礦井瓦斯涌出量分源預(yù)測(cè)法的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)探討

楊安朋，程魯晗

礦井瓦斯涌出量分源預(yù)測(cè)法的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)探討

楊安朋1，程魯晗2

（1.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650000；2.云南省煤礦安全監(jiān)察局，云南昆明650000）

本文根據(jù)分源瓦斯預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)步驟，所需主要計(jì)算參數(shù)，介紹了預(yù)測(cè)思路及各參數(shù)的選擇方法及經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)要探討了分源瓦斯預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)應(yīng)用中存在的問題及建議。

分源瓦斯預(yù)測(cè)法；鉆孔瓦斯含量；煤層原始瓦斯含量；純煤瓦斯含量；原煤瓦斯含量；殘存瓦斯含量；瓦斯涌出量

前言

分源瓦斯預(yù)測(cè)法是礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法中較為常用的方法，其根據(jù)時(shí)間和地點(diǎn)的不同，分為回采工作面瓦斯涌出、掘進(jìn)工作面瓦斯涌出、現(xiàn)采采空區(qū)瓦斯涌出及老采空區(qū)瓦斯涌出等多個(gè)向礦井涌出的瓦斯源，分別對(duì)各個(gè)瓦斯涌出源進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終得出礦井瓦斯涌出量[1]。該方法為礦井初步設(shè)計(jì)、抽采設(shè)計(jì)及防突專項(xiàng)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)[6]。

云南省是我國(guó)西南地區(qū)一個(gè)主要的產(chǎn)煤省，隨著開采深度的增加，開采強(qiáng)度的加大，煤礦瓦斯涌出量呈上升趨勢(shì)，原來的低瓦斯礦井逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚沟V井。瓦斯預(yù)測(cè)在設(shè)計(jì)中運(yùn)用頻繁。

分源瓦斯預(yù)測(cè)的步驟為：瓦斯參數(shù)的收集分析、根據(jù)礦井開拓布署或通風(fēng)、抽采設(shè)備的服務(wù)年限確定預(yù)測(cè)區(qū)域、根據(jù)確定的預(yù)測(cè)區(qū)域?qū)ν咚箙?shù)進(jìn)行取值、分別預(yù)測(cè)計(jì)算各個(gè)瓦斯涌出源的瓦斯涌出量、匯總采區(qū)及礦井瓦斯涌出量。

預(yù)測(cè)計(jì)算各步驟中涉及諸多參數(shù)的選擇及取舍，若處理不當(dāng)則會(huì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)后續(xù)措施的選擇及設(shè)備選型造成影響。

1 瓦斯參數(shù)的收集分析

分源瓦斯預(yù)測(cè)法會(huì)使用到如下數(shù)據(jù)及參數(shù)：

煤層原始瓦斯含量（ml/g.r、m3/t）、純煤瓦斯含量（ml/g.r）、殘存瓦斯含量（（ml/g.r、m3/t））、原煤瓦斯含量（m3/t）、原煤水份（%）、原煤灰份（%）、揮發(fā)份（%）、煤的密度（t/m3）、可采煤層特征（煤厚、層間距、煤層傾角、地質(zhì)構(gòu)造等）、預(yù)測(cè)所需的開采設(shè)計(jì)情況（開拓布署、采區(qū)位置、采掘面數(shù)量、生產(chǎn)能力、采煤方法、開采順序、采掘速度等）。

1.1 地質(zhì)報(bào)告瓦斯參數(shù)收集

根據(jù)地質(zhì)勘探階段的要求，地質(zhì)部門提交的瓦斯資料，氮?dú)?沼氣帶的井田傾向上不少于三條勘探線，采樣點(diǎn)密度0.5～1.5點(diǎn)/km2，沼氣含量高的主采煤層加密取樣控制，采樣點(diǎn)占見煤點(diǎn)50%以上，著重布署在一水平[2]。每個(gè)煤層不少于5個(gè)采樣點(diǎn)，并測(cè)定煤層瓦斯參數(shù)：煤的堅(jiān)固性系數(shù)f、瓦斯放散初速度△p、吸附常數(shù)a、b值、孔隙率、滲透率、純煤瓦斯含量（鉆孔瓦斯含量）、煤層瓦斯壓力等[2]。

地質(zhì)報(bào)告給出的煤層鉆孔瓦斯含量采用直接測(cè)定法[5]測(cè)定，一般以可燃物（純煤）含量形式給出，即每克可燃物（純煤）中所含瓦斯氣體（CH4、CxHx、H2等）體積（ml/g.r），該含量中，單位質(zhì)量可燃物（純煤）僅為煤的可燃質(zhì)，不包括不可燃的灰份、水份等雜質(zhì)的質(zhì)量。

地質(zhì)報(bào)告中還給出了原煤灰份（Af）、水份（Wd）、揮發(fā)份（Vf）、可采煤層特征等數(shù)據(jù)。

1.2 參數(shù)測(cè)定報(bào)告瓦斯參數(shù)收集

生產(chǎn)礦井一般通過瓦斯參數(shù)測(cè)定的手段，撐握礦井開采煤層瓦斯賦存情況。目前中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院等機(jī)構(gòu)在云南省開展了多個(gè)瓦斯參數(shù)測(cè)定的項(xiàng)目。瓦斯參數(shù)測(cè)定報(bào)告中采用直接測(cè)定法或間接測(cè)定法對(duì)煤層瓦斯參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，并給出了煤的堅(jiān)固性系數(shù)f、瓦斯放散初速度△p、煤的破壞類型、吸附常數(shù)a、b值、孔隙率、真密度、視密度、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)β、煤層透氣性系數(shù)、煤層瓦斯壓力、原煤瓦斯含量（m3/t）等。

瓦斯參數(shù)測(cè)定報(bào)告給出的原煤瓦斯含量（m3/t）中，煤的單位質(zhì)量包括了煤的可燃質(zhì)與不可燃的灰份、水份等雜質(zhì)的質(zhì)量。

1.3 歷年瓦斯等級(jí)資料收集

云南省每個(gè)生產(chǎn)礦井或在建礦井每年均進(jìn)行瓦斯等級(jí)鑒定，并下發(fā)瓦斯等級(jí)鑒定證書。瓦斯等級(jí)鑒定是在一定時(shí)間（一個(gè)月）內(nèi)連續(xù)測(cè)定、記錄的方法，測(cè)定礦井風(fēng)量、風(fēng)流中瓦斯和二氧化碳濃度、抽排瓦斯量、統(tǒng)計(jì)礦井產(chǎn)煤量等數(shù)據(jù)，最后通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，得出礦井瓦斯涌出量[4]。

瓦斯等級(jí)證書中記錄了礦井生產(chǎn)能力、礦井絕對(duì)瓦斯涌出量（m3/min）、礦井相對(duì)瓦斯涌出量（m3/t）、礦井絕對(duì)二氧化碳涌出量（m3/min）、礦井相對(duì)二氧化碳涌出量（m3/t）等數(shù)據(jù)，并根據(jù)結(jié)果對(duì)礦井瓦斯等級(jí)進(jìn)行了劃分。

1.4 瓦斯資料分析選取

1.4.1 瓦斯含量數(shù)據(jù)分析

礦井一般情況下煤層數(shù)量較多，資料收集時(shí)，為盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)瓦斯涌出量，應(yīng)盡可能走訪收集周邊礦井的相關(guān)瓦斯參數(shù)資料。

成煤過程中煤層內(nèi)自然產(chǎn)生了灰份、水份等不可燃物雜質(zhì)，地質(zhì)報(bào)告中鉆孔瓦斯含量為未受采動(dòng)影響的煤層原始瓦斯含量（以純煤瓦斯含量ml/g·r形式給出），在參與采掘面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)計(jì)算前需換算成原煤瓦斯含量，計(jì)算公式如下：

式中：W0——原煤瓦斯含量，m3/t；

W0.r——純煤瓦斯含量（鉆孔瓦斯含量），ml/g.r；

Af——原煤平均灰份，%；

Wd——原煤平均水份，%。

瓦斯參數(shù)測(cè)定報(bào)告中的原煤瓦斯含量 （m3/t）則按上式1換算成純煤瓦斯含量（ml/g.r），以便后續(xù)篩選數(shù)據(jù)和殘存瓦斯含量計(jì)算。

將上述瓦斯含量相互換算后，按煤層、取樣位置及標(biāo)高進(jìn)行匯總。

由于瓦斯含量采樣工作可能存在取樣時(shí)操作不當(dāng)或取樣點(diǎn)位于瓦斯風(fēng)氧化帶，則瓦斯含量值較低，若納入計(jì)算，則會(huì)拉低礦井瓦斯涌出量結(jié)果。因此，需按純煤瓦斯含量形式對(duì)匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，去掉無效數(shù)據(jù)。

純瓦斯含量可參考各煤種風(fēng)氧化帶瓦斯含量邊界值進(jìn)行篩選。

風(fēng)氧化帶瓦斯含量邊界值：

W=1.0～1.5m3/t.r（長(zhǎng)焰煤）；

W=1.5～2.0m3/t.r（氣煤）；

W=2.0～2.5m3/t.r（肥、焦煤）；

W=2.5～3.0m3/t.r（瘦煤）；

W=3.0～4.0m3/t.r（貧煤）；

W=5.0～7.0m3/t.r（無煙煤）。

上述各煤種風(fēng)氧化帶邊界值為處在大氣壓力下得到充分釋放后的殘留瓦斯含量。當(dāng)井田正常區(qū)域收集到的純煤瓦斯含量小于邊界值時(shí)，則可認(rèn)為是無效數(shù)據(jù)。但位于露頭附近的風(fēng)化帶處接近邊界值的數(shù)據(jù)可以保留，作為繪制瓦斯含量等值線圖的數(shù)據(jù)。

1.4.2 瓦斯含量數(shù)據(jù)選取

瓦斯含量數(shù)據(jù)篩選后，利用Surfer 8.0軟件生成瓦斯含量等值線圖（如圖1）。根據(jù)礦井開拓布署，在瓦斯含量等值線圖中劃分出初期水平開采區(qū)域，或按抽采及通風(fēng)設(shè)備服務(wù)年限劃分出開采區(qū)域，即該區(qū)域?qū)⒋_定為需要瓦斯預(yù)測(cè)的區(qū)域。在開采區(qū)域中，確定出開采期間長(zhǎng)期存在的瓦斯含量大值，取其作為分源瓦斯預(yù)測(cè)的煤層原始瓦斯含量。

例如圖1所示，粗實(shí)線以北為初期開采水平，此時(shí)水平劃分線穿過了數(shù)值為11的瓦斯含量等值線，但從開采時(shí)間來看，初期開采水平服務(wù)年限內(nèi)，大部分開采時(shí)間處于數(shù)值約10.6的瓦斯等值線區(qū)域，此時(shí)可以取瓦斯含量10.6作為分源瓦斯預(yù)測(cè)的煤層原始瓦斯含量。

1.4.3 其它數(shù)據(jù)選取

分源瓦斯預(yù)測(cè)方法中還用到了原煤灰份（Af）、水份（Wd）、揮發(fā)份（Vf）、密度、煤層厚度、煤層間距、煤層傾角等數(shù)據(jù)。有條件時(shí)可在預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)重新統(tǒng)計(jì)并取其平均值，或直接選取勘探報(bào)告給出的平均值。

預(yù)測(cè)所需的開采設(shè)計(jì)情況可根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容選取。

煤層原始瓦斯含量數(shù)據(jù)選定后，便可根據(jù)相關(guān)公式或附表計(jì)算出殘存瓦斯含量。

我國(guó)經(jīng)典的煤層瓦斯賦存及流動(dòng)理論認(rèn)為：煤的孔隙率直接影響煤的吸附能力，即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤的孔隙率越高，吸附瓦斯的能力越強(qiáng)，殘存瓦斯含量越高。煤的孔隙率則與煤的變質(zhì)程度呈一定的規(guī)律[5]，如表1煤的孔隙體積表[5]所示。

如表1所示，長(zhǎng)焰煤～瘦煤，變質(zhì)程度增加，孔隙率減小，吸附瓦斯能力降低；貧煤～無煙煤，變質(zhì)程度增加，孔隙率增大，吸附瓦斯能力增強(qiáng)；殘存瓦斯含量計(jì)算或取值中關(guān)于煤的變質(zhì)程度的劃分，一般認(rèn)為長(zhǎng)焰煤～瘦煤為低變質(zhì)煤，貧煤～無煙煤為高變質(zhì)煤。

2 各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

2.1 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)分為開采層瓦斯涌出量和鄰近層瓦斯涌出量。預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)理清煤層開采順序及其相互卸壓影響關(guān)系。

表1 煤的孔隙體積（馬克耶夫煤炭安全研究院）

2.1.1 開采層瓦斯涌出量

開采層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)計(jì)算中，首采煤層為初始開采時(shí)，其瓦斯含量為煤層原始瓦斯含量；其余煤層的開采因其開采順序不同，受鄰近煤層開采的影響（在卸壓影響范圍內(nèi)），開采時(shí)煤層瓦斯含量已受卸壓釋放，因此選擇參與計(jì)算的煤層原始瓦斯含量應(yīng)為受卸壓釋放后的原煤瓦斯含量。可用下式進(jìn)行判斷計(jì)算：

式中：Wk——開采時(shí)原煤瓦斯含量，m3/t；

W0——煤層原始瓦斯含量，m3/t；

ΔWi——受鄰近層第i次開采影響，卸壓釋放的瓦斯量，m3/t，未受采動(dòng)影響時(shí)ΔWi=0；

ΔWi=（Wi-1-Wc）ηi

式中：Wi-1——受鄰近層第i-1次開采卸壓釋放后的原煤瓦斯含量，m3/t；

Wc——煤層殘存瓦斯含量，m3/t；

ηi——受鄰近層第i次開采影響時(shí)的卸壓釋放率，可根據(jù)開采條件查表取值。

2.1.2 鄰近層瓦斯涌出量

鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算中，應(yīng)注意的是在開采層開采時(shí)，其卸壓影響范圍內(nèi)的可采或不可采的鄰近煤層涌向回采工作面的瓦斯量；應(yīng)盡可能詳盡地統(tǒng)計(jì)計(jì)算鄰近煤層的瓦斯涌出量，一般考慮厚度為0.3m以上的可采或不可采鄰近層瓦斯涌出量。但礦井0.3m以上的不可采煤層的瓦斯參數(shù)一般不全，因此可考慮選擇同一組段內(nèi)煤質(zhì)相同且相鄰最近的煤層瓦斯參數(shù)作為鄰近層瓦斯參數(shù)，進(jìn)行鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算。

鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算時(shí)也應(yīng)考慮采動(dòng)卸壓影響，選擇參與計(jì)算的原煤瓦斯含量判斷計(jì)算與上述式2相同。

2.2 煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量計(jì)算中，涉及到煤層原始瓦斯含量，此處掘進(jìn)煤層的原煤瓦斯含量一般考慮為未受采動(dòng)卸壓影響的煤層原始瓦斯含量。理由是煤層開采過程中，由于種種因素影響，會(huì)形成需掘進(jìn)的煤巷條帶處于未卸壓釋放的情況，如留設(shè)煤柱、鄰近煤層不可采等。

3 采區(qū)和礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

采區(qū)和礦井瓦斯涌出量可按相應(yīng)的公式對(duì)各區(qū)域瓦斯涌出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出最終結(jié)果。

4 問題探討

（1）云南省白龍山煤礦在進(jìn)行瓦斯抽采設(shè)計(jì)時(shí)，煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)勘探報(bào)告提交的瓦斯含量較后期井下相同位置實(shí)測(cè)的瓦斯含量普遍偏低，通過對(duì)比分析，引入瓦斯含量修正系數(shù)（1.2～3.0），對(duì)地勘鉆孔所測(cè)瓦斯含量進(jìn)行修正，再進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。本文認(rèn)為可通過分析歷年瓦斯等級(jí)鑒定，利用其結(jié)果，在歷年開采范圍標(biāo)高內(nèi)進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，并調(diào)整修正系數(shù)，使其接近歷年瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果，得出相對(duì)合理的修正系數(shù)。

（2）純煤瓦斯含量與原煤瓦斯含量轉(zhuǎn)換計(jì)算中，原煤灰份、水份僅與原煤瓦斯含量中的吸附瓦斯量相關(guān)[5]，換算中未將測(cè)得的游離瓦斯量[5]另行計(jì)算，會(huì)存在一定的誤差，但由于煤層瓦斯含量中的游離瓦斯量[5]僅占總量的10%左右，因此誤差較小。

（3）分源瓦斯預(yù)測(cè)法不適用于對(duì)放頂煤開采方式的回采工作面的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，該方法中一些參數(shù)為我國(guó)部分礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得，部分公式為經(jīng)驗(yàn)公式，存在一定的局限性[6]。

（4）殘存瓦斯含量取值、計(jì)算中，原煤瓦斯含量要求是未受采動(dòng)影響的煤層原始瓦斯含量。生產(chǎn)礦井中受采動(dòng)影響后測(cè)得的原煤瓦斯含量并非煤層原始瓦斯含量，將影響殘存瓦斯含量的取值、計(jì)算結(jié)果。本文認(rèn)為生產(chǎn)礦井有條件時(shí)可進(jìn)行殘存瓦斯含量實(shí)測(cè)，以減少瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差。

5 結(jié)束語

分源瓦斯預(yù)測(cè)是瓦斯設(shè)計(jì)中常用的方法，計(jì)算過程需認(rèn)真細(xì)致，小失誤會(huì)造成全盤計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。該方法的關(guān)鍵在于原始數(shù)據(jù)的篩選及各參數(shù)的選取，同時(shí)還應(yīng)注意分清開采順序相對(duì)應(yīng)的計(jì)算邏輯，本文簡(jiǎn)單羅列了部分要點(diǎn)，以供探討。

[1]《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》（AQ1018-2006）.

[2]《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》（DZ/T0215-2002）.

[3]《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》（GB/T23250-2009）.

[4]《礦井瓦斯等級(jí)鑒定規(guī)范》（AQ1025-2006）.

[5]周世寧，林柏泉，著.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論.煤炭工業(yè)出版社.

[6]章立清，秦玉金，姜文忠，等.我國(guó)礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法研究現(xiàn)狀及展望.煤礦安全，2007，8.

TD712.5

A

2095-2066（2016）22-0047-03

2016-7-10

楊安朋（1983-），男，工程師，本科，采礦工程專業(yè)，一直在昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院工作至今，主要從事煤礦設(shè)計(jì)工作。

程魯晗（1986-），男，工程師，本科，采礦工程專業(yè)，主要從事煤礦安全監(jiān)察工作。