屯兰矿煤层瓦斯地质规律及涌出量预测

吕振绘

（西山煤电集团有限责任公司 屯兰矿，山西 古交 030200）

屯兰矿隶属于西山煤电集团有限责任公司，位于太原地区古交市西南。屯兰矿主要可采煤层为2#煤层、8#煤层和9#煤层。2#煤层埋深72m以浅为风氧化带区，煤层埋深在200～400m，氮气在0.7% ～13.24%，二氧化碳在0.01% ～0.86%，甲烷在86.68%～97.84%，但均处于风氧化带以下。2#煤层位于山西组中上部，上距03#煤层6.90m左右，下距4#煤层9.09m左右。煤层厚1.47 ～5.22m，平均3.28m，井田东部和西部厚度小，中部厚度大，435#孔一带厚度最大，一般含1～3层夹矸，局部不含夹矸，煤层结构较简单，为全井田可采的稳定煤层。顶板以砂质泥岩和泥岩为主，次为细粒砂岩和炭质泥岩，底板以炭质泥岩为主，次为砂质泥岩。

1 矿井瓦斯地质规律分析

2#煤层瓦斯的赋存特征主要是受以下地质因素控制：煤层埋藏深度及上覆基岩厚度，顶、底板岩性，水文地质条件。煤层瓦斯含量沿倾向分布规律常用瓦斯含量与上覆基岩厚度之间关系表示。覆盖层厚度的大小往往直接影响成煤过程中产生的瓦斯在煤层中保存条件的好坏。研究成果表明：覆盖层厚度越大，煤层瓦斯含量越高，线性关系能较好描述两者，能够客观揭示煤层瓦斯含量沿倾向的分布规律。2#煤层的顶板岩性基本为泥岩和炭质泥岩，封闭性较好，对煤层中瓦斯起封闭作用，围岩的透气性对煤层瓦斯含量有着重要的影响。由本区水文地质条件进行分析可知，瓦斯含量在地下水径流作用较强的地方相对较大。但不同埋藏深度煤层，与地下水之间联系不同，受地下水影响也不同。

2 2#煤层瓦斯含量分布及预测

影响2#煤层瓦斯含量的不同因素及其相关关系见表1.通过表1分析可知，2#煤层瓦斯含量受埋藏深度、上覆基岩厚度影响较大，其相关系数都大于0.8，而顶板20m内泥岩厚度、底板标高对瓦斯含量的影响较小，说明影响2#煤层瓦斯含量分布的重要因素是煤层埋藏深度、上覆基岩的厚度。

表1 影响因素与2#煤层瓦斯含量相关关系表

本文预测瓦斯含量，主要是通过利用含量与埋藏深度之间的回归关系。

由表1分析可知，影响屯兰矿2#煤层瓦斯含量的主要因素是煤层埋藏深度。2#煤层瓦斯含量与煤层埋藏深度回归方程：

其中：煤层埋藏深度为x（m）；瓦斯含量为y（daf，m3／t）；相关回归系数为R.

由方程（1）得出不同位置处的瓦斯含量趋势值见表2.

表2 不同位置处的瓦斯含量趋势值

划分瓦斯风化带的下界的指标值取瓦斯含量2 m3／t·daf，2.7m3／t·daf／100m为瓦斯含量梯度，2#煤层的瓦斯风化带下界可取72m.2#煤层瓦斯含量的大体趋势是由矿井的东北向西南方向，含量逐渐增加。

3 2#煤层瓦斯涌出量预测

3.1 分源预测法预测

分源预测法：基于煤层赋存条件和开采技术条件，根据瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律并结合煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出的源汇关系，最后计算工作面瓦斯涌出量，获得采区和矿井瓦斯涌出量预测结果。其计算公式如下：

1）开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量。

相对瓦斯涌出量q1由式（3）确定：

式中：煤层厚度为m0（m），2#煤层平均厚度m0=3.28m，煤层采高为m1（m），开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量为q1（m3／t），工作面丢煤瓦斯涌出系数为k2取工作面回采率的倒数，屯兰矿2#煤层工作面k2取1.05，煤层瓦斯含量为X0（m3／t），围岩瓦斯涌出系数为k1，取1.2，两巷掘进预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数为k3，根据回采方法的不同k3的取值也不同，其中采用长壁后退式回采时，k3由式（4）确定：

其中：工作面长度为L（m），巷道瓦斯预排等值宽度为h（m）.

2）邻近层瓦斯涌出量。

邻近层瓦斯涌出量q2由式（5）确定：

其中：邻近层瓦斯涌出量q2（m3／t）；第i邻近层残存瓦斯含量为Xli（m3／t）；第i个邻近层厚度mi（m）；开采层的开采厚度ml（m）；第i邻近层原始瓦斯含量Xoi（m3／t）；取决于层间距离的第i邻近层瓦斯排放率为ki.

3）煤壁瓦斯涌出量。

煤壁瓦斯涌出量q3由式（6）确定：

其中：煤壁瓦斯涌出量为q3（m3／t）；煤壁暴露面数为n其中单巷送道n取2；煤层厚度m（m）；掘进平均速度为v（m／min）；巷道长度为L（m）；煤壁瓦斯涌出初速度为Q0（m3／m2·min），按式（7）计算：

4.2 2#煤层分源法瓦斯预测

由于2#煤层上距1#煤层3.78m，距03#煤层6.73 m，距02#煤层8.06m。下距3#煤层0.71m，距4#煤层7.83m，距5#煤层13.07m，距6#煤层34.95m，距7#煤层58.53m，距8#煤层76.1m，除8#煤层外，其余煤层均不稳定，进行预测时，邻近层只考虑来自8#煤层的瓦斯涌出。预测结果见表3.

表3 2#煤层分源法瓦斯预测结果表

屯兰矿北翼与南翼煤层瓦斯含量相差较大，采用分源预测法对整个矿井进行预测时，北盘区与南盘区误差较大，因此，在对2#煤层分源预测结果基础上，分别在北盘区和南盘区已采工作面瓦斯相对涌出量进行比较，比较结果见表4.

表4 南、北盘区已采工作面瓦斯相对涌出量比较表

根据表4，北一盘区煤层平均产量3067t／d，平均相对瓦斯涌出量为7.79m3／t，采用分源预测法在此产量下相对瓦斯涌出量为13.86m3／t，因此，对北一盘区同样埋深进行相对瓦斯涌出量预测时，需要乘以修正系数0.562.

根据表4，南二盘区煤层平均产量4507t／d，在采取瓦斯抽放措施下平均相对瓦斯涌出量为8.27 m3／t，采用分源预测法在此产量下瓦斯相对涌出量为35.50m3／t，若不采取瓦斯抽放措施，预测瓦斯相对涌出量与实际差别不大，几乎不再需要修正。

根据表4，南三盘区煤层平均产量2142t／d，平均相对瓦斯涌出量为21.50m3／t，采用分源预测法在此产量下相对瓦斯涌出量为20.06m3／t，预测结果较准确，因此，对南三盘区，不必再进行修正。南四盘区瓦斯含量与南三盘区相差无几，可以以此方法进行瓦斯涌出量预测。

南五、南六盘区埋藏深度比南三埋藏深度深，平均产量按2142t／d计算时，采用分源预测法在此产量下相对瓦斯涌出量为20.06m3／t，但该区瓦斯含量明显增加，因此，应根据预测的瓦斯含量数据进行修正。

目前，屯兰矿2#煤层在北一盘区、南二盘区和南三盘区，平均产量分别在3067t／d，4507t／d和2142t／d，而3个盘区工作面煤层埋深相对浅，因此，对深部预测时，主要根据南三盘区预测公式进行，即煤层埋深在150m 时工作面绝对瓦斯涌出量为15m·min-1，在埋深300m时工作面绝对瓦斯涌出量为30m3·min-1，在埋深为450m时工作面绝对瓦斯涌出量为45m·min-1.

4 结 论

通过对屯兰矿矿井瓦斯地质规律分析，煤层瓦斯的赋存特征主要受煤层埋藏深度及上覆基岩厚度，顶、底板岩性，水文地质条件等地质因素控制。根据2#煤层瓦斯含量与主要因素的回归关系方程，确定了煤层埋藏深度是影响屯兰矿2#煤层瓦斯含量的主要因素。最后应用分源预测法对屯兰矿各个盘区的2#煤层进行了瓦斯涌出量预测。

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