矿井瓦斯涌出量分源预测法的应用经验探讨

2016-12-05杨安朋程鲁晗

低碳世界 2016年22期

关键词：原煤瓦斯矿井

杨安朋，程鲁晗

矿井瓦斯涌出量分源预测法的应用经验探讨

杨安朋1，程鲁晗2

（1.昆明煤炭设计研究院，云南昆明650000；2.云南省煤矿安全监察局，云南昆明650000）

本文根据分源瓦斯预测法预测步骤，所需主要计算参数，介绍了预测思路及各参数的选择方法及经验，简要探讨了分源瓦斯预测方法设计应用中存在的问题及建议。

分源瓦斯预测法；钻孔瓦斯含量；煤层原始瓦斯含量；纯煤瓦斯含量；原煤瓦斯含量；残存瓦斯含量；瓦斯涌出量

前言

分源瓦斯预测法是矿井瓦斯涌出量预测方法中较为常用的方法，其根据时间和地点的不同，分为回采工作面瓦斯涌出、掘进工作面瓦斯涌出、现采采空区瓦斯涌出及老采空区瓦斯涌出等多个向矿井涌出的瓦斯源，分别对各个瓦斯涌出源进行预测，最终得出矿井瓦斯涌出量[1]。该方法为矿井初步设计、抽采设计及防突专项设计中必不可少的环节[6]。

云南省是我国西南地区一个主要的产煤省，随着开采深度的增加，开采强度的加大，煤矿瓦斯涌出量呈上升趋势，原来的低瓦斯矿井逐渐转变为高瓦斯矿井。瓦斯预测在设计中运用频繁。

分源瓦斯预测的步骤为：瓦斯参数的收集分析、根据矿井开拓布署或通风、抽采设备的服务年限确定预测区域、根据确定的预测区域对瓦斯参数进行取值、分别预测计算各个瓦斯涌出源的瓦斯涌出量、汇总采区及矿井瓦斯涌出量。

预测计算各步骤中涉及诸多参数的选择及取舍，若处理不当则会影响预测结果，对后续措施的选择及设备选型造成影响。

1 瓦斯参数的收集分析

分源瓦斯预测法会使用到如下数据及参数：

煤层原始瓦斯含量（ml/g.r、m3/t）、纯煤瓦斯含量（ml/g.r）、残存瓦斯含量（（ml/g.r、m3/t））、原煤瓦斯含量（m3/t）、原煤水份（%）、原煤灰份（%）、挥发份（%）、煤的密度（t/m3）、可采煤层特征（煤厚、层间距、煤层倾角、地质构造等）、预测所需的开采设计情况（开拓布署、采区位置、采掘面数量、生产能力、采煤方法、开采顺序、采掘速度等）。

1.1 地质报告瓦斯参数收集

根据地质勘探阶段的要求，地质部门提交的瓦斯资料，氮气-沼气带的井田倾向上不少于三条勘探线，采样点密度0.5～1.5点/km2，沼气含量高的主采煤层加密取样控制，采样点占见煤点50%以上，着重布署在一水平[2]。每个煤层不少于5个采样点，并测定煤层瓦斯参数：煤的坚固性系数f、瓦斯放散初速度△p、吸附常数a、b值、孔隙率、渗透率、纯煤瓦斯含量（钻孔瓦斯含量）、煤层瓦斯压力等[2]。

地质报告给出的煤层钻孔瓦斯含量采用直接测定法[5]测定，一般以可燃物（纯煤）含量形式给出，即每克可燃物（纯煤）中所含瓦斯气体（CH4、CxHx、H2等）体积（ml/g.r），该含量中，单位质量可燃物（纯煤）仅为煤的可燃质，不包括不可燃的灰份、水份等杂质的质量。

地质报告中还给出了原煤灰份（Af）、水份（Wd）、挥发份（Vf）、可采煤层特征等数据。

1.2 参数测定报告瓦斯参数收集

生产矿井一般通过瓦斯参数测定的手段，撑握矿井开采煤层瓦斯赋存情况。目前中国矿业大学、煤炭科学研究总院沈阳研究院等机构在云南省开展了多个瓦斯参数测定的项目。瓦斯参数测定报告中采用直接测定法或间接测定法对煤层瓦斯参数进行了测定，并给出了煤的坚固性系数f、瓦斯放散初速度△p、煤的破坏类型、吸附常数a、b值、孔隙率、真密度、视密度、钻孔瓦斯流量衰减系数β、煤层透气性系数、煤层瓦斯压力、原煤瓦斯含量（m3/t）等。

瓦斯参数测定报告给出的原煤瓦斯含量（m3/t）中，煤的单位质量包括了煤的可燃质与不可燃的灰份、水份等杂质的质量。

1.3 历年瓦斯等级资料收集

云南省每个生产矿井或在建矿井每年均进行瓦斯等级鉴定，并下发瓦斯等级鉴定证书。瓦斯等级鉴定是在一定时间（一个月）内连续测定、记录的方法，测定矿井风量、风流中瓦斯和二氧化碳浓度、抽排瓦斯量、统计矿井产煤量等数据，最后通过对数据进行整理计算，得出矿井瓦斯涌出量[4]。

瓦斯等级证书中记录了矿井生产能力、矿井绝对瓦斯涌出量（m3/min）、矿井相对瓦斯涌出量（m3/t）、矿井绝对二氧化碳涌出量（m3/min）、矿井相对二氧化碳涌出量（m3/t）等数据，并根据结果对矿井瓦斯等级进行了划分。

1.4 瓦斯资料分析选取

1.4.1 瓦斯含量数据分析

矿井一般情况下煤层数量较多，资料收集时，为尽可能准确地预测瓦斯涌出量，应尽可能走访收集周边矿井的相关瓦斯参数资料。

成煤过程中煤层内自然产生了灰份、水份等不可燃物杂质，地质报告中钻孔瓦斯含量为未受采动影响的煤层原始瓦斯含量（以纯煤瓦斯含量ml/g·r形式给出），在参与采掘面瓦斯涌出量预测计算前需换算成原煤瓦斯含量，计算公式如下：

式中：W0——原煤瓦斯含量，m3/t；

W0.r——纯煤瓦斯含量（钻孔瓦斯含量），ml/g.r；

Af——原煤平均灰份，%；

Wd——原煤平均水份，%。

瓦斯参数测定报告中的原煤瓦斯含量（m3/t）则按上式1换算成纯煤瓦斯含量（ml/g.r），以便后续筛选数据和残存瓦斯含量计算。

将上述瓦斯含量相互换算后，按煤层、取样位置及标高进行汇总。

由于瓦斯含量采样工作可能存在取样时操作不当或取样点位于瓦斯风氧化带，则瓦斯含量值较低，若纳入计算，则会拉低矿井瓦斯涌出量结果。因此，需按纯煤瓦斯含量形式对汇总的数据进行筛选，去掉无效数据。

纯瓦斯含量可参考各煤种风氧化带瓦斯含量边界值进行筛选。

风氧化带瓦斯含量边界值：

W=1.0～1.5m3/t.r（长焰煤）；

W=1.5～2.0m3/t.r（气煤）；

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（贫煤）；

W=5.0～7.0m3/t.r（无烟煤）。

上述各煤种风氧化带边界值为处在大气压力下得到充分释放后的残留瓦斯含量。当井田正常区域收集到的纯煤瓦斯含量小于边界值时，则可认为是无效数据。但位于露头附近的风化带处接近边界值的数据可以保留，作为绘制瓦斯含量等值线图的数据。

1.4.2 瓦斯含量数据选取

瓦斯含量数据筛选后，利用Surfer 8.0软件生成瓦斯含量等值线图（如图1）。根据矿井开拓布署，在瓦斯含量等值线图中划分出初期水平开采区域，或按抽采及通风设备服务年限划分出开采区域，即该区域将确定为需要瓦斯预测的区域。在开采区域中，确定出开采期间长期存在的瓦斯含量大值，取其作为分源瓦斯预测的煤层原始瓦斯含量。

例如图1所示，粗实线以北为初期开采水平，此时水平划分线穿过了数值为11的瓦斯含量等值线，但从开采时间来看，初期开采水平服务年限内，大部分开采时间处于数值约10.6的瓦斯等值线区域，此时可以取瓦斯含量10.6作为分源瓦斯预测的煤层原始瓦斯含量。

1.4.3 其它数据选取

分源瓦斯预测方法中还用到了原煤灰份（Af）、水份（Wd）、挥发份（Vf）、密度、煤层厚度、煤层间距、煤层倾角等数据。有条件时可在预测区域内重新统计并取其平均值，或直接选取勘探报告给出的平均值。

预测所需的开采设计情况可根据设计内容选取。

煤层原始瓦斯含量数据选定后，便可根据相关公式或附表计算出残存瓦斯含量。

我国经典的煤层瓦斯赋存及流动理论认为：煤的孔隙率直接影响煤的吸附能力，即标准状态下煤的孔隙率越高，吸附瓦斯的能力越强，残存瓦斯含量越高。煤的孔隙率则与煤的变质程度呈一定的规律[5]，如表1煤的孔隙体积表[5]所示。

如表1所示，长焰煤～瘦煤，变质程度增加，孔隙率减小，吸附瓦斯能力降低；贫煤～无烟煤，变质程度增加，孔隙率增大，吸附瓦斯能力增强；残存瓦斯含量计算或取值中关于煤的变质程度的划分，一般认为长焰煤～瘦煤为低变质煤，贫煤～无烟煤为高变质煤。

2 各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量预测

2.1 回采工作面瓦斯涌出量预测

回采工作面瓦斯涌出量预测分为开采层瓦斯涌出量和邻近层瓦斯涌出量。预测时应理清煤层开采顺序及其相互卸压影响关系。

表1 煤的孔隙体积（马克耶夫煤炭安全研究院）

2.1.1 开采层瓦斯涌出量

开采层瓦斯涌出量预测计算中，首采煤层为初始开采时，其瓦斯含量为煤层原始瓦斯含量；其余煤层的开采因其开采顺序不同，受邻近煤层开采的影响（在卸压影响范围内），开采时煤层瓦斯含量已受卸压释放，因此选择参与计算的煤层原始瓦斯含量应为受卸压释放后的原煤瓦斯含量。可用下式进行判断计算：

式中：Wk——开采时原煤瓦斯含量，m3/t；

W0——煤层原始瓦斯含量，m3/t；

ΔWi——受邻近层第i次开采影响，卸压释放的瓦斯量，m3/t，未受采动影响时ΔWi=0；

ΔWi=（Wi-1-Wc）ηi

式中：Wi-1——受邻近层第i-1次开采卸压释放后的原煤瓦斯含量，m3/t；

Wc——煤层残存瓦斯含量，m3/t；

ηi——受邻近层第i次开采影响时的卸压释放率，可根据开采条件查表取值。

2.1.2 邻近层瓦斯涌出量

邻近层瓦斯涌出量计算中，应注意的是在开采层开采时，其卸压影响范围内的可采或不可采的邻近煤层涌向回采工作面的瓦斯量；应尽可能详尽地统计计算邻近煤层的瓦斯涌出量，一般考虑厚度为0.3m以上的可采或不可采邻近层瓦斯涌出量。但矿井0.3m以上的不可采煤层的瓦斯参数一般不全，因此可考虑选择同一组段内煤质相同且相邻最近的煤层瓦斯参数作为邻近层瓦斯参数，进行邻近层瓦斯涌出量计算。

邻近层瓦斯涌出量计算时也应考虑采动卸压影响，选择参与计算的原煤瓦斯含量判断计算与上述式2相同。

2.2 煤巷掘进工作面瓦斯涌出量预测

煤巷掘进工作面瓦斯涌出量计算中，涉及到煤层原始瓦斯含量，此处掘进煤层的原煤瓦斯含量一般考虑为未受采动卸压影响的煤层原始瓦斯含量。理由是煤层开采过程中，由于种种因素影响，会形成需掘进的煤巷条带处于未卸压释放的情况，如留设煤柱、邻近煤层不可采等。

3 采区和矿井瓦斯涌出量预测

采区和矿井瓦斯涌出量可按相应的公式对各区域瓦斯涌出量进行统计计算，得出最终结果。

4 问题探讨

（1）云南省白龙山煤矿在进行瓦斯抽采设计时，煤炭科学研究总院重庆研究院经过统计，发现勘探报告提交的瓦斯含量较后期井下相同位置实测的瓦斯含量普遍偏低，通过对比分析，引入瓦斯含量修正系数（1.2～3.0），对地勘钻孔所测瓦斯含量进行修正，再进行瓦斯涌出量预测。本文认为可通过分析历年瓦斯等级鉴定，利用其结果，在历年开采范围标高内进行瓦斯涌出量预测，并调整修正系数，使其接近历年瓦斯等级鉴定结果，得出相对合理的修正系数。

（2）纯煤瓦斯含量与原煤瓦斯含量转换计算中，原煤灰份、水份仅与原煤瓦斯含量中的吸附瓦斯量相关[5]，换算中未将测得的游离瓦斯量[5]另行计算，会存在一定的误差，但由于煤层瓦斯含量中的游离瓦斯量[5]仅占总量的10%左右，因此误差较小。

（3）分源瓦斯预测法不适用于对放顶煤开采方式的回采工作面的瓦斯涌出量预测，该方法中一些参数为我国部分矿区现场实测所得，部分公式为经验公式，存在一定的局限性[6]。

（4）残存瓦斯含量取值、计算中，原煤瓦斯含量要求是未受采动影响的煤层原始瓦斯含量。生产矿井中受采动影响后测得的原煤瓦斯含量并非煤层原始瓦斯含量，将影响残存瓦斯含量的取值、计算结果。本文认为生产矿井有条件时可进行残存瓦斯含量实测，以减少瓦斯涌出量预测结果的偏差。