夏店煤矿瓦斯赋存规律与涌出量预测分析

王永红

(潞安矿业集团 慈林山煤业公司夏店煤矿，山西 襄垣 046200)

夏店煤矿为山西潞安矿业集团慈林山煤业公司下属的主力生产矿井之一，位于山西省襄垣县境内，井田面积13.237 3 km2，核定生产能力为1.8 Mt/a。矿井批准开采3#煤层，井田内3#煤层埋深80～600 m，厚度为4.10～7.06 m，属结构简单、稳定可采的厚煤层。

矿井投产以来瓦斯涌出量一直较小，2011年矿井瓦斯等级鉴定结果为低瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为10.18 m3/min，相对瓦斯涌出量为7.39 m3/t。但随着矿井开采深度的延伸，煤层瓦斯压力和瓦斯含量呈明显增大趋势，特别在3110工作面掘进期间，瓦斯涌出量显著增加，常发生回风流瓦斯浓度超限问题。实践证明，煤层瓦斯含量分布存在一定的规律，找出煤层瓦斯赋存规律，对于预防或避免瓦斯事故具有重要的现实意义［1－4］。因此，为保证矿井安全高效生产，对3#煤层深部区域瓦斯赋存规律及矿井后期开采瓦斯涌出量大小进行分析和预测很有必要。

1 矿井地质概况

1.1 含煤地层

夏店煤矿矿区内广泛被第四系黄土覆盖，仅在冲沟和河床两岸有零星基岩出露，主要出露地层为二迭系上石盒子地层。据钻孔资料该区主要赋存有奥陶系、石炭系本溪组、太原组、二迭系山西组、下石盒子组、上石盒子组地层。

井田内的煤层主要分布在二叠系下统的山西组和石炭系上统太原组。煤层总厚度13.31 m，其中可采煤层有3 层(3#煤层、15－1煤层、15－3煤层)，平均总厚度8.62 m。山西组厚度48.33～71.89 m，平均58.9 m，主要由粗砂岩、中细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成，上部为煤层薄而不稳定，主要可采的3#煤层发育在中下部。

1.2 矿区地质

夏店煤矿井田总体地质条件属于简单型，井田西北部为一走向北东，倾向北西的单斜构造，倾角10°～15°，东南部呈褶皱构造，中部局部倾角平均约5°～6°，西川断层附近局部倾角达40°。

1.2.1 褶曲

1)前袁家沟背斜:北起南姚村南，经刘家村西、北马喊、北坡、孔家庄、向家庄至霍村西至该背斜在井田东南部进入矿区，走向北东，井田内长约2 km，两翼倾角10°～15°。

2)夏店向斜:北起小西庄北，往南经南马喊村西，夏店至王北村西，延伸长4.6 km，其北端伸入矿区约1.5 km，两翼倾角10°～15°。

3)夏店背斜:北起小西庄北，往南经墁子坡村东，渠街至池岩村东南，延伸长5 km，其北端伸入矿区约1.5 km，两翼倾角10°～15°。

1.2.2 断层

1)西川正断层:为井田南部边界，近于东西走向，倾向东南，落差120 m，倾角70°，井田内全掩盖。

2)王家沟逆断层:为井田西部边界，南起九龙村南，向北经王家沟村东，后王家沟至圪塔头村北，延伸长7 km，平面形态呈S 型，倾向北西，倾角45°～61°，落差21～43 m，本矿界内3 km，地表黄土覆盖。

3)东坡正断层:位于井田东南部，走向北东，倾角74°，延伸长1.5 km，地表黄土覆盖。

4)北部正断层:隐状构造，走向北东，倾向北西，倾角50°，落差23 m。

在矿井的向斜轴部，裂隙不发育，瓦斯比较富集;背斜轴部张性裂隙发育，瓦斯容易逸散，不利于煤层瓦斯保存。矿井西川正断层呈东西走向，倾角为70°，造成矿井西部煤层埋深增大，并且3#煤层顶底板为泥质砂岩及泥岩，裂隙不甚发育，有利于煤层瓦斯的保存，从而形成矿井西部瓦斯大、东部瓦斯小的现象。

2 煤层瓦斯赋存规律分析

2.1 3#煤层瓦斯含量测定

煤层瓦斯含量是计算瓦斯储量和瓦斯涌出量的基础，也是预测煤与瓦斯突出的重要参数之一，所以准确测定煤层瓦斯含量非常必要［5－6］。采用钻孔煤屑解吸法对3#煤层瓦斯含量进行了实测。

钻屑解吸法［7］测定煤层瓦斯含量的原理:井下采集新鲜原始煤样，实测煤样瓦斯解吸量，根据煤样瓦斯解吸规律推算取样过程煤样的损失瓦斯量，然后测定煤样的残存瓦斯量，最后根据煤样的取样损失瓦斯量、瓦斯解吸量、残存瓦斯量和煤样重量计算煤层瓦斯含量。结合夏店煤矿的现场实际条件，在3#煤层选取了5 个测点对该煤层瓦斯含量进行现场测定，测点位置及瓦斯含量测定结果见表1。

表1 3#煤层地勘钻孔瓦斯成分测定结果统计表

根据《山西潞安矿业集团慈林山煤业公司夏店煤矿3#煤层补钻地质报告》，采用解吸法采3#煤层瓦斯样7 个，以往施工用解吸法采3#煤层瓦斯样6 个，加上建井早期矿井区内采3#煤层瓦斯样6 个，共19个钻孔，其瓦斯含量与成分测定结果统计见表2。

从3#煤层钻孔煤层瓦斯样测试结果来看，3#煤层瓦斯中甲烷(CH4)成分为0～93.74%，平均51.57%;二氧化碳(CO2)成分为0.16%～20.84%，平均4.74%;氮气(N2)成分为0.81%～92.46%，平均41.67%。根据煤层瓦斯垂直分带划分标准知:矿井3#煤层埋深大于260 m为甲烷带、小于260 m为瓦斯风化带。

从地勘钻孔瓦斯含量来看，测点中ZK5 钻孔见煤深度390 m，瓦斯含量2.1 m3/t·daf;502 钻孔见煤深度86 m，瓦斯含量2.7 m3/t·daf;503 钻孔见煤深度188 m，瓦斯含量1.56 m3/t·daf。因此，按不同煤质下瓦斯含量判定，矿井3#煤层瓦斯风化带下限为260 m。综合以上情况判定夏店煤矿3#煤层风化带下限为煤层埋深260 m。由表1 和表2 可以看出，进入瓦斯带后煤层瓦斯含量逐渐增大，这与现场瓦斯涌出量明显增加相吻合。

2.2 煤层瓦斯含量分布规律

影响井田瓦斯含量及分带的主要因素为煤层埋藏深度和地质构造。随着煤层埋藏增加，瓦斯含量总体呈增加趋势［8］。在断层附近，由于岩性破碎、裂隙发育，有利于瓦斯逸散，瓦斯含量相对降低。如3#煤层，在802号钻孔位于逆断层附近，瓦斯含量为4.35 m3/t;在井田南部由于断层发育，加之西川断层为导水断层，地下水的流动也会带走一部分瓦斯，瓦期含量较低。矿区西部煤层倾角变大呈俯冲态，煤层埋深增加且少有断层等有利于瓦斯逸散的地质构造，使得煤层瓦斯含量逐渐变大。

在影响煤层瓦斯含量的众多地质因素中，煤层埋深被认为是最具普遍性的因素之一［9］。一般出露于地表的煤层，瓦斯容易逸散，并且空气也向煤层渗透，导致煤层中的瓦斯含量少，甲烷浓度低。随着煤层埋藏深度的增加，地应力增高，围岩的透气性降低，瓦斯向地表运移的距离也相应增大，这种变化不利于瓦斯的放散。所以，在瓦斯风氧化带以深，瓦斯含量、涌出量及瓦斯压力主要随煤层埋藏深度增加而变大。

表2 3#煤层地勘钻孔瓦斯成分测定结果统计表

考虑到夏店煤矿地表部分为第四系黄土层覆盖，黄土层由于长期的水力冲刷，厚度差异极为明显，有的区域基岩出露，而有的区域黄土层多达100 m 以上，使得相同底板标高处的煤层埋藏深度相差悬殊。为了客观准确地揭示夏店煤矿井田煤层瓦斯含量沿倾向的分布规律，对煤层瓦斯含量与煤层埋藏深度的关系进行了研究，回归结果见图1。

从图1 可以看出，3#煤层的瓦斯含量有随煤层埋藏深度增加而增加的趋势，且相关性较好，相关度可达0.898 4，回归关系为:

X—煤层瓦斯含量，m3/t;

H—煤层埋藏深度，m。

图1 3#煤层瓦斯含量与煤层埋深变化图

从图1 可以看出，煤层瓦斯含量增长梯度2.51 m3/t/100 m，夏店煤矿瓦斯含量大致呈西高东低的趋势。此外，由回归分析可以看出，井田瓦斯含量变化较大，这直接导致目前开采的矿井深部三一采区瓦斯涌出量急剧升高，矿井瓦斯等级由原来的低瓦斯矿井升级为高瓦斯矿井。矿井范围内最大瓦斯含量出现在矿井西部三一采区;最小瓦斯含量出现在矿井东部三五采区。所以，矿井在采掘作业进入西部三一采区时应密切注意煤层瓦斯涌出量的变化情况，为瓦斯管理工作及时提供信息。

3 瓦斯涌出量预测

3.1 预测方法

目前，矿井涌出量预测［10］方法主要有两种:分源预测法和矿山统计预测法。其中分源预测法是目前广为采用的一种具有世界先进水平的预测方法，预测准确率达到85%以上。矿山统计预测法是一种传统的预测方法，它根据瓦斯涌出统计规律来推算预测地区的瓦斯涌出量，在具有非常相似的地质条件、开采方法时才可以应用，否则，预测率难以保证。

本次测定过程采用分源预测法对矿井进行瓦斯涌出量预测，分源预测法［11］的技术原理是:根据煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出的构成关系，利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律并结合煤层的赋存条件和开采技术条件，通过对回采工作面和掘进工作面瓦斯涌出量的计算，达到预测采区和矿井瓦斯涌出量的目的，矿井瓦斯涌出源汇关系见图2。

3.2 预测条件

根据矿井初步设计，矿井移交生产后，可划分为三个时期，第一时期为三一采区和三五采区各布置一个综采工作面同时开采;第二时期和第三时期为三五采区开采完毕后，三一采区布置一个综采工作面开采。

矿井瓦斯涌出量预测具体设定条件如下:

1)矿井设计生产能力为1.8 Mt/a。

基于PoS的共识机制还包括PPCoin[21]、Casper[22]、Snow-White[23]等。

2)第一时期:三一采区布置一个综采工作面，长度为210 m;布置两个综掘工作面，综掘断面积均为13.44 m2，掘进速度为400 m/mon，采区生产能力为1.5 Mt/a;三五采区布置一个综采工作面，长度为150 m;布置两个掘进工作面，断面积均为13.44 m2，掘进速度为120 m/mon，采区生产能力为0.3 Mt/a;掘进产煤量为0.05 Mt/a。

第二时期:三一采区布置一个综采工作面，其中工作面产煤1.75 Mt/a，掘进落煤0.05 Mt/a，综采工作面长度为210 m，布置两个综掘工作面，断面积均为13.44 m2，掘进速度为400 m/mon。

第三时期:三一采区布置一个综采工作面，其中工作面产煤1.75 Mt/a，掘进落煤0.05 Mt/a，综采工作面长度为210 m，布置两个综掘工作面，掘进断面积均为13.44 m2，掘进速度为400 m/mon。

3)根据煤层赋存情况及采煤方法，工作面回采率分别为96%(数据来源于初设)。

4)年工作日330 天。

3.3 瓦斯涌出量预测结果

回采工作面瓦斯涌出量预测结果见表3，掘进工作面瓦斯涌出量预测结果见表4，采区瓦斯涌出量预测结果见表5，矿井瓦斯涌出量预测结果见表6。

表3 回采工作面瓦斯涌出量预测结果

表4 掘进工作面瓦斯涌出量预测结果

表5 采区瓦斯涌出量预测结果

表6 矿井瓦斯涌出量预测结果

由表3～6 可以看出:夏店煤矿开采3#煤层时瓦斯涌出量情况如下:

第一时期:三一采区采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量为42.68 m3/min、掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为8.46 m3/min;三五采区采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量为3.73 m3/min、掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.52 m3/min;矿井最大绝对瓦斯涌出量为 91.57 m3/min、最 大 相 对 瓦 斯 涌 出 量为24.18 m3/t。

第二时期:采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量为60.73 m3/min、掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为9.58 m3/min;矿井最大绝对瓦斯涌出量为115.04 m3/min、最大相对瓦斯涌出量为30.37 m3/t。

第三时期:采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量为63.08 m3/min、掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为9.77 m3/min;矿井最大绝对瓦斯涌出量为123.93 m3/min、最大相对瓦斯涌出量为32.72 m3/t。

4 结论

1)通过收集、分析地勘钻孔瓦斯含量资料，得出3#煤层总体瓦斯含量随着煤层埋深的增加而增大。

2)据瓦斯含量和瓦斯组分测定结果得，夏店煤矿3#煤层在埋深大于260 m 时为甲烷带、小于260 m时为瓦斯风化带。

3)通过对3#煤层瓦斯含量分布特征进行分析得，煤层随埋藏深度的关系为X=0.025 1 H+1.086，结果表明瓦斯含量增长梯度2.51 m3/t/100 m。

4)应用分源预测法，预测了夏店煤矿矿井开采三个时期瓦斯涌出量情况，在预测范围内各时期采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量均大于5 m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量均大于3 m3/min，矿井最大相对瓦斯涌出量均大于10 m3/t，矿井最大绝对瓦斯涌出量均大于40 m3/min，可以判定夏店煤矿各开采时期均属于高瓦斯矿井。

［1］李浩然，程远平，郭晓宇.红菱煤矿西三采区12#煤层瓦斯赋存规律及控制因素分析［J］.中国煤炭，2012，38(2):102－105.

［2］王 猛，朱炎铭，王怀勐，等.唐山矿瓦斯赋存的地质控制因素研究［J］.中国煤炭，2012，38(3):38－42.

［3］王来斌，疏义国，沈金山，等.潘三矿13－1 煤层瓦斯赋存规律及影响因素分析［J］.中国煤炭，2011，37(5):47－51.

［4］付建华，程远平.中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治对策［J］.采矿与安全工程学报，2007，24(3):253－259.

［5］贾晓亮，崔洪庆.煤层瓦斯含量测定方法及误差分析［J］.煤矿开采，2009，14(2):91－94.

［6］黄书翔，王坚志，孙京凯.瓦斯参数测定及赋存规律研究［J］.煤矿开采.2006，11(5):61－64.

［7］国家安全监督总局.AQ 1066－2008 煤层瓦斯含量井下直接测定方法［S］.北京:煤炭工业出版社，2008.

［8］张宗伦，吴财芳，常兴民，等.梁北煤矿主采煤层瓦斯含量分布规律研究［J］.煤炭工程，2006(7):53－55.

［9］秦玉金，罗海珠，姜文忠，等.煤层瓦斯含量主控因素分析［J］.煤矿安全，2009(5):84－87.

［10］林柏泉.矿井瓦斯防治理论与工程与技术［M］.徐州.中国矿业大学出版社，2010:34－41.