可达105.13 m3/min，相对瓦斯涌出量最高可达55.51 m3/t，并且回采工作面瓦斯涌出量最高可达到59.33 m3/min，同时掘进工作面瓦斯涌出量最大可为5.83 m3/min.

2)一采区2号煤层在生产作业时，矿井绝对瓦斯涌出量最大可达31.83 m3/min，相对瓦斯涌出量最高可达16.81 m3/t，同时回采工作面的瓦斯涌出量最高可达16.38 m3/min，掘进工作面瓦斯涌出量最高可达2.89 m3/min；二采区2号煤层生产时，矿井绝对瓦斯涌出量最高可达26.70 m3/min，相对瓦斯涌出量最高可达14.10 m3/t，同时回采工作面的瓦斯涌出量最高可达13.60 m3/min，掘进工作面瓦斯涌出量最高可达2.51 m3/min.对比前者，三采区2号煤层生产作业时，矿井绝对瓦斯涌出量最高值可达33.27 m3/min，而相对瓦斯涌出量最高可达17.57 m3/t，并且回采工作面瓦斯涌出量最高可达17.13 m3/min，掘进工作面瓦斯涌出量最大值可达到2.99 m3/min.

矿井的瓦斯涌出量构成见表2，回采工作面的瓦斯涌出量构成见表3.

表2 矿井瓦斯涌出量构成表

表3 回采工作面瓦斯涌出量构成表

根据预测结果与涌出量构成表可知：

1)02号煤层生产时，矿井绝对瓦斯涌出量为84.81～105.13 m3/min.其中，回采工作面瓦斯涌出为47.65～59.33 m3/min，大约占全矿井瓦斯涌出的56%；掘进瓦斯涌出量为6.63～ 7.95 m3/min，占全矿井瓦斯涌出的比例大约是8%；而采空区瓦斯涌出量为30.53～37.85 m3/min，占全矿井瓦斯涌出比例约为36%.在回采工作面时，瓦斯涌出在开采层为19.15～23.95 m3/min，在整个回采工作面瓦斯涌出的占比为40%；瓦斯涌出在领近层为28.51～35.38 m3/min，在整个回采工作面中瓦斯涌出所占比例为60%.

2)2号煤层生产时，矿井瓦斯涌出量为26.70～33.27 m3/min，其中瓦斯涌出在回采工作面时为13.60～17.13 m3/min，在矿井瓦斯涌出总量的占比51%；而掘进工作面的瓦斯涌出量为3.49～4.16 m3/min，占比为13%；同时采空区瓦斯的涌出量为9.61～11.98 m3/min，占比为36%.在回采工作面中，瓦斯涌出量在开采层是8.03～10.11 m3/min，在回采工作面瓦斯的涌出量占比为59%；瓦斯涌出量在破断层为5.57～7.02 m3/min，占比41%.

3)在矿井开采施工02、2号煤层时，如果以0.90 Mt/a产能，掘进工作面的绝对瓦斯涌出量最高可达到5.83 m3/min，回采工作面的绝对瓦斯涌出量最高可达59.33 m3/min，而矿井绝对瓦斯涌出量最大可达到105.13 m3/min，矿井相对瓦斯涌出量最高可达55.51 m3/t.

3 矿井应抽瓦斯量预测

根据瓦斯涌出量预测结果，针对02号煤层工作面瓦斯涌出量最大时期进行抽采量预计；依据GB 50471—2018《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》关于瓦斯抽采量计算公式进行相关数据计算。

1)工作面采前预抽瓦斯量应按下式计算：

Qy=∑Qh+∑Qj+∑Qs

(3)

式中：

Qh—预抽煤层区段或工作面回采区域的瓦斯总量，m3/min；

Qj—预抽煤巷条带的瓦斯量，m3/min；

Qs—预抽石门揭煤区域的瓦斯量，m3/min.

2)预抽煤层区段或工作面回采区域的瓦斯量按照下述公式计算：

(4)

式中：

K1—瓦斯的抽采不均衡系数，取值1.05～1.20，取1.15；

L1—预抽煤层区段或工作面的回采区域宽度，m，取工作面走向长度1 200；

L2—预抽煤层区段或回采工作面的长度，m，取工作面长度200 m；

M—预抽煤层平均厚度，m，02号煤层的平均厚度为1.63；

γ—煤的视密度，t/m3，02号煤层视密度为1.4；

t—预抽时间，年，取300天，即0.83年；

W0—原煤瓦斯含量，m3/t，取14.50；

W1—预抽达标的瓦斯含量，m3/t.

针对突出煤层来说，预抽达标瓦斯的含量应按照煤层始突深度处的瓦斯含量取值，当没有考察出煤层始突深度处的煤层瓦斯含量时，应该按照8 m3/t取值；瓦斯涌出量主要来源于本煤层的采煤工作面，预抽达标时可解吸瓦斯含量按表取值，即预抽达标时瓦斯含量等于可解吸瓦斯含量与残存瓦斯含量之和；而对于瓦斯涌出量主要来源于突出煤层的采煤工作面，预抽达标瓦斯的含量需要同时满足上述两项要求，综合上述两项取8 m3/t.

3)回采时期瓦斯抽采包含了工作面回采期间持续预抽本煤层瓦斯、抽采上下临近层及围岩的卸压瓦斯等，回采期间瓦斯的抽采量应按照下述公式进行计算：

Qc=∑Qbc+∑Qyc

(5)

Qbc=Qh×Kc

(6)

(7)

式中：

Qbc—工作面回采时期的本煤层预抽量，m3/min；

Qyc—邻近层卸压瓦斯的抽采量，m3/min；

Kc—工作面回采时期本煤层的预抽量与预抽时期的抽采量之比，一般取值0.3～0.5，取0.4；

K1—瓦斯抽采的不均衡系数，取值为1.20～1.50，取1.4；

L3—回采工作面的宽度，m，取200；

L4—回采工作面的年推进度，m，根据计算大于设计工作面走向长度，故取工作面走向长度1 200；

mj—邻近层煤厚，m，01号煤0.29 m、1号煤0.28 m、2号煤1.83 m、3号煤0.47 m、4号煤0.77 m、6号煤1.22 m；

ηj—邻近层瓦斯排放率，%，01号煤87%、1号煤90%、2号煤79%、3号煤65%、4号煤43%、6号煤9%；

Ky—邻近层的卸压瓦斯抽采率，%.

当采用穿层钻孔进行抽采时，需要依据布置穿层钻孔的数量、钻孔与终孔的间距和钻孔控制的卸压区域范围，选取邻近层瓦斯涌出量的20%～80%，当采用高抽巷抽采、高位钻孔抽采时，选取邻近层瓦斯涌出量的20%～60%，取60%.

4)现有采空区抽采。

生产矿井通过现场实际考察实测取值，新建矿井可参考类似矿井取值，也可以取预抽、卸压抽后工作面剩余瓦斯涌出量的20%～60%，当以邻近层瓦斯涌出为主的时候取大值；当以本煤层瓦斯涌出为主时需要取小值。并用风量验算回采工作面的瓦斯浓度是否超出限制范围；取60%.

根据上述公式及取值，相关计算结果如下：

1)本煤层预抽瓦斯量计算结果。

将相关参数带入式(4)计算得02号煤层工作面采前预抽瓦斯量：

Qh(02)=

9.38 m3/min

(8)

将与之相关的参数带入式(6)中，并计算得工作面回采期间本煤层瓦斯的预抽量为：

Qbc(02)=Qh(02)×Kc=9.38×0.4=3.75 m3/min

(9)

2)邻近层瓦斯抽采量预计结果。

将相关参数带入式(7)计算工作面邻近层瓦斯抽采量。

上邻近层：

3.35 m3/min

(10)

下邻近层：

16.81 m3/min

(11)

3)现采空区瓦斯抽采量预计结果。

Qxk(02)=

(59.33-9.38-3.75-3.35-16.81)×60%=

15.62 m3/min

(12)

式中：

Qxk—现有的采空区瓦斯的抽采量，m3/min.

根据上述计算结果，工作面总抽采量预计为48.91 m3/min，则回采期间还需要风排瓦斯量为10.42 m3/min，该部分瓦斯通过合理的通风方式可以解决。

根据上述计算结果，各抽采瓦斯量所占比例关系如下：

1)本煤层采前吨煤预抽瓦斯量占原煤可解吸瓦斯量比例为：(15.40-8)/(15.40-2.4)=57%

2)本煤层回采期间预抽瓦斯量占回采期间瓦斯涌出量比例为：3.75/(59.33-9.38)=8%

3)上邻近层抽采量占回采期间瓦斯涌出量比例为：3.35/(59.33-9.38)=7%

4)下邻近层抽采量占回采期间瓦斯涌出量比例为：16.81/(59.33-9.38)=34%

5)现采空区的瓦斯抽采量所占据回采期间瓦斯涌出量的比例为：15.62/(59.33-9.38)=31%

6)回采期间总抽采量占回采期间瓦斯涌出量比例为：8%+7%+34%+31%=80%

4 结 论

经过对矿井瓦斯基础参数的多次测试，以及瓦斯涌出量的计算，最后依据瓦斯涌出量的预测结果，针对02号煤层工作面瓦斯涌出量最大时期进行抽采量预计。得出以下结论：

1)矿井最大瓦斯含量位于包括02号煤层及2号煤层在内的Ⅱ号瓦斯地质单元内，02号煤层的最大瓦斯含量大约为14.50 m3/t，2号煤层的最大瓦斯含量大约为15.20 m3/t，瓦斯突出鉴定以及突出危险性区域的预测结果表明，02号及2号煤层为突出煤层。

2)根据原相煤矿02、2号煤层矿井瓦斯涌出量预测可知，原相煤矿瓦斯治理的重点是02号煤层回采工作面，主要是针对本煤层瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出，其中关键点是需要解决下邻近层涌出瓦斯的问题。

3)工作面总抽采量预计为48.91 m3/min，回采期间风排瓦斯量为10.42 m3/min，该部分瓦斯通过合理的通风方式可以解决，并对各抽采瓦斯量所占比例关系进行计算，为02号煤层工作面回采期间瓦斯抽采效果的判断提供依据。