山西某矿煤层瓦斯涌出量预测研究

田翔宇

（精英数智科技股份有限公司，山西 太原 030031）

0 引言

随着我国煤矿开采深度和强度的不断增加，受深部高应力叠加强烈采动影响，瓦斯突出危险性愈发明显[1-2]。煤层瓦斯涌出量不确定是造成煤与瓦斯突出的重要原因[3]。因此，准确预测煤层瓦斯涌出量对于防止瓦斯突出至关重要。在瓦斯涌出量预测方面，前人做了大量研究，然而很少同时考虑多方面现场因素[4]。煤层瓦斯含量与埋藏深度、围岩情况、井田地质构造等条件密切相关[5-6]。需要综合各个现场因素对瓦斯涌出量进行预测。

1 矿井概况

山西某矿矿井井田面积53.325 km2，证载能力为360 万t/a，剩余可采储量4.55 亿t，剩余服务年限90 a。矿井采用平硐开拓，条带式开采。生产采区为+973 m水平三采区、五采区，+860 m 水平二采区、八采区。采用倾斜长壁后退式一次采全高综合机械化采煤，采空区处理为全部垮落法；煤巷为机掘；岩巷为炮掘。

主采煤层2#、4#、8#、9#四层煤，井田内各主要可采煤层以瘦煤为主，贫煤、焦煤次之。煤层总厚13.4 m，煤系地层总厚155.88 m，可采含煤系数为8.31%。矿井为煤与瓦斯突出矿井。2022 年瓦斯涌出量测定结果，绝对瓦斯涌出量113.74 m3/min，相对瓦斯涌出量14.47 m3/t。矿井严格按要求执行两个“四位一体”综合防突措施，定期测定、收集、整理井下瓦斯参数，完善瓦斯地质图和防突预测图，确保采掘作业均在防突效果有效范围内进行。

山西某矿安全监控系统于2005 年安装并与集团公司监控中心联网，现在使用2019 年升级改造完成的KJ90X 型监控系统，该系统配备服务器两台实现热备份。机房实行双回路热备供电，配有在线式UPS电源，系统断电后能持续供电不少于6 h。目前，矿井安装使用监控分站54 台，各种传感器456 台，其中高低浓度甲烷传感器94 台、一氧化碳传感器78 台、温度传感器46 台、断电馈电仪31 台、其他传感器207 台。

周边相邻矿井瓦斯等级分别为：杜儿坪矿、西铭矿属高瓦斯矿井、屯兰矿属于煤与瓦斯突出矿井，西曲矿属低瓦斯矿井。

2 矿井瓦斯赋存规律

2.1 埋深对瓦斯含量影响

煤层瓦斯含量沿倾向分布规律常用瓦斯含量与上覆基岩厚度之间关系表示，埋深往往直接影响成煤过程中产生的瓦斯在煤层中保存条件的好坏。根据勘探及相关资料显示，煤层埋深是影响山西某矿瓦斯含量的主要原因。

2#煤层、4#煤层、8#煤层、9#煤层瓦斯含量与煤层埋深回归方程结果分别如下公式（1）～式（4）所示：

式中：H 为煤层埋深，W 为瓦斯含量。这些关系能客观地表明煤层瓦斯含量沿倾向的分布规律。经计算后得知，山西某矿煤层埋藏深度自北向南逐渐增大，煤层瓦斯含量从北向南逐渐增大。

通过对实际测量，得出了2008—2019 年煤层瓦斯绝对和相对瓦斯涌出量。如图1 所示。相对瓦斯涌出量与绝对瓦斯涌出量变化趋势基本保持一致，在反复震荡中不断上升。这是因为随着开采的不断进行，煤层深度下降，所受地应力也随之增加，导致瓦斯涌出量不断升高。瓦斯涌出量的增加对于煤矿安全影响重大。需要对后续瓦斯涌出量加以预测，从而为煤矿瓦斯突出防治提供相应的数据支撑。

图1 瓦斯绝对和相对涌出量

2.2 围岩对瓦斯含量的影响

煤层周围一定范围内，影响煤层稳定性的岩体称为煤层围岩，包括直接底、老顶和直接顶。围岩的透气性能对煤层瓦斯含量影响较大。2#和4#煤层顶板多为粉砂岩和砂质泥岩，这些围岩裂隙较多，有助于煤层瓦斯逸散。8#煤层顶板为石灰岩，该岩石裂隙较少，完整性较强，煤层瓦斯不易逸散。当9#煤层与8#煤层间距较大时，顶板为较致密的砂岩，瓦斯容易集聚，当与8#下煤间距较近时，顶板变为不致密的砂质泥岩、粉砂岩，瓦斯易逸散。

2.3 井田的地质构造对矿井瓦斯含量的影响

煤矿内陷落柱和断层较为发育，使煤岩层透气性增大。截止到2019 年11 月底，山西某矿井田内已发现604 个陷落柱，其中2014—2019 年11 月底共发现陷落柱133 个，大部分分布在三采区、五采区和八采区。陷落柱周围常伴有裂隙，陷落柱内煤、岩块混杂，透气性较好。同时煤层节理较发育，给瓦斯的扩散提供一定的通道，地质构造对瓦斯赋存影响较大，呈驼峰效应。

2.4 地下水对煤层瓦斯含量的影响

受到山西某矿的地质构造影响，大范围煤矿北部的煤层露头为地下水补给区域，随之向深部延申，逐渐变为滞留区。因此由北向南瓦斯含量逐渐增加。由于地下水在太原组煤层地下活动强烈，导致山西组煤层瓦斯含量在垂直方向上高于太原组。

2.5 矿井瓦斯分区

综合分析上述四种控制因素与山西某矿二十余年的采掘资料，矿井瓦斯分布差距显著，瓦斯含量主要趋势为东低西高、北低南高，下水平远大于上水平，各采区差别明显。复杂瓦斯赋存为准确预测瓦斯涌出量增加了难度，需要一种较为可靠准确的预测方法。

3 瓦斯涌出量预测

3.1 矿井瓦斯涌出量预测方法

瓦斯涌出量的准确预测对于煤矿灾害防治起着至关重要的作用。并且能够为矿井通风、煤炭回采、瓦斯抽放等提供数据支撑。将分源预测法用于山西某矿瓦斯涌出量预测。方法原理如图2 所示。

图2 矿井瓦斯涌出源汇关系示意图

3.1.1 开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量[如公式（5）]

式中：q1为开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m3/t；k1为围岩瓦斯涌出系数，对于陷落法顶板管理的工作面，取k1=1.2；k2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，其值为工作面回采率的倒数，2#煤层工作面回采率按80%，则k2=1.25；k3—顺槽掘进预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数。m0为煤层厚度，m，2#煤层平均厚度m0＝1.42 m；m1为煤层采高，m；X0为煤层瓦斯含量，m3/t，X1为煤的残存瓦斯含量，m3/t。

3.1.2 邻近层瓦斯涌出量[如公式（6）]

式中：q2为邻近层瓦斯涌出量，m3/t；mi为第i 个邻近层厚度，m；m1为开采层的开采厚度，m；X0i为第i 邻近层原始瓦斯含量，m3/t；X1i为第i 邻近层残存瓦斯含量，m3/t，取X1i为=2.41 m3/t；ki为取决于层间距离的第i 邻近层瓦斯排放率。

3.2 矿井瓦斯量预测

根据2019 年度山西焦煤有限责任公司山西某矿测定的瓦斯等级鉴定结果，全矿井相对瓦斯涌出量为17.74 m3/t；由未来五年采掘衔接图叠加矿井瓦斯地质图可预测未来五年各煤层采掘工作面瓦斯绝对涌出量和相对涌出量值，具体情况如图3 所示。

图3 五年各煤层采掘工作面瓦斯绝对涌出量和相对涌出量值

由图3 可知，从2019 年以后，未来五年矿井瓦斯绝对涌出量预测值和相对涌出量预测值趋势基本一致，呈现出先下降后上升，再下降最后上升的趋势。最大相对瓦斯涌出量为14.32～31.01 m3/t，最大绝对瓦斯涌出量为109～236 m3/min。对比2020 年、2021 年实际瓦斯涌出相关数值，与预测值基本吻合。

4 结论

1）从煤层埋藏深度、围岩、井田地质构造、地下动水、矿井瓦斯区分共五个方面对煤层瓦斯含量进行了探讨。

2）使用分源预测法预测山西某矿瓦斯涌出量。并结合相关地质和开采条件，提升计算准确率，从而完成瓦斯涌出量预测。

3）在获取煤层瓦斯含量的基础上，对各煤层瓦斯涌出量进行了预测。结果表明产量4.0 Mt/a 时，从2021 年开始未来五年矿井最大相对瓦斯涌出量为14.32～31.01 m3/t，最大绝对瓦斯涌出量为109～236 m3/min。对比2021 年、2022 年实际瓦斯涌出相关数值，与预测值基本吻合。