劉 陽， 張樹海

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院， 山西 太原 030051)

陽泉礦區(qū)內(nèi)石灰?guī)r對瓦斯涌出量預(yù)測影響研究

劉 陽， 張樹海

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院， 山西 太原 030051)

從典型的陽泉礦區(qū)南莊煤礦入手， 分析利用現(xiàn)行分源瓦斯預(yù)測方法預(yù)測量遠(yuǎn)低于實(shí)際瓦斯涌出量的問題， 提出南莊煤礦12號煤層上鄰近的石灰?guī)rK2， K3， K4的瓦斯涌出， 使得12號煤層上鄰近層實(shí)際瓦斯涌出量遠(yuǎn)大于用傳統(tǒng)分源預(yù)測法計(jì)算出的瓦斯涌出量的原因； 采用礦山統(tǒng)計(jì)法和分源預(yù)測方法相結(jié)合準(zhǔn)確計(jì)算出南莊煤礦12號煤層上鄰近的瓦斯涌出量. 提出陽泉礦區(qū)上鄰近層與本煤層瓦斯涌出量的比例.

石灰?guī)r； 瓦斯涌出量； 礦山統(tǒng)計(jì)法； 陽泉礦區(qū)； 分源預(yù)測方法

新建煤礦或生產(chǎn)煤礦新水平延深， 都需要進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測報(bào)告編制， 以確定新煤礦、 生產(chǎn)煤礦新水平、 新采區(qū)開采后瓦斯涌出量大小， 作為礦井和采區(qū)通風(fēng)設(shè)計(jì)、 瓦斯抽放設(shè)計(jì)及瓦斯治理的依據(jù). 2006年我國發(fā)布的《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 瓦斯涌出量預(yù)測方法主要有建立在數(shù)量統(tǒng)計(jì)上的礦山統(tǒng)計(jì)預(yù)測法和以原煤瓦斯含量為基礎(chǔ)的分源預(yù)測法兩種. 這兩種方法適用于絕大多數(shù)礦井， 但對于典型的陽泉礦區(qū)的煤層進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測時， 由于石灰?guī)r中含有大量瓦斯的緣故， 單獨(dú)用礦山統(tǒng)計(jì)預(yù)測法和分源預(yù)測法都不能準(zhǔn)確地進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測. 因此， 準(zhǔn)確的預(yù)測陽泉礦區(qū)鄰近層瓦斯涌出量對陽泉礦區(qū)的礦井具有重要指導(dǎo)意義.

1 礦井基本情況

圖 1 太原組12號煤層上鄰近層柱狀圖Fig.1 Taiyuan No.12 coal seam in upper layer of histogram

南莊煤礦位于山西省陽泉市正南2 km處. 現(xiàn)開采12， 15號煤層， 井田面積12.618 6 km2， 批準(zhǔn)生產(chǎn)能力為2.0 Mt/a， 礦井利用斜井開拓， 布置有主斜井、 副斜井、 行人斜井、 回風(fēng)斜井. 現(xiàn)有一個+594 m 生產(chǎn)水平. 礦井通風(fēng)方式為分區(qū)式， 通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式. 12號煤層回采工作面采用U+L型通風(fēng)方式， 布置一條進(jìn)風(fēng)巷、 一條回風(fēng)巷和外錯尾巷. 根據(jù)該礦井歷年瓦斯等級鑒定批復(fù)均為高瓦斯礦井. 根據(jù)我們的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)， 12號煤層原煤瓦斯含量為10.04～14.29 m3/t， 埋深在289～479 m之間， 由東北往西南瓦斯含量隨著埋深加深而加大. 12號煤層甲烷組分為88.34%～93.37%， 煤層處于甲烷帶.

12號煤層位于太原組， 太原組是本井田主要的含煤地層， 為一套海陸交互相含煤地層. 巖性以深灰～黑色泥巖、 砂質(zhì)泥巖間夾灰白～深灰色砂巖和深灰色石灰?guī)r為主， 含煤6～8層， 分別為8， 9， 10， 11， 12， 13， 14， 15號煤， 其中12號煤為穩(wěn)定的大部可采煤層； 15號煤為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層； 其余為零星可采和不可采煤層. 本組厚116.8～139.0 m， 平均厚121.25 m. 12號煤在太原組中部位置， 距K4石灰?guī)r大約8.7 m， 下距K3石灰?guī)r大約5.87 m. 煤層厚度范圍為0.18～1.70 m， 平均約1.22 m， 煤層比較穩(wěn)定， 結(jié)構(gòu)比較簡單. 最多含1層夾矸， 夾矸厚度平均0.23 m， 井田內(nèi)只有南部小區(qū)域不可采， 為穩(wěn)定的大部分可采煤層. 煤層頂板為砂巖、 泥巖， 底板為中、 細(xì)砂巖、 泥巖. 12號煤為低灰～中灰， 中高含硫、 高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)無煙煤.

2 用分源法計(jì)算瓦斯涌出量

根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)(AQ1018-2006)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法(不含放頂煤)》， 采用分源法預(yù)測南莊煤礦12號煤層瓦斯涌出量， 工作面的日產(chǎn)量為1 151 t， 工作天數(shù)為330 d， 3班制.

采煤工作面瓦斯來源于本煤層瓦斯涌出和上下鄰近層瓦斯涌出兩部分.

q采面=q本+q鄰，

(1)

式中：q采面為采煤工作面瓦斯相對涌出量， 單位： m3/t；q本為本煤層瓦斯相對涌出量， 單位： m3/t；q鄰為鄰近層瓦斯相對涌出量， 單位： m3/t.

1) 本煤層(包括圍巖)瓦斯涌出量

q本

式中：q本為本煤層瓦斯相對涌出量， 單位： m3/t；K1為瓦斯涌出系數(shù)(圍巖)，K1取值范圍為1.1～1.3； 全部垮落法頂板管理，K1值為1.3； 南莊礦為垮落法頂板管理取值1.3；K2為回采面瓦斯丟煤涌出系數(shù)， 工作面回采率的倒數(shù)為其值， 12號煤層的回采率為97%， 計(jì)算K2值為1.03；K3為采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對回采面瓦斯涌出影響的系數(shù)， 采用長壁后退式K3=(L-2h)/L，L為回采面長度， 12號煤為180 m，h為瓦斯預(yù)排寬度， 12號煤層為無煙煤， 按照150 d取值為10.5 m， 12號煤K3計(jì)算為0.88；M為回采面采高， 單位： m；m為本煤層厚度， 單位： m；W0為煤層原始瓦斯含量， 單位： m3/t； 12號煤瓦斯含量為14.00 m3/t；Wc為煤的殘存瓦斯含量， 單位： m3/t； 12號煤實(shí)測最小值為3.4 m3/t.

表 1 本煤層相對瓦斯涌出量計(jì)算表

圖 2 鄰近層的層間距與瓦斯排放率的關(guān)系圖Fig.2 Table of the relationship between the layer spacing and the gas emission rate of the adjacent layers

2) 回采面鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算

計(jì)算上下鄰近層的瓦斯涌出量按式(3)

q鄰

式中：Q鄰為上下鄰近層的相對瓦斯涌出量；mi為上下鄰近層得煤層平均厚度， 單位： m；M為回采面的采高， 單位： m；ηi為上下鄰近層的瓦斯排放率， %， 可根據(jù)本煤層到鄰近層到的距離由圖 2 查取；Woi為上下鄰近層的瓦斯含量；Wci為上下鄰近層的殘存量.

根據(jù)柱狀圖12號煤層開采時可向12號煤層涌出瓦斯的上鄰近層有1， 2， 3， 4， 6， 8， 9， 10， 11共9層， 下鄰近層有13， 14， 15號共3層； 鄰近層共12層煤， 各鄰近層按陽泉區(qū)域礦井的各煤層瓦斯含量值取， 其瓦斯相對涌出量見表 2.

表 2 12號煤層4606回采面各鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算表

表 3 采煤面瓦斯涌出量計(jì)算表

3 分源預(yù)測法預(yù)測值準(zhǔn)確性分析

3.1 實(shí)際瓦斯涌出量的統(tǒng)計(jì)

根據(jù)南莊煤礦2016年上半年12號煤層4606回采面風(fēng)排瓦斯量和抽采量， 統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 4.

表 4 回采面實(shí)際瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)表

由表 4 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以清楚地看出本煤層實(shí)際瓦斯涌出量與分源預(yù)測法的瓦斯涌出量相對誤差范圍為-4.11%～1.70%； 鄰近層的實(shí)際瓦斯涌出量與分源預(yù)測法的瓦斯涌出量相對誤差范圍為247%～265%， 可見鄰近層實(shí)際瓦斯涌出量是預(yù)測值的3.47～3.65倍； 預(yù)測值遠(yuǎn)低于實(shí)際瓦斯涌出量.

3.2 理論預(yù)測偏小的原因分析

3.2.1 原煤瓦斯含量

采用分源預(yù)測法預(yù)測瓦斯涌出量時， 原煤瓦斯含量測定位置分布的區(qū)域性以及數(shù)值測定的準(zhǔn)確性都是影響計(jì)算瓦斯涌出量的重要指標(biāo). 因?yàn)殛柸V區(qū)大多都是高瓦斯礦井， 歷年對瓦斯含量測定比較重視， 各煤層瓦斯含量值較多也基本準(zhǔn)確， 且本礦開采歷史較長， 資源僅剩西部一小塊資源， 測點(diǎn)分布基本覆蓋全井田. 從上面計(jì)算也可知本煤層瓦斯含量計(jì)算和實(shí)際涌出誤差也很小， 鄰近層的瓦斯含量影響不大.

3.2.2 鄰近層其它巖層影響分析

從圖 1 可知12號煤層由下往上有： 一層細(xì)砂巖、 一層K4石灰?guī)r、 一層泥巖、 兩層中砂巖； 但巖石自身不含瓦斯， 且對瓦斯的吸附能力也很弱基本不吸附； 但巖層在裂隙發(fā)達(dá)的情況下， 也會儲存大量的游離瓦斯. 在開采過程中受到采動影響， 巖層中的游離瓦斯就會大量涌出到本煤層中， 大大增加了鄰近層瓦斯涌出量， 也就是前面通過計(jì)算嚴(yán)重偏小的原因.

3.3 石灰?guī)r中瓦斯的形成

12號煤層的上鄰近層有一層K4石灰?guī)r和下鄰近層的K3石灰?guī)r. 石灰?guī)r大多在海洋生態(tài)中形成， 巖溶孔隙隨著演變過程形成. 上下鄰近煤層的瓦斯經(jīng)過長時間的運(yùn)移進(jìn)入到石灰?guī)r的這些巖溶孔隙中， 形成游離瓦斯. 其次， 石灰?guī)r中還含有大量的未泥化的海動物化石， 在石灰?guī)r地質(zhì)年代這些海洋動物也形成烷氫類氣體.

綜上所述： 在陽泉礦區(qū)中鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算時， 考慮石灰?guī)r中的瓦斯才能更準(zhǔn)確地預(yù)測瓦斯涌出量.

4 石灰?guī)r中瓦斯涌出量的確定

1) 石灰?guī)r中瓦斯都處于游離狀態(tài)， 直接測定瓦斯含量不可行， 筆者認(rèn)為只有通過礦山統(tǒng)計(jì)法測定煤層開采過程中石灰?guī)r中涌出的瓦斯量.

2) 由表4可知12號煤層在開采過程中本煤層瓦斯涌出量為9.57～10.15 m3/min， 鄰近層瓦斯涌出量為87.98～92.49 m3/min之間； 可見鄰近層瓦斯涌出量是本煤層的8.87～9.66倍.

3) 根據(jù)分源預(yù)測法計(jì)算鄰近層瓦斯涌出是31.73 m3/min， 統(tǒng)計(jì)法平均值是90.89 m3/min； 可見石灰?guī)r中涌出瓦斯量為59.16 m3/min， 來源于上鄰近層的K4石灰?guī)r和下鄰近層的K3石灰?guī)r. 統(tǒng)計(jì)法是分源預(yù)測法計(jì)算鄰近層的2.86倍.

5 結(jié) 論

1) 陽泉礦區(qū)在形成的歷史演化過程中在太原組中斷賦存有K2， K3， K4石灰?guī)r， 其中石灰?guī)r有大量巖溶孔隙， 形成大量游離瓦斯， 受到采動影響大量涌向開采煤層中.

2) 由于分源預(yù)測法只計(jì)算煤層的瓦斯涌出量， 忽略了石灰?guī)r的大量瓦斯量， 使得瓦斯涌出量預(yù)測偏差巨大， 給礦井的安全生產(chǎn)和瓦斯治理帶來隱患.

3) 本文通過統(tǒng)計(jì)法和分源預(yù)測法相結(jié)合， 更準(zhǔn)確地計(jì)算出陽泉礦區(qū)的礦井瓦斯涌出量， 給礦井的日常管理和瓦斯治理提供了可靠的依據(jù).

4) 陽泉礦區(qū)由于石灰?guī)r的影響， 鄰近層瓦斯涌出量是本煤層瓦斯涌出量大約為9倍. 可以大量用于為現(xiàn)在大規(guī)模的生產(chǎn)礦井的瓦斯涌出量預(yù)測.

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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

劉 陽(1990-)， 女， 碩士生， 主要從事火災(zāi)爆炸災(zāi)害科學(xué)及預(yù)防工程等研究.

TD712

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.014