大通煤礦3#煤層瓦斯賦存特征及涌出量預(yù)測

李偉偉

（晉能控股集團(tuán)晉城公司大通煤業(yè)，山西 高平 046700）

瓦斯指煤層中易燃易爆性氣體總稱，通常是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、乙炔（C2H2）等氣體的統(tǒng)稱，其中甲烷占據(jù)絕對(duì)的含量[1]。甲烷的生成伴隨著成煤全過程，以及成煤后在盆地中演化二次生氣等一系列過程。在最后一期生氣事件結(jié)束后，原生甲烷含量會(huì)趨于穩(wěn)定。但煤層形成后，經(jīng)歷多次區(qū)域大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及小規(guī)模范圍內(nèi)構(gòu)造事件，地層以及煤層發(fā)生層滑作用、錯(cuò)動(dòng)等行為，導(dǎo)致瓦斯在煤層內(nèi)和鄰近層發(fā)生氣體運(yùn)移現(xiàn)象，甚至在應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生“氣包”現(xiàn)象。在采煤過程中若未及時(shí)探知并將隱蔽災(zāi)害排除，則發(fā)生嚴(yán)重安全事故。目前我國有數(shù)據(jù)可查高瓦斯煤礦840 座，其中發(fā)生瓦斯突出煤礦719 處[2]，因此瓦斯突出預(yù)測以及治理是安全生產(chǎn)重任。

目前學(xué)者對(duì)煤礦瓦斯賦存特征研究以及影響因素可歸納為區(qū)域/礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、煤層頂?shù)装宸馍w性、煤階/熱演化程度、煤層厚度和埋深5 個(gè)方面。一般來說構(gòu)造急劇變化區(qū)域、煤階越高、煤層厚度越大、埋藏深度越大會(huì)導(dǎo)致局部富集大量瓦斯。構(gòu)造急劇變化區(qū)域破壞煤層的完整性導(dǎo)致游離瓦斯富集在構(gòu)造附近，郭德勇等[3]探討了構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用，指出構(gòu)造應(yīng)力場控制著煤體結(jié)構(gòu)分布并進(jìn)一步控制瓦斯的富集與突出。構(gòu)造應(yīng)力場作用下導(dǎo)致區(qū)域煤層滲透率逐漸降低，瓦斯的含量不僅高，且壓力大，在壓扭性構(gòu)造帶則常常形成易突出區(qū)域。煤熱演化程度反映成煤后有機(jī)質(zhì)富集過程，這一過程煤體內(nèi)受到干餾作用而形成大量的微孔-裂隙，為瓦斯的富集提供更多的存儲(chǔ)空間[4]。煤層厚度對(duì)瓦斯含量的影響在于儲(chǔ)集母體空間的增大[5-6]，埋深為煤提供相對(duì)較高壓力和溫度富集瓦斯，該文采用井下煤體采集數(shù)據(jù)對(duì)這一點(diǎn)展開討論。鑒于此，在實(shí)際工作中結(jié)合礦井自身地質(zhì)條件，利用生產(chǎn)過程中礦區(qū)范圍內(nèi)實(shí)測稀疏點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)施全礦范圍內(nèi)瓦斯預(yù)測，探究并指出大通煤業(yè)井田范圍內(nèi)瓦斯賦存的規(guī)律，指明瓦斯易突出區(qū)，提前評(píng)判礦井瓦斯危害性，科學(xué)指導(dǎo)煤礦安全、透明化開采。

1 概況

大通煤業(yè)井田行政區(qū)劃隸屬高平市陳區(qū)鎮(zhèn)管轄，太行山脈西南側(cè)，中朝準(zhǔn)地臺(tái)內(nèi)山西中隆起區(qū)的中部及南部，沁水塊坳東南部沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶帶的中南段[7]。主要出露地層奧陶系的馬家溝組和峰峰組，石炭系的本溪組、太原組，二疊系的山西組及石盒子組以及第四系松散層廣泛覆蓋于各時(shí)代地層之上（表1）。研究區(qū)內(nèi)體構(gòu)造為南北向，礦區(qū)中部分布南北向-南東北西向背斜，礦區(qū)中南部為組合背向斜，中東部則為復(fù)向斜，斷層較少（圖1）。大通煤業(yè)批準(zhǔn)開采山西組3#和太原組15#煤層，生產(chǎn)能力為120 萬t/a。山西組自上而下共含有1～3 層煤，山西組厚約60 m，煤層總厚度約4.95 m。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)含煤系數(shù)為8.3%，3 號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定煤層，厚度介于2.57～7.70 m，平均煤厚達(dá)4.56 m，薄煤層分布在構(gòu)造突變帶，但總體均較厚。根據(jù)全區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)顯示，煤田范圍內(nèi)局部存在剝蝕區(qū)（ZK2-1），山西組3 號(hào)煤厚度總體變化為東南部相對(duì)較薄，但中部向北部分均較厚。3 號(hào)煤以半亮型煤為主，極少量的半暗型煤，顯微組分顯示以條帶狀亮煤為主，煤中顯微組分測試指示鏡質(zhì)組極高（～68%），少量惰質(zhì)組（～22%），極少量或者不見殼質(zhì)組，礦物組分以黏土礦為主（8%），少量裂隙型碳酸鹽巖礦物（～1.6%）以及極少量的黃鐵礦為特征的硫化物，最大鏡質(zhì)組反射率介于2.7%～3.1%。根據(jù)開采計(jì)劃目前開采3#煤層。

圖1 井田構(gòu)造綱要圖

表1 大通煤礦地層表

2 3#煤層瓦斯含量測定結(jié)果及特征

2.1 瓦斯含量測定結(jié)果

煤與瓦斯突出是煤體中存儲(chǔ)的瓦斯能和應(yīng)力能的失穩(wěn)釋放。針對(duì)煤中高濃度甲烷提出先抽后采的策略，有效減少瓦斯量的涌出，預(yù)防瓦斯涌出超限，降低開采區(qū)、排采區(qū)瓦斯積聚，為生產(chǎn)平臺(tái)通風(fēng)創(chuàng)造有利的條件；降低煤層中應(yīng)力，進(jìn)行提前釋放，提升采煤安全；綜合開發(fā)非常規(guī)氣資源；響應(yīng)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，將環(huán)保進(jìn)行到底。近年來已經(jīng)有眾多文獻(xiàn)說明埋深與瓦斯含量的關(guān)系，即埋深越大，瓦斯含量越高[8-11]。本次研究基于大通煤礦301 采區(qū)、302采區(qū)、303 采區(qū)工作面大巷以及鉆孔取芯煤巖樣進(jìn)行了瓦斯氣體解吸分析，對(duì)煤體瓦斯含量以及自然瓦斯成分進(jìn)行了測試。由表2 和圖2 可知，大通煤礦3#煤隨著深度加深瓦斯含量增大，獲得二者線性回歸方程為W=0.005 7H+2.161 8，R2=0.88。3#煤的瓦斯含量每100 m 增加0.57 m3/t。

圖2 埋深與瓦斯含量交匯圖

表2 3#煤瓦斯含量測定表

根據(jù)礦井瓦斯含量增長趨勢和3#煤層底板等高線，預(yù)測了全區(qū)3#煤層瓦斯含量分布圖（圖3）。井田內(nèi)3#煤層瓦斯含量具有北高南低的特征，根據(jù)梯度計(jì)算可知：301 采區(qū)可采范圍內(nèi)，由西南向東北方向延伸，埋深越來越大，瓦斯含量遞增，瓦斯最大埋深290 m 處，瓦斯含量最大值為3.59 m3/t；302 采區(qū)可采范圍內(nèi)，由南向北，瓦斯含量逐漸增大，最大埋深240 m 處，瓦斯含量最大值為3.53 m3/t；303 采區(qū)可采范圍內(nèi)，由西向東瓦斯含量逐漸變大，最大埋深300 m 處，瓦斯含量最大值為3.88 m3/t；304 采區(qū)可采范圍內(nèi)，由西向東瓦斯含量逐漸變大，最大埋深350 m 處，瓦斯含量最大值為4.16 m3/t。

圖3 3#煤層瓦斯含量等值線圖

2.2 3#煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測

煤層瓦斯含量是主要參數(shù)之一，可用作評(píng)價(jià)瓦斯涌出及煤層突出危險(xiǎn)性。主采煤層總體處于甲烷—氮?dú)鈳Ш图淄閹В?#煤層部分區(qū)域處于瓦斯風(fēng)化帶范圍內(nèi)，井田內(nèi)3#煤層瓦斯含量具有北高南低的特征，預(yù)測瓦斯含量最大值為4.16 m3/t，小于8 m3/t；周邊煤礦也未發(fā)生過瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，初步認(rèn)為3#煤層無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

3 礦井瓦斯涌出量預(yù)測

研究采用分源預(yù)測法對(duì)晉能集團(tuán)大通煤業(yè)的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，在瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)使用下限指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測[12-13]

3.1 預(yù)測條件

1）根據(jù)瓦斯涌出量測定報(bào)告瓦斯來源分析，礦井瓦斯主要來源于本煤層采煤工作面（圖4）。

圖4 涌出量預(yù)測模式圖

2）礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)量120 萬t。按照礦井初步設(shè)計(jì)，礦井回采工作面日產(chǎn)量為3661 t，工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)斷面為9.10 m2，工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面為10.08 m2，掘進(jìn)速度為360 m/月。依據(jù)測試報(bào)告，殘存量取值1.98 m3/t，301 采區(qū)最大瓦斯含量取3.13 m3/t，302 采區(qū)最大瓦斯含量取3.53 m3/t，303 采區(qū)最大瓦斯含量取3.88 m3/t，304 采區(qū)最大瓦斯含量取4.16 m3/t。回采工作面和掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測見表3 及表4。

表3 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果表

3.2 預(yù)測公式

式中：q采為工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；q1為開采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；q2為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t。

1）回采面涌出量

式中：k1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取k1=1.3；k2為丟煤瓦斯涌出系數(shù)，k2=1.05；k3為長壁后退式回采條件下準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯影響系數(shù)；L為回采工作面長度；h為巷道瓦斯預(yù)排等值寬度；m為開采層厚度；M為工作面采高；W0為煤層原始瓦斯含量；W1為煤的殘存瓦斯含量。

2）鄰近層涌出量

式中：mi為第i個(gè)鄰近層煤層厚度，m；M為工作面采高，m；ηi為第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率%；Woi為第i個(gè)鄰近煤層的原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第i鄰近煤層殘存的瓦斯含量，m3/t?；夭晒ぷ髅嫱咚瓜鄬?duì)涌出含量鄰近層按0 值計(jì)算。

生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量系采區(qū)內(nèi)所有回采工作面、掘進(jìn)工作面及采空區(qū)瓦斯涌出量之和，生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果見表5。

表5 生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

3#煤層在年產(chǎn)量120 萬t 條件下：回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為10.58 m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為2.69 m3/min，采區(qū)最大絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)13 m3/min，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)14 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量約為5.6 m3/t。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)3#煤層瓦斯含量測定獲取埋藏深度與瓦斯含量的關(guān)系：W=0.005 7H+2.161 8，R2=0.88，結(jié)果顯示呈線性正比關(guān)系。

2）主采煤層總體處于甲烷—氮?dú)鈳Ш图淄閹В?#煤層部分區(qū)域處于瓦斯風(fēng)化帶范圍內(nèi)，井田內(nèi)3#煤層瓦斯含量具有北高南低的特征，預(yù)測瓦斯含量最大值為4.16 m3/t，小于8 m3/t，初步認(rèn)為3#煤層無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

3）預(yù)測礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)14 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量約為5.6 m3/t。