大通煤矿3#煤层瓦斯赋存特征及涌出量预测

李伟伟

（晋能控股集团晋城公司大通煤业，山西 高平 046700）

瓦斯指煤层中易燃易爆性气体总称，通常是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、乙炔（C2H2）等气体的统称，其中甲烷占据绝对的含量[1]。甲烷的生成伴随着成煤全过程，以及成煤后在盆地中演化二次生气等一系列过程。在最后一期生气事件结束后，原生甲烷含量会趋于稳定。但煤层形成后，经历多次区域大的构造运动以及小规模范围内构造事件，地层以及煤层发生层滑作用、错动等行为，导致瓦斯在煤层内和邻近层发生气体运移现象，甚至在应力集中区发生“气包”现象。在采煤过程中若未及时探知并将隐蔽灾害排除，则发生严重安全事故。目前我国有数据可查高瓦斯煤矿840 座，其中发生瓦斯突出煤矿719 处[2]，因此瓦斯突出预测以及治理是安全生产重任。

目前学者对煤矿瓦斯赋存特征研究以及影响因素可归纳为区域/矿区地质构造、煤层顶底板封盖性、煤阶/热演化程度、煤层厚度和埋深5 个方面。一般来说构造急剧变化区域、煤阶越高、煤层厚度越大、埋藏深度越大会导致局部富集大量瓦斯。构造急剧变化区域破坏煤层的完整性导致游离瓦斯富集在构造附近，郭德勇等[3]探讨了构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用，指出构造应力场控制着煤体结构分布并进一步控制瓦斯的富集与突出。构造应力场作用下导致区域煤层渗透率逐渐降低，瓦斯的含量不仅高，且压力大，在压扭性构造带则常常形成易突出区域。煤热演化程度反映成煤后有机质富集过程，这一过程煤体内受到干馏作用而形成大量的微孔-裂隙，为瓦斯的富集提供更多的存储空间[4]。煤层厚度对瓦斯含量的影响在于储集母体空间的增大[5-6]，埋深为煤提供相对较高压力和温度富集瓦斯，该文采用井下煤体采集数据对这一点展开讨论。鉴于此，在实际工作中结合矿井自身地质条件，利用生产过程中矿区范围内实测稀疏点数据实施全矿范围内瓦斯预测，探究并指出大通煤业井田范围内瓦斯赋存的规律，指明瓦斯易突出区，提前评判矿井瓦斯危害性，科学指导煤矿安全、透明化开采。

1 概况

大通煤业井田行政区划隶属高平市陈区镇管辖，太行山脉西南侧，中朝准地台内山西中隆起区的中部及南部，沁水块坳东南部沾尚—武乡—阳城北北东向褶带的中南段[7]。主要出露地层奥陶系的马家沟组和峰峰组，石炭系的本溪组、太原组，二叠系的山西组及石盒子组以及第四系松散层广泛覆盖于各时代地层之上（表1）。研究区内体构造为南北向，矿区中部分布南北向-南东北西向背斜，矿区中南部为组合背向斜，中东部则为复向斜，断层较少（图1）。大通煤业批准开采山西组3#和太原组15#煤层，生产能力为120 万t/a。山西组自上而下共含有1～3 层煤，山西组厚约60 m，煤层总厚度约4.95 m。根据钻孔数据统计含煤系数为8.3%，3 号煤层为全区稳定煤层，厚度介于2.57～7.70 m，平均煤厚达4.56 m，薄煤层分布在构造突变带，但总体均较厚。根据全区钻孔数据显示，煤田范围内局部存在剥蚀区（ZK2-1），山西组3 号煤厚度总体变化为东南部相对较薄，但中部向北部分均较厚。3 号煤以半亮型煤为主，极少量的半暗型煤，显微组分显示以条带状亮煤为主，煤中显微组分测试指示镜质组极高（～68%），少量惰质组（～22%），极少量或者不见壳质组，矿物组分以黏土矿为主（8%），少量裂隙型碳酸盐岩矿物（～1.6%）以及极少量的黄铁矿为特征的硫化物，最大镜质组反射率介于2.7%～3.1%。根据开采计划目前开采3#煤层。

图1 井田构造纲要图

表1 大通煤矿地层表

2 3#煤层瓦斯含量测定结果及特征

2.1 瓦斯含量测定结果

煤与瓦斯突出是煤体中存储的瓦斯能和应力能的失稳释放。针对煤中高浓度甲烷提出先抽后采的策略，有效减少瓦斯量的涌出，预防瓦斯涌出超限，降低开采区、排采区瓦斯积聚，为生产平台通风创造有利的条件；降低煤层中应力，进行提前释放，提升采煤安全；综合开发非常规气资源；响应蓝天保卫战，将环保进行到底。近年来已经有众多文献说明埋深与瓦斯含量的关系，即埋深越大，瓦斯含量越高[8-11]。本次研究基于大通煤矿301 采区、302采区、303 采区工作面大巷以及钻孔取芯煤岩样进行了瓦斯气体解吸分析，对煤体瓦斯含量以及自然瓦斯成分进行了测试。由表2 和图2 可知，大通煤矿3#煤随着深度加深瓦斯含量增大，获得二者线性回归方程为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。

图2 埋深与瓦斯含量交汇图

表2 3#煤瓦斯含量测定表

根据矿井瓦斯含量增长趋势和3#煤层底板等高线，预测了全区3#煤层瓦斯含量分布图（图3）。井田内3#煤层瓦斯含量具有北高南低的特征，根据梯度计算可知：301 采区可采范围内，由西南向东北方向延伸，埋深越来越大，瓦斯含量递增，瓦斯最大埋深290 m 处，瓦斯含量最大值为3.59 m3/t；302 采区可采范围内，由南向北，瓦斯含量逐渐增大，最大埋深240 m 处，瓦斯含量最大值为3.53 m3/t；303 采区可采范围内，由西向东瓦斯含量逐渐变大，最大埋深300 m 处，瓦斯含量最大值为3.88 m3/t；304 采区可采范围内，由西向东瓦斯含量逐渐变大，最大埋深350 m 处，瓦斯含量最大值为4.16 m3/t。

图3 3#煤层瓦斯含量等值线图

2.2 3#煤层突出危险性预测

煤层瓦斯含量是主要参数之一，可用作评价瓦斯涌出及煤层突出危险性。主采煤层总体处于甲烷—氮气带和甲烷带，3#煤层部分区域处于瓦斯风化带范围内，井田内3#煤层瓦斯含量具有北高南低的特征，预测瓦斯含量最大值为4.16 m3/t，小于8 m3/t；周边煤矿也未发生过瓦斯动力现象，初步认为3#煤层无煤与瓦斯突出危险性。

3 矿井瓦斯涌出量预测

研究采用分源预测法对晋能集团大通煤业的瓦斯涌出量进行预测，在瓦斯风化带内使用下限指标进行预测[12-13]

3.1 预测条件

1）根据瓦斯涌出量测定报告瓦斯来源分析，矿井瓦斯主要来源于本煤层采煤工作面（图4）。

图4 涌出量预测模式图

2）矿井设计生产能力为年产量120 万t。按照矿井初步设计，矿井回采工作面日产量为3661 t，工作面运输顺槽掘进断面为9.10 m2，工作面回风顺槽掘进断面为10.08 m2，掘进速度为360 m/月。依据测试报告，残存量取值1.98 m3/t，301 采区最大瓦斯含量取3.13 m3/t，302 采区最大瓦斯含量取3.53 m3/t，303 采区最大瓦斯含量取3.88 m3/t，304 采区最大瓦斯含量取4.16 m3/t。回采工作面和掘进工作面瓦斯涌出量预测见表3 及表4。

表3 回采工作面瓦斯涌出量预测结果表

3.2 预测公式

式中：q采为工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；q1为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。

1）回采面涌出量

式中：k1为围岩瓦斯涌出系数，取k1=1.3；k2为丢煤瓦斯涌出系数，k2=1.05；k3为长壁后退式回采条件下准备巷道预排瓦斯影响系数；L为回采工作面长度；h为巷道瓦斯预排等值宽度；m为开采层厚度；M为工作面采高；W0为煤层原始瓦斯含量；W1为煤的残存瓦斯含量。

2）邻近层涌出量

式中：mi为第i个邻近层煤层厚度，m；M为工作面采高，m；ηi为第i个邻近层瓦斯排放率%；Woi为第i个邻近煤层的原始瓦斯含量，m3/t；Wci为第i邻近煤层残存的瓦斯含量，m3/t。回采工作面瓦斯相对涌出含量邻近层按0 值计算。

生产采区瓦斯涌出量系采区内所有回采工作面、掘进工作面及采空区瓦斯涌出量之和，生产采区瓦斯涌出量预测结果见表5。

表5 生产采区瓦斯涌出量预测结果

3#煤层在年产量120 万t 条件下：回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为10.58 m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为2.69 m3/min，采区最大绝对瓦斯涌出量达13 m3/min，矿井最大绝对瓦斯涌出量达14 m3/min，相对瓦斯涌出量约为5.6 m3/t。

4 结论

1）通过对3#煤层瓦斯含量测定获取埋藏深度与瓦斯含量的关系：W=0.005 7H+2.161 8，R2=0.88，结果显示呈线性正比关系。

2）主采煤层总体处于甲烷—氮气带和甲烷带，3#煤层部分区域处于瓦斯风化带范围内，井田内3#煤层瓦斯含量具有北高南低的特征，预测瓦斯含量最大值为4.16 m3/t，小于8 m3/t，初步认为3#煤层无煤与瓦斯突出危险性。

3）预测矿井最大绝对瓦斯涌出量达14 m3/min，相对瓦斯涌出量约为5.6 m3/t。