基于瓦斯風化帶判定指標的礦井瓦斯涌出量預測研究

李瑞林 王 偉

（山西安標檢驗認證有限公司，山西 太原 030000）

瓦斯涌出量數據是礦井進行通風設計、瓦斯治理關鍵性基礎參數[1]。新建礦井、開采新煤層和開采新水平都必須進行瓦斯涌出量預測[2]，最常用的方法是礦山統計法和分源預測法。礦山統計法并不適用瓦斯風化帶內的煤層[3]，只能采用分源預測法。對分源預測法，如何確定瓦斯風化帶內煤層最大瓦斯含量是預測成功的關鍵。

簸箕掌煤業位于大同市馬道頭鄉，設計生產能力120 萬t/a。礦井屬于基建階段，準備開采19#煤層，因此預測19#煤層瓦斯涌出量對礦井下一步瓦斯治理和通風管理具有重要的指導意義。本文根據瓦斯風化帶判定指標，提出一種確定瓦斯風化帶煤層最大瓦斯含量的新途徑，為風化帶內瓦斯涌出量預測提供了新的方法。

1 煤層瓦斯含量測定

簸箕掌煤業井下實測數據以及校正后的地勘瓦斯含量數據見表1。

根據表1 可知，19#煤層的瓦斯含量較小，含量在0.22～0.44 m3/t 之間，最大瓦斯含量為0.44 m3/t。殘存瓦斯含量在0.14～0.25 m3/t 之間，最小殘存瓦斯含量為0.14 m3/t。氣體組分中CH4濃度為2.15%～24.16%，平均濃度為11.21%；CO2濃度為0.00%～3.25%，平均濃度為1.68%；N2濃度為73.76%～94.79%，平均濃度為87.41%。

2 煤層瓦斯賦存特征

簸箕掌井田位于大同向斜的中東部，井田總體構造形態為一傾向北、走向近東西的單斜構造，地層傾角3°～5°。井田內發現7 條正斷層，其中中南部的有三條近東西向的正斷層，使井田形成了地壘、地塹構造格局。

煤層瓦斯含量較低的原因：（1）簸箕掌煤業19#煤層屬于變質程度較低的氣煤，在整個成煤過程中生成的瓦斯量較小，且其吸附能力也較小，是導致目前煤層中瓦斯含量較小的主要原因。（2）19#煤層埋深最深處約為310 m，最淺約為160 m，較淺的煤層埋藏為瓦斯的逸散提供了有利的條件。（3）井田內斷裂構造較發育，共發現7 條斷層，在井田內斷層均為張性正斷層，屬于開放性斷層，有利于瓦斯釋放。

煤層瓦斯賦存沿垂向分為瓦斯風化帶和CH4帶。瓦斯風化帶可細分為CO2-N2帶、N2帶、和N2-CH4帶[4]。根據劃分標準和實測氣體組分數據，19#煤層埋深297 m 處于N2帶，而井田范圍內的最大埋深為310 m，埋深為310 m 處極大可能仍處于N2帶，最多進入到N2-CH4帶，不會跨越式地躍遷進去甲烷帶，推斷19#煤層屬于瓦斯風化帶。以往研究表明，在CH4帶內煤層瓦斯含量一般會隨煤層埋藏深度的增加有增大的趨勢[5]，而在瓦斯風化帶中的煤層瓦斯含量賦存不均衡，無明顯規律[6]。

根據表1 的瓦斯含量數據分析19#煤層瓦斯含量分布規律，繪制了19#煤層瓦斯含量與埋深分布散點圖，如圖1 所示。根據圖示，19#煤層瓦斯含量與埋深的分布散亂，不具有規律性，無法得到瓦斯含量與埋深的線性關系，不能確定19#煤層內的最大瓦斯含量。

表1 19#煤層瓦斯含量測定結果表

圖1 19#煤層瓦斯含量與埋深分布散點圖

3 礦井瓦斯涌出量預測

3.1 預測含量的選擇

對分源預測法來說，預測區域內的最大瓦斯含量是進行預測的關鍵性參數，而根據瓦斯賦存特征，19#煤層位于瓦斯風化帶，無法確定最大瓦斯含量。因此可采用“瓦斯風化帶判定指標”的煤種瓦斯含量指標進行瓦斯涌出量預測，如表2 所示。根據《煤層瓦斯風化帶確定方法》（MT/T 1174-2019）中的瓦斯風化帶判定準則：當煙煤和無煙煤瓦斯組分分析結果中甲烷氣體體積分數小于80%且可燃基瓦斯含量Wr滿足下列條件時，則指標測定點處于瓦斯風化帶內。

表2 不同煤種瓦斯風化帶判定指標

根據煤類劃分，19#煤層為氣煤；根據“瓦斯風化帶判定指標”的瓦斯含量指標，19#煤層取1.5 m3/t 作為其最大可燃基瓦斯含量。根據地質報告中19#煤層的平均水分（Mad）為1.10%，平均灰分（Ad）為31.53%，換算成原煤瓦斯含量為1.01 m3/t。

3.2 預測條件

19#煤層生產能力為120 萬t/a，布置1 個回采工作面和2 個順槽掘進工作面，全部垮落法管理頂板。19#煤層平均厚度9.89 m，為特厚煤層。回采工作面回采率取93%，工作面長度為210 m，工作面平均產量3122 t/d。掘進工作面掘進速度為300米/月，掘進工作面凈寬5.2 m，凈高3.5 m，凈斷面為18.20 m2，平均出煤量為257 t/d，巷道長度為1600 m。9 號煤層平均厚度為9.89 m，頂板垮落帶最大高度為29.40 m，上鄰近層16上#、16#和18#煤層均位于19#煤層的垮落帶中，鄰近層瓦斯排放率均取100%。19#煤層殘存瓦斯含量取歷次殘存瓦斯含量的最小值0.14 m3/t。

3.3 預測結果

將預測參數帶入，經計算可知19#煤層達產120 萬t/a 時，礦井最大相對和絕對瓦斯涌出量分別為2.24 m3/t 和5.66 m3/min，回采面最大瓦斯涌出量為2.93 m3/min，掘進面最大瓦斯涌出量為0.49 m3/min，簸萁掌煤業開采19#煤層時為低瓦斯礦井。同時礦井相對瓦斯涌出量為2.24 m3/t，小于3 m3/t，也驗證了19#煤層位于瓦斯風化帶的結論。

3.4 現場試驗

現場統計了礦井建設期間的瓦斯涌出量實測數據，礦井絕對瓦斯涌出量2.09 m3/min，掘進面瓦斯涌出量為0.34 m3/min。根據標準，掘進工作面的瓦斯不均衡涌出系數取1.5，因此掘進面的最高絕對瓦斯涌出量為0.51 m3/min。將實測結果與預測結果進行對比，見表3，相對誤差為3.92%，小于5%，滿足實際需求。

表3 預測結果與實測統計值結果對比

4 結論

（1）根據瓦斯含量測定結果，19#煤層的瓦斯含量較小，含量為0.22～0.44 m3/t，殘存瓦斯含量為0.14～0.25 m3/t。瓦斯氣體中N2最多，平均濃度為87.41%；其次為CH4，平均濃度為11.21%；CO2最少，平均濃度為1.68%。19#煤層位于瓦斯風化帶。

（2）19#煤層變質程度較低是瓦斯含量較低的主要原因，其次，埋藏深度淺和斷裂構造較發育為瓦斯的逸散提供了有利的條件。

（3）19#煤層為氣煤，根據“瓦斯風化帶判定指標”的煤種瓦斯含量指標，19#煤層取1.5 m3/t 作為其最大可燃基瓦斯含量，進行涌出量預測，現場實測值和該方法的預測值相對誤差為3.92%，小于5%，滿足實際需求。因此其他瓦斯風化帶內的煤層可根據煤種選擇相應的煤種瓦斯含量，作為煤層最大瓦斯含量進行瓦斯涌出量預測。