礦井瓦斯涌出量分源預測法的應用經(jīng)驗探討

楊安朋，程魯晗

礦井瓦斯涌出量分源預測法的應用經(jīng)驗探討

楊安朋1，程魯晗2

（1.昆明煤炭設計研究院，云南昆明650000；2.云南省煤礦安全監(jiān)察局，云南昆明650000）

本文根據(jù)分源瓦斯預測法預測步驟，所需主要計算參數(shù)，介紹了預測思路及各參數(shù)的選擇方法及經(jīng)驗，簡要探討了分源瓦斯預測方法設計應用中存在的問題及建議。

分源瓦斯預測法；鉆孔瓦斯含量；煤層原始瓦斯含量；純煤瓦斯含量；原煤瓦斯含量；殘存瓦斯含量；瓦斯涌出量

前言

分源瓦斯預測法是礦井瓦斯涌出量預測方法中較為常用的方法，其根據(jù)時間和地點的不同，分為回采工作面瓦斯涌出、掘進工作面瓦斯涌出、現(xiàn)采采空區(qū)瓦斯涌出及老采空區(qū)瓦斯涌出等多個向礦井涌出的瓦斯源，分別對各個瓦斯涌出源進行預測，最終得出礦井瓦斯涌出量[1]。該方法為礦井初步設計、抽采設計及防突專項設計中必不可少的環(huán)節(jié)[6]。

云南省是我國西南地區(qū)一個主要的產(chǎn)煤省，隨著開采深度的增加，開采強度的加大，煤礦瓦斯涌出量呈上升趨勢，原來的低瓦斯礦井逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚沟V井。瓦斯預測在設計中運用頻繁。

分源瓦斯預測的步驟為：瓦斯參數(shù)的收集分析、根據(jù)礦井開拓布署或通風、抽采設備的服務年限確定預測區(qū)域、根據(jù)確定的預測區(qū)域?qū)ν咚箙?shù)進行取值、分別預測計算各個瓦斯涌出源的瓦斯涌出量、匯總采區(qū)及礦井瓦斯涌出量。

預測計算各步驟中涉及諸多參數(shù)的選擇及取舍，若處理不當則會影響預測結(jié)果，對后續(xù)措施的選擇及設備選型造成影響。

1 瓦斯參數(shù)的收集分析

分源瓦斯預測法會使用到如下數(shù)據(jù)及參數(shù)：

煤層原始瓦斯含量（ml/g.r、m3/t）、純煤瓦斯含量（ml/g.r）、殘存瓦斯含量（（ml/g.r、m3/t））、原煤瓦斯含量（m3/t）、原煤水份（%）、原煤灰份（%）、揮發(fā)份（%）、煤的密度（t/m3）、可采煤層特征（煤厚、層間距、煤層傾角、地質(zhì)構(gòu)造等）、預測所需的開采設計情況（開拓布署、采區(qū)位置、采掘面數(shù)量、生產(chǎn)能力、采煤方法、開采順序、采掘速度等）。

1.1 地質(zhì)報告瓦斯參數(shù)收集

根據(jù)地質(zhì)勘探階段的要求，地質(zhì)部門提交的瓦斯資料，氮氣-沼氣帶的井田傾向上不少于三條勘探線，采樣點密度0.5～1.5點/km2，沼氣含量高的主采煤層加密取樣控制，采樣點占見煤點50%以上，著重布署在一水平[2]。每個煤層不少于5個采樣點，并測定煤層瓦斯參數(shù)：煤的堅固性系數(shù)f、瓦斯放散初速度△p、吸附常數(shù)a、b值、孔隙率、滲透率、純煤瓦斯含量（鉆孔瓦斯含量）、煤層瓦斯壓力等[2]。

地質(zhì)報告給出的煤層鉆孔瓦斯含量采用直接測定法[5]測定，一般以可燃物（純煤）含量形式給出，即每克可燃物（純煤）中所含瓦斯氣體（CH4、CxHx、H2等）體積（ml/g.r），該含量中，單位質(zhì)量可燃物（純煤）僅為煤的可燃質(zhì)，不包括不可燃的灰份、水份等雜質(zhì)的質(zhì)量。

地質(zhì)報告中還給出了原煤灰份（Af）、水份（Wd）、揮發(fā)份（Vf）、可采煤層特征等數(shù)據(jù)。

1.2 參數(shù)測定報告瓦斯參數(shù)收集

生產(chǎn)礦井一般通過瓦斯參數(shù)測定的手段，撐握礦井開采煤層瓦斯賦存情況。目前中國礦業(yè)大學、煤炭科學研究總院沈陽研究院等機構(gòu)在云南省開展了多個瓦斯參數(shù)測定的項目。瓦斯參數(shù)測定報告中采用直接測定法或間接測定法對煤層瓦斯參數(shù)進行了測定，并給出了煤的堅固性系數(shù)f、瓦斯放散初速度△p、煤的破壞類型、吸附常數(shù)a、b值、孔隙率、真密度、視密度、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)β、煤層透氣性系數(shù)、煤層瓦斯壓力、原煤瓦斯含量（m3/t）等。

瓦斯參數(shù)測定報告給出的原煤瓦斯含量（m3/t）中，煤的單位質(zhì)量包括了煤的可燃質(zhì)與不可燃的灰份、水份等雜質(zhì)的質(zhì)量。

1.3 歷年瓦斯等級資料收集

云南省每個生產(chǎn)礦井或在建礦井每年均進行瓦斯等級鑒定，并下發(fā)瓦斯等級鑒定證書。瓦斯等級鑒定是在一定時間（一個月）內(nèi)連續(xù)測定、記錄的方法，測定礦井風量、風流中瓦斯和二氧化碳濃度、抽排瓦斯量、統(tǒng)計礦井產(chǎn)煤量等數(shù)據(jù)，最后通過對數(shù)據(jù)進行整理計算，得出礦井瓦斯涌出量[4]。

瓦斯等級證書中記錄了礦井生產(chǎn)能力、礦井絕對瓦斯涌出量（m3/min）、礦井相對瓦斯涌出量（m3/t）、礦井絕對二氧化碳涌出量（m3/min）、礦井相對二氧化碳涌出量（m3/t）等數(shù)據(jù)，并根據(jù)結(jié)果對礦井瓦斯等級進行了劃分。

1.4 瓦斯資料分析選取

1.4.1 瓦斯含量數(shù)據(jù)分析

礦井一般情況下煤層數(shù)量較多，資料收集時，為盡可能準確地預測瓦斯涌出量，應盡可能走訪收集周邊礦井的相關瓦斯參數(shù)資料。

成煤過程中煤層內(nèi)自然產(chǎn)生了灰份、水份等不可燃物雜質(zhì)，地質(zhì)報告中鉆孔瓦斯含量為未受采動影響的煤層原始瓦斯含量（以純煤瓦斯含量ml/g·r形式給出），在參與采掘面瓦斯涌出量預測計算前需換算成原煤瓦斯含量，計算公式如下：

式中：W0——原煤瓦斯含量，m3/t；

W0.r——純煤瓦斯含量（鉆孔瓦斯含量），ml/g.r；

Af——原煤平均灰份，%；

Wd——原煤平均水份，%。

瓦斯參數(shù)測定報告中的原煤瓦斯含量 （m3/t）則按上式1換算成純煤瓦斯含量（ml/g.r），以便后續(xù)篩選數(shù)據(jù)和殘存瓦斯含量計算。

將上述瓦斯含量相互換算后，按煤層、取樣位置及標高進行匯總。

由于瓦斯含量采樣工作可能存在取樣時操作不當或取樣點位于瓦斯風氧化帶，則瓦斯含量值較低，若納入計算，則會拉低礦井瓦斯涌出量結(jié)果。因此，需按純煤瓦斯含量形式對匯總的數(shù)據(jù)進行篩選，去掉無效數(shù)據(jù)。

純瓦斯含量可參考各煤種風氧化帶瓦斯含量邊界值進行篩選。

風氧化帶瓦斯含量邊界值：

W=1.0～1.5m3/t.r（長焰煤）；

W=1.5～2.0m3/t.r（氣煤）；

W=2.0～2.5m3/t.r（肥、焦煤）；

W=2.5～3.0m3/t.r（瘦煤）；

W=3.0～4.0m3/t.r（貧煤）；

W=5.0～7.0m3/t.r（無煙煤）。

上述各煤種風氧化帶邊界值為處在大氣壓力下得到充分釋放后的殘留瓦斯含量。當井田正常區(qū)域收集到的純煤瓦斯含量小于邊界值時，則可認為是無效數(shù)據(jù)。但位于露頭附近的風化帶處接近邊界值的數(shù)據(jù)可以保留，作為繪制瓦斯含量等值線圖的數(shù)據(jù)。

1.4.2 瓦斯含量數(shù)據(jù)選取

瓦斯含量數(shù)據(jù)篩選后，利用Surfer 8.0軟件生成瓦斯含量等值線圖（如圖1）。根據(jù)礦井開拓布署，在瓦斯含量等值線圖中劃分出初期水平開采區(qū)域，或按抽采及通風設備服務年限劃分出開采區(qū)域，即該區(qū)域?qū)⒋_定為需要瓦斯預測的區(qū)域。在開采區(qū)域中，確定出開采期間長期存在的瓦斯含量大值，取其作為分源瓦斯預測的煤層原始瓦斯含量。

例如圖1所示，粗實線以北為初期開采水平，此時水平劃分線穿過了數(shù)值為11的瓦斯含量等值線，但從開采時間來看，初期開采水平服務年限內(nèi)，大部分開采時間處于數(shù)值約10.6的瓦斯等值線區(qū)域，此時可以取瓦斯含量10.6作為分源瓦斯預測的煤層原始瓦斯含量。

1.4.3 其它數(shù)據(jù)選取

分源瓦斯預測方法中還用到了原煤灰份（Af）、水份（Wd）、揮發(fā)份（Vf）、密度、煤層厚度、煤層間距、煤層傾角等數(shù)據(jù)。有條件時可在預測區(qū)域內(nèi)重新統(tǒng)計并取其平均值，或直接選取勘探報告給出的平均值。

預測所需的開采設計情況可根據(jù)設計內(nèi)容選取。

煤層原始瓦斯含量數(shù)據(jù)選定后，便可根據(jù)相關公式或附表計算出殘存瓦斯含量。

我國經(jīng)典的煤層瓦斯賦存及流動理論認為：煤的孔隙率直接影響煤的吸附能力，即標準狀態(tài)下煤的孔隙率越高，吸附瓦斯的能力越強，殘存瓦斯含量越高。煤的孔隙率則與煤的變質(zhì)程度呈一定的規(guī)律[5]，如表1煤的孔隙體積表[5]所示。

如表1所示，長焰煤～瘦煤，變質(zhì)程度增加，孔隙率減小，吸附瓦斯能力降低；貧煤～無煙煤，變質(zhì)程度增加，孔隙率增大，吸附瓦斯能力增強；殘存瓦斯含量計算或取值中關于煤的變質(zhì)程度的劃分，一般認為長焰煤～瘦煤為低變質(zhì)煤，貧煤～無煙煤為高變質(zhì)煤。

2 各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量預測

2.1 回采工作面瓦斯涌出量預測

回采工作面瓦斯涌出量預測分為開采層瓦斯涌出量和鄰近層瓦斯涌出量。預測時應理清煤層開采順序及其相互卸壓影響關系。

表1 煤的孔隙體積（馬克耶夫煤炭安全研究院）

2.1.1 開采層瓦斯涌出量

開采層瓦斯涌出量預測計算中，首采煤層為初始開采時，其瓦斯含量為煤層原始瓦斯含量；其余煤層的開采因其開采順序不同，受鄰近煤層開采的影響（在卸壓影響范圍內(nèi)），開采時煤層瓦斯含量已受卸壓釋放，因此選擇參與計算的煤層原始瓦斯含量應為受卸壓釋放后的原煤瓦斯含量。可用下式進行判斷計算：

式中：Wk——開采時原煤瓦斯含量，m3/t；

W0——煤層原始瓦斯含量，m3/t；

ΔWi——受鄰近層第i次開采影響，卸壓釋放的瓦斯量，m3/t，未受采動影響時ΔWi=0；

ΔWi=（Wi-1-Wc）ηi

式中：Wi-1——受鄰近層第i-1次開采卸壓釋放后的原煤瓦斯含量，m3/t；

Wc——煤層殘存瓦斯含量，m3/t；

ηi——受鄰近層第i次開采影響時的卸壓釋放率，可根據(jù)開采條件查表取值。

2.1.2 鄰近層瓦斯涌出量

鄰近層瓦斯涌出量計算中，應注意的是在開采層開采時，其卸壓影響范圍內(nèi)的可采或不可采的鄰近煤層涌向回采工作面的瓦斯量；應盡可能詳盡地統(tǒng)計計算鄰近煤層的瓦斯涌出量，一般考慮厚度為0.3m以上的可采或不可采鄰近層瓦斯涌出量。但礦井0.3m以上的不可采煤層的瓦斯參數(shù)一般不全，因此可考慮選擇同一組段內(nèi)煤質(zhì)相同且相鄰最近的煤層瓦斯參數(shù)作為鄰近層瓦斯參數(shù)，進行鄰近層瓦斯涌出量計算。

鄰近層瓦斯涌出量計算時也應考慮采動卸壓影響，選擇參與計算的原煤瓦斯含量判斷計算與上述式2相同。

2.2 煤巷掘進工作面瓦斯涌出量預測

煤巷掘進工作面瓦斯涌出量計算中，涉及到煤層原始瓦斯含量，此處掘進煤層的原煤瓦斯含量一般考慮為未受采動卸壓影響的煤層原始瓦斯含量。理由是煤層開采過程中，由于種種因素影響，會形成需掘進的煤巷條帶處于未卸壓釋放的情況，如留設煤柱、鄰近煤層不可采等。

3 采區(qū)和礦井瓦斯涌出量預測

采區(qū)和礦井瓦斯涌出量可按相應的公式對各區(qū)域瓦斯涌出量進行統(tǒng)計計算，得出最終結(jié)果。

4 問題探討

（1）云南省白龍山煤礦在進行瓦斯抽采設計時，煤炭科學研究總院重慶研究院經(jīng)過統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)勘探報告提交的瓦斯含量較后期井下相同位置實測的瓦斯含量普遍偏低，通過對比分析，引入瓦斯含量修正系數(shù)（1.2～3.0），對地勘鉆孔所測瓦斯含量進行修正，再進行瓦斯涌出量預測。本文認為可通過分析歷年瓦斯等級鑒定，利用其結(jié)果，在歷年開采范圍標高內(nèi)進行瓦斯涌出量預測，并調(diào)整修正系數(shù)，使其接近歷年瓦斯等級鑒定結(jié)果，得出相對合理的修正系數(shù)。

（2）純煤瓦斯含量與原煤瓦斯含量轉(zhuǎn)換計算中，原煤灰份、水份僅與原煤瓦斯含量中的吸附瓦斯量相關[5]，換算中未將測得的游離瓦斯量[5]另行計算，會存在一定的誤差，但由于煤層瓦斯含量中的游離瓦斯量[5]僅占總量的10%左右，因此誤差較小。

（3）分源瓦斯預測法不適用于對放頂煤開采方式的回采工作面的瓦斯涌出量預測，該方法中一些參數(shù)為我國部分礦區(qū)現(xiàn)場實測所得，部分公式為經(jīng)驗公式，存在一定的局限性[6]。

（4）殘存瓦斯含量取值、計算中，原煤瓦斯含量要求是未受采動影響的煤層原始瓦斯含量。生產(chǎn)礦井中受采動影響后測得的原煤瓦斯含量并非煤層原始瓦斯含量，將影響殘存瓦斯含量的取值、計算結(jié)果。本文認為生產(chǎn)礦井有條件時可進行殘存瓦斯含量實測，以減少瓦斯涌出量預測結(jié)果的偏差。

5 結(jié)束語

分源瓦斯預測是瓦斯設計中常用的方法，計算過程需認真細致，小失誤會造成全盤計算結(jié)果錯誤。該方法的關鍵在于原始數(shù)據(jù)的篩選及各參數(shù)的選取，同時還應注意分清開采順序相對應的計算邏輯，本文簡單羅列了部分要點，以供探討。

[1]《礦井瓦斯涌出量預測方法》（AQ1018-2006）.

[2]《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》（DZ/T0215-2002）.

[3]《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》（GB/T23250-2009）.

[4]《礦井瓦斯等級鑒定規(guī)范》（AQ1025-2006）.

[5]周世寧，林柏泉，著.煤層瓦斯賦存與流動理論.煤炭工業(yè)出版社.

[6]章立清，秦玉金，姜文忠，等.我國礦井瓦斯涌出量預測方法研究現(xiàn)狀及展望.煤礦安全，2007，8.

TD712.5

A

2095-2066（2016）22-0047-03

2016-7-10

楊安朋（1983-），男，工程師，本科，采礦工程專業(yè)，一直在昆明煤炭設計研究院工作至今，主要從事煤礦設計工作。

程魯晗（1986-），男，工程師，本科，采礦工程專業(yè)，主要從事煤礦安全監(jiān)察工作。