屯蘭礦煤層瓦斯地質規律及涌出量預測

呂振繪

（西山煤電集團有限責任公司 屯蘭礦，山西 古交 030200）

屯蘭礦隸屬于西山煤電集團有限責任公司，位于太原地區古交市西南。屯蘭礦主要可采煤層為2#煤層、8#煤層和9#煤層。2#煤層埋深72m以淺為風氧化帶區，煤層埋深在200～400m，氮氣在0.7% ～13.24%，二氧化碳在0.01% ～0.86%，甲烷在86.68%～97.84%，但均處于風氧化帶以下。2#煤層位于山西組中上部，上距03#煤層6.90m左右，下距4#煤層9.09m左右。煤層厚1.47 ～5.22m，平均3.28m，井田東部和西部厚度小，中部厚度大，435#孔一帶厚度最大，一般含1～3層夾矸，局部不含夾矸，煤層結構較簡單，為全井田可采的穩定煤層。頂板以砂質泥巖和泥巖為主，次為細粒砂巖和炭質泥巖，底板以炭質泥巖為主，次為砂質泥巖。

1 礦井瓦斯地質規律分析

2#煤層瓦斯的賦存特征主要是受以下地質因素控制：煤層埋藏深度及上覆基巖厚度，頂、底板巖性，水文地質條件。煤層瓦斯含量沿傾向分布規律常用瓦斯含量與上覆基巖厚度之間關系表示。覆蓋層厚度的大小往往直接影響成煤過程中產生的瓦斯在煤層中保存條件的好壞。研究成果表明：覆蓋層厚度越大，煤層瓦斯含量越高，線性關系能較好描述兩者，能夠客觀揭示煤層瓦斯含量沿傾向的分布規律。2#煤層的頂板巖性基本為泥巖和炭質泥巖，封閉性較好，對煤層中瓦斯起封閉作用，圍巖的透氣性對煤層瓦斯含量有著重要的影響。由本區水文地質條件進行分析可知，瓦斯含量在地下水徑流作用較強的地方相對較大。但不同埋藏深度煤層，與地下水之間聯系不同，受地下水影響也不同。

2 2#煤層瓦斯含量分布及預測

影響2#煤層瓦斯含量的不同因素及其相關關系見表1.通過表1分析可知，2#煤層瓦斯含量受埋藏深度、上覆基巖厚度影響較大，其相關系數都大于0.8，而頂板20m內泥巖厚度、底板標高對瓦斯含量的影響較小，說明影響2#煤層瓦斯含量分布的重要因素是煤層埋藏深度、上覆基巖的厚度。

表1 影響因素與2#煤層瓦斯含量相關關系表

本文預測瓦斯含量，主要是通過利用含量與埋藏深度之間的回歸關系。

由表1分析可知，影響屯蘭礦2#煤層瓦斯含量的主要因素是煤層埋藏深度。2#煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度回歸方程：

其中：煤層埋藏深度為x（m）；瓦斯含量為y（daf，m3／t）；相關回歸系數為R.

由方程（1）得出不同位置處的瓦斯含量趨勢值見表2.

表2 不同位置處的瓦斯含量趨勢值

劃分瓦斯風化帶的下界的指標值取瓦斯含量2 m3／t·daf，2.7m3／t·daf／100m為瓦斯含量梯度，2#煤層的瓦斯風化帶下界可取72m.2#煤層瓦斯含量的大體趨勢是由礦井的東北向西南方向，含量逐漸增加。

3 2#煤層瓦斯涌出量預測

3.1 分源預測法預測

分源預測法：基于煤層賦存條件和開采技術條件，根據瓦斯涌出源的瓦斯涌出規律并結合煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關系，最后計算工作面瓦斯涌出量，獲得采區和礦井瓦斯涌出量預測結果。其計算公式如下：

1）開采煤層（包括圍巖）瓦斯涌出量。

相對瓦斯涌出量q1由式（3）確定：

式中：煤層厚度為m0（m），2#煤層平均厚度m0=3.28m，煤層采高為m1（m），開采煤層（包括圍巖）相對瓦斯涌出量為q1（m3／t），工作面丟煤瓦斯涌出系數為k2取工作面回采率的倒數，屯蘭礦2#煤層工作面k2取1.05，煤層瓦斯含量為X0（m3／t），圍巖瓦斯涌出系數為k1，取1.2，兩巷掘進預排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數為k3，根據回采方法的不同k3的取值也不同，其中采用長壁后退式回采時，k3由式（4）確定：

其中：工作面長度為L（m），巷道瓦斯預排等值寬度為h（m）.

2）鄰近層瓦斯涌出量。

鄰近層瓦斯涌出量q2由式（5）確定：

其中：鄰近層瓦斯涌出量q2（m3／t）；第i鄰近層殘存瓦斯含量為Xli（m3／t）；第i個鄰近層厚度mi（m）；開采層的開采厚度ml（m）；第i鄰近層原始瓦斯含量Xoi（m3／t）；取決于層間距離的第i鄰近層瓦斯排放率為ki.

3）煤壁瓦斯涌出量。

煤壁瓦斯涌出量q3由式（6）確定：

其中：煤壁瓦斯涌出量為q3（m3／t）；煤壁暴露面數為n其中單巷送道n取2；煤層厚度m（m）；掘進平均速度為v（m／min）；巷道長度為L（m）；煤壁瓦斯涌出初速度為Q0（m3／m2·min），按式（7）計算：

4.2 2#煤層分源法瓦斯預測

由于2#煤層上距1#煤層3.78m，距03#煤層6.73 m，距02#煤層8.06m。下距3#煤層0.71m，距4#煤層7.83m，距5#煤層13.07m，距6#煤層34.95m，距7#煤層58.53m，距8#煤層76.1m，除8#煤層外，其余煤層均不穩定，進行預測時，鄰近層只考慮來自8#煤層的瓦斯涌出。預測結果見表3.

表3 2#煤層分源法瓦斯預測結果表

屯蘭礦北翼與南翼煤層瓦斯含量相差較大，采用分源預測法對整個礦井進行預測時，北盤區與南盤區誤差較大，因此，在對2#煤層分源預測結果基礎上，分別在北盤區和南盤區已采工作面瓦斯相對涌出量進行比較，比較結果見表4.

表4 南、北盤區已采工作面瓦斯相對涌出量比較表

根據表4，北一盤區煤層平均產量3067t／d，平均相對瓦斯涌出量為7.79m3／t，采用分源預測法在此產量下相對瓦斯涌出量為13.86m3／t，因此，對北一盤區同樣埋深進行相對瓦斯涌出量預測時，需要乘以修正系數0.562.

根據表4，南二盤區煤層平均產量4507t／d，在采取瓦斯抽放措施下平均相對瓦斯涌出量為8.27 m3／t，采用分源預測法在此產量下瓦斯相對涌出量為35.50m3／t，若不采取瓦斯抽放措施，預測瓦斯相對涌出量與實際差別不大，幾乎不再需要修正。

根據表4，南三盤區煤層平均產量2142t／d，平均相對瓦斯涌出量為21.50m3／t，采用分源預測法在此產量下相對瓦斯涌出量為20.06m3／t，預測結果較準確，因此，對南三盤區，不必再進行修正。南四盤區瓦斯含量與南三盤區相差無幾，可以以此方法進行瓦斯涌出量預測。

南五、南六盤區埋藏深度比南三埋藏深度深，平均產量按2142t／d計算時，采用分源預測法在此產量下相對瓦斯涌出量為20.06m3／t，但該區瓦斯含量明顯增加，因此，應根據預測的瓦斯含量數據進行修正。

目前，屯蘭礦2#煤層在北一盤區、南二盤區和南三盤區，平均產量分別在3067t／d，4507t／d和2142t／d，而3個盤區工作面煤層埋深相對淺，因此，對深部預測時，主要根據南三盤區預測公式進行，即煤層埋深在150m 時工作面絕對瓦斯涌出量為15m·min-1，在埋深300m時工作面絕對瓦斯涌出量為30m3·min-1，在埋深為450m時工作面絕對瓦斯涌出量為45m·min-1.

4 結 論

通過對屯蘭礦礦井瓦斯地質規律分析，煤層瓦斯的賦存特征主要受煤層埋藏深度及上覆基巖厚度，頂、底板巖性，水文地質條件等地質因素控制。根據2#煤層瓦斯含量與主要因素的回歸關系方程，確定了煤層埋藏深度是影響屯蘭礦2#煤層瓦斯含量的主要因素。最后應用分源預測法對屯蘭礦各個盤區的2#煤層進行了瓦斯涌出量預測。

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