受采动影响煤层瓦斯赋存及涌出量预测研究

时间：2024-07-28

王伟

（山西安标检验认证有限公司，山西太原 030000）

高山煤业位于大同市云冈区境内高山镇小窑头村北，东距大同市约30 km，行政隶属大同市云冈区高山镇管辖，矿区面积3.886 4 km2。准备开采9号煤层，9号煤层开采属于蹬空开采，在其下部的11-2号煤层已回采完毕，12-1号煤层也已大部采空，9号煤层位于11-2和12-1号煤层的采动裂隙带内。掌握9号煤层的瓦斯赋存情况及涌出量数据，对矿井通风管理、瓦斯治理有着重要作用[1]。

1 矿井地质概况

高山煤业有限公司井田构造总体为轴向北东东或北西，向东倾伏的褶曲，为两个向斜、两个背斜组成的褶曲构造，区内大部分地区地层倾角为2°～3°。目前井田内共发现断层27条，但断距小，断层方向基本一致，有一定的规律可循，未发现岩浆岩活动，综述井田构造复杂程度属简单类型。井田内没有大型构造（断层）隔开，断层规模较小，褶曲较为平缓，断层和褶曲对井田的瓦斯赋存影响较小[2]，整个井田可视为同一个瓦斯地质单元。

2 煤层瓦斯含量测定及煤层瓦斯赋存

2.1 煤层瓦斯含量测定结果

根据高山煤业井下9号煤层实际巷道掘进情况，选择在一采区轨道巷选取含量测点进行测定，结果见表1。

根据表1，9号煤层的瓦斯含量较小，含量在0.99～1.05 m3/t 之间，可解吸瓦斯含量在0.09～0.22 m3/t 之间，气体组分中CH4浓度为15.58%～17.94%，CO2浓度为2.40%～4.14%，N2浓度为77.92%～82.02%。

表1 9号煤层瓦斯含量测定结果表

2.2 煤层瓦斯赋存特征

9号煤层属于蹬空开采，在其下部的11-2号煤层已回采完毕，12-1号煤层已大部采空。9号煤层下距11-2号煤层28.61～55.54 m，平均41.46 m，12-1号煤层位于11-2号煤层之下0.80～3.82 m，平均值为1.48 m。9号煤层处于11-2和12-1号煤层的采动裂隙带内，受采动影响，9号煤层原始煤体破坏，瓦斯逸散通道发育，9号煤层部分原始瓦斯已经得到释放，目前只能测定9号煤层的残余瓦斯含量。而由于9号煤层的裂隙发育程度不同，瓦斯逸散的程度不均匀，根据表1，9号煤层的残余瓦斯含量数据分析其煤层瓦斯赋存特征，绘制了9号煤层埋深与瓦斯含量关系图如图1，可知9号煤层残余瓦斯含量与埋深的分布杂乱，无规律性，已经不存在线性关系，因此无法得到9号煤层的最大瓦斯含量。

图1 9号煤层埋深与瓦斯含量关系图

根据“瓦斯风化带判定指标”，9号煤层为不粘煤，选1.5 m3/t作为瓦斯风化带判定临界值。9号煤层测定的瓦斯含量最大为1.05 m3/t，换算为可燃基瓦斯含量1.17 m3/t，小于1.5 m3/t。另根据气体组分数据9号煤层CH4成分为15.58%～17.94%，CO2成分为2.40%～4.14%，N2成分为77.92%～82.02%。综上，判定9号煤层处于瓦斯风化带中的氮气带、氮气～甲烷带[3]。

3 矿井瓦斯涌出量预测

3.1 预测条件

采用分源预测法预测高山煤业开采9号煤层[4]，达产60万t/a时，矿井最大瓦斯涌出量。9号煤生产时布置1个综采一次采全高工作面和2个顺槽掘进工作面，采掘比为1:2，全部垮落法管理顶板。9号煤层平均厚度0.90 m，工作面回采率取97%，设计工作面长度为160 m。工作面平均日产量1757 t。同时布置2个综掘工作面，半煤岩巷掘进，掘进速度为200 m/月。运输顺槽掘进工作面净宽4.6 m，净高2.3 m，净断面10.58 m2，半煤岩巷，日平均出煤量为36 t，巷道长度1400 m。回风顺槽掘进工作面净宽3.2 m，净高2.3 m，净断面7.36 m2，半煤岩巷，日平均出煤量为25 t，巷道长度1400 m。

3.2 9号煤层最大瓦斯含量确定

对分源预测法，煤层最大瓦斯含量是进行预测的核心参数，前已述及，9号煤层位于瓦斯风化带，无法确定最大瓦斯含量。因此可采用“瓦斯风化带判定指标”的煤种瓦斯含量指标进行瓦斯涌出量预测。根据煤类划分9号煤层为不粘煤，根据“瓦斯风化带判定指标”的瓦斯含量指标，再结合本矿瓦斯含量很小的实际情况，9号煤层取1.5 m3/t作为其最大瓦斯含量。由于1.5 m3/t是干燥无灰基瓦斯含量，需要将其换算成原煤瓦斯含量，计算得到9号煤层最大原煤瓦量为1.35 m3/t。

3.3 邻近层瓦斯排放率

9号煤层最大厚度为0.90 m，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的计算公式，顶板冒落带最大高度为7.07 m，顶板裂隙带hp最大高度为31.9 m，底板裂隙带为15.83 m。9号煤层因11-2号和12-1煤层开采而蹬空，9号煤层与12-1号煤层间距44.41 m，根据导水裂隙带公式，12-1号煤层平均厚度3.27 m，12-1号煤层开采后形成的导水裂隙带高度为51.79～60.47 m，存在了沟通9号煤层和12-1号煤层的裂隙，12-1号煤层的残留瓦斯可逸散到9号煤层的工作面。12-1号煤层底板裂隙带为11.89 m，因此9号煤层的底板破坏影响范围取44.41+3.27+11.89=59.26 m。根据煤层层间距距离，确定对9号煤层回采工作面瓦斯涌出量有影响的邻近层有7-3号、8号、10号、11-1号、11-2号、12-1号、13号和14-2号。9号煤层采高为0.90 m，小于4.5 m，邻近层瓦斯排放率按式（1）计算，计算结果见表2。

表2 9煤层邻近层瓦斯排放率

式中：Ki为邻近层瓦斯排放率，%；hi为第i邻近层与开采层垂直距离，m；hp为受采动影响顶底板破坏影响范围，m。

3.4 邻近层瓦斯含量

由于邻近层不具有实测条件，根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ 1018-2006）中附录A，该矿井邻近层的原始瓦斯含量、残存瓦斯含量参考开采层进行选取。9号煤层上邻近层7-3号和8号煤层原始瓦斯含量和残存瓦斯含量按9号煤层取值。9号煤层下邻近层10、11-1、11-2、13和14-2号煤层原始瓦斯含量和残存瓦斯含量按12-1号煤层取值，根据《山西煤炭运销集团高山煤业有限公司12-1号煤层瓦斯地质图说明书》，12-1号煤层最大原始瓦斯含量2.30 m3/t，残存瓦斯含量为1.25 m3/t。

9号煤层其上部的8号煤层已开采，7-3号煤层已经随8号煤层回采时排放部分瓦斯，其原始瓦斯含量需要修正。其下部的11-2和12-1号煤层已开采，下邻近层的10号、11-1号、13和14-2煤层已经分别随11-2和12-1号煤层回采时排放部分瓦斯，其原始瓦斯含量需要修正。修正公式按式（2）计算。

式中：WXZ为邻近层修正后瓦斯涌出量，m3/t；W0为邻近层原始瓦斯含量，m3/t；WC为邻近层残存瓦斯含量，m3/t；Ki为邻近层对已回采煤层的瓦斯排放率，%。瓦斯含量修正数据见表3。

表3 9煤层三采区邻近层瓦斯含量修正表