张志勇
(阳泉新宇岩土工程有限责任公司,山西 阳泉 045000)
煤炭是保障我国经济发展的重要能源之一。我国煤层赋存条件复杂,大多数矿井瓦斯灾害严重,对矿井的安全生产影响较大。掌握矿井的瓦斯分布规律,并科学地进行瓦斯涌出量预测,是防治瓦斯灾害的重要措施[1]。我国学者基于不同类型矿井及生产条件对矿井瓦斯分布规律进行研究,并对瓦斯涌出量进行预测,取得了许多研究成果,并指导于矿山的安全生产。在分析茂通煤业有限公司煤矿瓦斯赋存的主要地质控制因素(煤层埋深、煤层瓦斯风化带、甲烷带)的基础上,通过线性回归建立煤层埋深与瓦斯含量的关系,并采用分源预测法预测矿井瓦斯涌出量。
安泽登茂通煤业有限公司(以下简称茂通煤业)位于安泽县唐城镇上庄村、前岭底村一带,行政区划隶属安泽县唐城镇管辖,生产规模0.9 Mt/a。井田含煤地层总厚度129.02 m,含煤15层,煤层平均总厚度7.36 m,平均含煤系数5.70%。井田内可采煤层为山西组的2、3号煤层和太原组的10号煤层,目前主采煤层为2、3号煤层。矿井采用斜井开拓,布置有4个井筒,生产水平标高为+930 m,全井田2、3号煤层划分为五个采区,开采方式为下行式开采,开采顺序为采区前进式,采用走向长壁后退式回采。矿井通风采用中央分列式机械式通风方式。
根据山西克瑞通事业有限公司2012年10月提交的《阳泉煤业集团安泽登茂通煤业有限公司煤田地质补充勘探文字说明书》资料,101、301钻孔共采取2号煤层瓦斯煤样2个,测定结果如表1所示。
表1 地勘探钻孔瓦斯含量测定结果
煤层瓦斯含量是计算瓦斯蕴藏量、预测瓦斯涌出量的重要依据[2],采用钻孔煤屑解吸法测定茂通煤业2号、3号煤层瓦斯含量,采用风煤钻向煤层中钻孔,钻孔深度大于20 m,测定地点2号煤层 为2103进 风 巷、2102回 风 巷、2101回 风 巷、2101进风巷、二采区回风巷;3号煤层为3202回风巷、3201回风巷、3201进风巷、二采区轨道巷、二采区皮带巷。测定结果如表2所示。
表2 2号、3号煤层瓦斯含量测定结果
依据茂通煤业2020年矿井、采区、工作面瓦斯和二氧化碳涌出量测定数据,矿井绝对瓦斯涌出量为41.21 m3/min,相对涌出量25.96 m3/t,3109回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为8.97 m3/min,2210回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为24.66 m3/min,2202辅助进风巷掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.39 m3/min,矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井。
煤层瓦斯含量受多种地质因素的制约,但在诸多因素之中,一般有一个主导因素控制瓦斯在整个矿井范围内变化的分布趋势并影响煤层瓦斯含量[3]。依据勘探钻孔瓦斯样测试结果以及井下实测瓦斯含量数据,分析2号、3号煤层瓦斯含量分布规律。2号煤层在101钻孔的瓦斯含量为4.3 m3/t,301钻孔的瓦斯含量为4.6 m3/t。101、301钻孔2号煤层埋深分别为400 m、425 m左右。 根 据 《煤 层 气 资 源/储 量 规 范》(DZ/T 0216/2002)规定的煤层瓦斯风化带煤层原煤瓦斯含量4.0 m3/t的下限,故101钻孔和301钻孔均在2号煤层甲烷带内。
对井下实测煤层瓦斯含量数据以及地勘101、301钻孔煤层瓦斯含量数据进行分析,通过线性回归得出其分布规律如下:
(1)根据井下实测地点取样测定的原煤瓦斯含量2号煤在3.52~4.14 m3/t之间,平均3.83 m3/t;地勘101、301钻孔煤层瓦斯含量分别为4.3 m3/t、4.6 m3/t;3号煤在4.43~5.55 m3/t之间,平均4.99 m3/t;分别绘制了2号、3号煤层瓦斯含量与埋深关系等值线图。根据瓦斯风化带的划分,茂通煤业2号煤层在一采区内埋深在450 m以上处于氮气-甲烷带,450 m以下处于甲烷带,2号煤层在二采区内处于甲烷带;3号煤层在一、二采区内处于甲烷带;3号煤层在三采区内埋深275 m以上处于氮气-甲烷带,275 m以下处于甲烷带。
(2)2号、3号煤层瓦斯含量与煤层埋深正相关,随埋藏深度H增大有加大的趋势[4],两者之间遵循式(公式1、2、3)所示的统计关系:
式中:W为煤层瓦斯含量,m3/t;H为煤层埋藏深度,m。
(3)2号煤层瓦斯含量梯度为0.77 m3/t/hm,3号煤层瓦斯含量梯度为1.48 m3/t/hm。
(4)瓦斯含量预测
根据2号、3号煤层的埋深以及瓦斯含量梯度,绘制了2号、3号煤层瓦斯含量等值线图[5]如图1、图2所示,由图得出:
2号煤层瓦斯分布情况:一采区埋深范围为267~370 m,瓦斯含量在3.41~4.12 m3/t之间,最大瓦斯含量为4.12 m3/t;二采区埋深范围为358~507 m,瓦斯含量在4.03~5.17 m3/t之间,最大瓦斯含量为5.17 m3/t。
3号煤层瓦斯分布情况:一采区埋深范围为279~380 m,瓦斯含量在4.07~5.55 m3/t之间,最大瓦斯含量为5.55 m3/t;二采区埋深范围为367~517 m,瓦斯含量在5.38~7.59 m3/t之间,最大瓦斯含量为7.59 m3/t;三采区埋深范围为206~306 m,瓦斯含量在3.0~4.48 m3/t之间,最大瓦斯含量为4.48 m3/t。
图1 2号煤层埋深与瓦斯含量等值线关系
图2 3号煤层埋深与瓦斯含量等值线关系
为了茂通煤业的安全生产,中国矿业大学利用分源预测法对矿井瓦斯涌出量进行了预测,依次对矿井回采(包括开采层、围岩和邻近层)、掘进及采空区瓦斯涌出量进行计算[6],并提交了《阳泉煤业集团安泽登茂通煤业有限公司2号、3号煤层矿井瓦斯涌出量预测报告》,山西省煤炭工业厅以晋煤瓦发〔2014〕145号文予以批复,预测成果如下:矿井生产能力达0.9 Mt/a时,在开采2号、3号煤层过程中矿井最大绝对瓦斯涌出量分别为34.06 m3/min、32.98 m3/min,最大相对涌出量分别为17.99 m3/t、17.42 m3/t。
通过对茂通煤业2号、3号煤层瓦斯含量的测定,对矿井瓦斯涌出量进行预测,得出如下结论:
1)茂通煤业2号、3号煤层瓦斯含量与煤层埋深正相关,瓦斯含量随埋藏深度H增大有逐渐加大的趋势,呈线性统计规律。
2)采用分源预测法预测矿井在开采2号、3号煤层过程中矿井最大绝对瓦斯涌出量分别为34.06 m3/min、32.98 m3/min,最大相对涌出量分别为17.99 m3/t、17.42 m3/t,可作为茂通煤业在开采规划、瓦斯抽采方案设计的基础数据。