麦捷煤业矿井煤层瓦斯含量分布规律与涌出量预测分析

刘洋洋

(麦捷煤业有限公司，山西 寿阳 045400)

长期以来，煤炭一直是我国的主体消费能源和重要的工业原料，相关预计显示，到2030年，我国一次能源消费结构中煤炭占比仍在50%以上。瓦斯治理是煤矿开采面临的一大难点，瓦斯威胁着煤矿的安全开采。我国煤炭资源中富含瓦斯，据统计我国面临瓦斯灾害的矿井占煤矿数量的三分之一左右[1]。为减少矿井瓦斯灾害，瓦斯涌出量预测成为矿井开采的必要措施之一。目前，矿井瓦斯涌出量预测主要有两类：一类是建立在数理统计基础上的矿山统计法，一类是以煤层瓦斯含量为基础参数的分源预测法[2]。

1 工程概况

麦捷煤业开采井田位于沁水煤田北部边缘，为低山丘陵地貌，地表零星出露二叠系地层，西部被第四系黄土覆盖，地势北东高南西低，地面标高为+1 220～+1 527 m，相对高差307 m，井田内总体构造形态为地层走向北东，倾向南东的单斜，在此构造基础上发育着次一级的宽缓褶曲，地层倾角一般在6～12°，断层、陷落柱稀少，无火成岩侵入，地质条件简单。本井田主要含煤地层为山西组和太原组，可采煤层6层，可采煤层总厚11.29 m，编号6、8、9、12、15、15下，根据地质报告及井下巷道实际揭露，结合断层参数及煤层间距情况，井田划分为两个水平，辅助水平开采8、9号煤层，主水平开采12、15号煤层，主水平标高+1 045 m，辅助水平标高+1 090 m。

2 矿井煤层瓦斯含量分布规律

采用钻孔煤屑解吸法测定麦捷煤业矿井煤层瓦斯含量，即利用煤层钻孔采集煤体煤芯，用解吸法直接测定煤层瓦斯解吸量。该方法测定煤层瓦斯含量的原理是：根据煤样瓦斯解吸量、解吸规律推算煤样从采集开始至装罐解吸测定前的损失瓦斯量，再利用解吸后测定煤样中残存瓦斯量计算煤层瓦斯含量[3]。

煤层瓦斯含量测试结果如表1所示。其中，由于9号煤层没有实测条件，根据矿井生产地质报告，9号煤层与8号煤层层间距7.99 m，且煤质煤类均相似，故本文中涉及9号煤层的预测条件均参考8号煤层。

根据本次瓦斯残存量测定结果，8号煤层实测原煤最小残存瓦斯含量为1.62 m3/t，12号和15号煤层实测原煤最小残存瓦斯含量为1.46 m3/t。

煤层瓦斯含量受不同地质因素的制约，诸如煤质、埋藏深度、构造、煤的物理化学性质、煤层顶底板岩性等等。麦捷煤业可采煤层瓦斯含量主要受埋深影响较大，图1～图3给出了8、12、15号煤层瓦斯含量与埋深的关系，8号、12号、15号煤层瓦斯含量具有随埋深增加而加大的趋势，8号、12号、15号煤层瓦斯含量增长梯度为0.58 m3/t·100 m、0.71 m3/t·100 m、0.29 m3/t·100 m。

8号煤层只有东南部可采，最大埋深为315 m，瓦斯含量根据梯度计算取最大值3.99 m3/t；9号煤层最大埋深为323 m，预测瓦斯含量最大值为4.03 m3/t；12号煤层最大埋深为388 m，预测瓦斯含量最大值为4.92 m3/t；15号煤层最大埋深为424 m，预测瓦斯含量最大值为5.31 m3/t。

图1 8号煤层瓦斯含量与埋深关系散点

图2 12号煤层瓦斯含量与埋深关系散点

图3 15号煤层瓦斯含量与埋深关系散点

3 矿井煤层瓦斯涌出量预测

瓦斯涌出量的大小主要取决于自然因素和开采技术因素，包括煤层和围岩的瓦斯含量、开采规模(开采深度、开拓、开采范围以及矿井的产量)、开采顺序与开采方法[4]。本文采用分源预测法预测矿井煤层瓦斯涌出量，图4为矿井瓦斯涌出源汇示意图。

图4 矿井瓦斯涌出源汇关系示意

根据矿井煤层瓦斯含量分布规律，确定8号煤层预测区域内最大瓦斯含量3.99 m3/t，9号预测区域内最大瓦斯含量4.03 m3/t，12号煤层预测区域内最大瓦斯含量4.92 m3/t，15号煤层预测区域内最大瓦斯含量5.31 m3/t，根据图4矿井瓦斯涌出源汇关系进行矿井瓦斯涌出预测，预测结果见表2～表6。

表2 开采层瓦斯涌出量计算 m3/min

表3 回采工作面瓦斯涌出预测结果

表4 掘进工作面瓦斯涌出量预测结果汇总

表5 采区瓦斯涌出量预测结果汇总

表6 麦捷煤业矿井瓦斯涌出量预测结果

各时期矿井瓦斯涌出量构成预测见表7，根据矿井煤层瓦斯涌出量预测结果，可以得到以下结论：

表7 各时期矿井瓦斯涌出量构成预测结果

1) 8号(35万t/a)、15号(115万t/a)煤层配采150万t/a时，矿井最大绝对瓦斯涌出量为42.98 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为13.62 m3/t，其中8号煤层单个回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为4.44 m3/min，8号煤层单个掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.54 m3/min，15号煤层单个回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为11.28 m3/min，15号煤层单个掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为2.64 m3/min。

2) 9号(35万t/a)、15号(115万t/a)煤层配采150万t/a时，矿井最大绝对瓦斯涌出量为37.22 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为11.79 m3/t，其中9号煤层单个回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.83 m3/min，9号煤层单个掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.37 m3/min，15号煤层单个回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为11.28 m3/min，15号煤层单个掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为2.64 m3/min。

3) 12号(35万t/a)、15号(115万t/a)煤层配采150万t/a时，矿井最大绝对瓦斯涌出量为38.94 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为12.33 m3/t，其中12号煤层单个回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为2.45 m3/min，12号煤层单个掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.51 m3/min，15号煤层单个回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为11.28 m3/min，15号煤层单个掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为2.64 m3/min。

4) 15号煤层单独回采150万t/a时，矿井最大绝对瓦斯涌出量为38.88 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为12.32 m3/t，15号煤层单个回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为14.72 m3/min，15号煤层单个掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为2.64 m3/min。

4 结 语

准确预测瓦斯涌出量可有效降低矿井瓦斯灾害风险。文章采用钻孔煤屑解吸法测定了麦捷煤业矿井煤层瓦斯含量，8号、9号、12号、15号煤层预测瓦斯含量最大值分别为3.99 m3/t、4.03 m3/t、4.92 m3/t、5.31 m3/t，同时，煤层瓦斯含量具有随埋深增加而加大的趋势。基于此，采用分源预测法预测了不同煤层、瓦斯涌出源汇区域、不同开采方案的煤层或矿井瓦斯涌出量，可为麦捷煤业开采规划、瓦斯抽采方案设计提供基础数据。