野川煤业3#煤层瓦斯涌出量预测

杨旭东

(1.山西煤炭运销集团晋城有限公司，山西 晋城 048026；2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

煤层瓦斯涌出量主要包括煤层瓦斯含量测定和矿井瓦斯涌出量预测两部分，对计算矿井瓦斯蕴藏量，研究煤层瓦斯赋存规律，判断煤与瓦斯突出危险性具有重要的意义[1，2]。山西煤炭运销集团野川煤业3#煤层位于山西组中下部，上距下石盒子组底砂岩约33 m，下距太原组K6灰岩6 m～18 m，煤层厚度5.30 m～5.99 m，平均厚度5.36 m，含0～1层夹矸，煤层稳定。顶板为中粒砂岩、粉砂岩；底板为泥岩或细砂岩。属结构简单的厚煤层。本文以野川煤业3#煤层作为研究对象，在对周边矿井进行调研的基础上，通过井下打钻、取样，实验室分析等方法[3,4]，采用分源法对矿井瓦斯的涌出情况进行预测，提出预测结果。

1 3#煤层瓦斯含量测定及规律分析

1.1 3#煤层瓦斯含量测定方法

采用钻孔煤屑解析法测定3#煤层瓦斯含量，在3#煤层运输大巷掘进头1 100 m处，埋深239 m；回风大巷掘进头950 m处，埋深264 m；3104运输顺槽掘进头120 m处，埋深245 m等3处位置进行打钻取样，利用煤层钻孔采集煤体岩芯，钻孔直径42 mm，钻孔深度18 m。用解吸法直接测定煤层瓦斯解吸量，井下解吸，实验室测定煤样残存瓦斯量、水分、灰分、挥发分、煤样重量、可燃质质量和瓦斯成分。

1.2 3#煤层瓦斯含量分析

根据上述测定方法，得到野川煤业3#煤层瓦斯含量测定结果，如表1所示。

表1 3#煤层瓦斯含量测定结果表

3#煤层瓦斯含量(W)随埋深(H)的增加而增加，线性公式为式(1)。

W=0.016 9H+3.443 7

(1)

相关系数为0.84。

实验室测定的这3处位置相应的煤样气体组分(CH4、CO2、N2和C2～C8)依次为：运输大巷掘进头1 100 m处82.08%、1.18%、16.01%和0.73%；回风大巷掘进头950 m处91.58%、0.62%、7.41%和0.39%；3104运输顺槽掘进头120 m处89.44%、0.85%、4.71%和5.00%。根据该气体组分，3#煤层甲烷组分范围为82.08～91.58%，均大于80%，3#煤层处在甲烷带；3#煤层瓦斯含量增长梯度为1.69 m3·t-1·100 m-1；井田东南部瓦斯含量较低，瓦斯含量值小于4.5 m3/t；井田中部瓦斯含量较高，瓦斯含量值范围为4.5 m3/t～6.5 m3/t，井田西北部瓦斯含量最大，最大值为7.50 m3/t。

2 矿井瓦斯涌出量预测

开采煤层瓦斯涌出量计算见式(2)。

(2)

式中：q1为开采煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；K1为围岩瓦斯涌出系数，野川煤业全部垮落法管理顶板，取1.3；K2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，取1.18；K3为采区内准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数，取0.86；m为3#煤层厚度，m，取5.57 m；M为工作面采高，m，取5.57 m；W0为煤层瓦斯含量，m3/t；WC为运出矿井后煤的残存瓦斯含量，m3/t，取实测最小值2.50 m3/t。预测得到的一盘区瓦斯含量为7.65 m3/t，残存瓦斯含量为2.50 m3/t，相对涌出量6.79 m3/t；二盘区瓦斯含量为7.00 m3/t，残存瓦斯含量为2.50 m3/t，相对涌出量6.86 m3/t；三盘区瓦斯含量为6.50 m3/t，残存瓦斯含量为2.50 m3/t，相对涌出量5.28 m3/t。

当3#煤层开采时，8上、8下、9上、9下、11、12、13、14和16#等9个邻近煤层可向该煤层涌出瓦斯，3个盘区的日产量为2 590 t/d时，一盘区、二盘区和三盘区的邻近层瓦斯涌出量分别为0.81 m3/t、0.77 m3/t和0.62 m3/t，得到的一盘区、二盘区和三盘区回采工作面瓦斯涌出预测结果分别为7.60 m3/t、7.63 m3/t和5.90 m3/t。

当一盘区瓦斯含量为7.65 m3/t，二盘区瓦斯含量为7.00 m3/t，三盘区瓦斯含量为6.50 m3/t，煤层厚度取5.57 m，掘进工作面长度为600 m，掘进速度为400 m/mon，一盘区、二盘区和三盘区煤壁瓦斯涌出量分别为1.09 m3/t、1.10 m3/t和0.82 m3/t，落煤瓦斯涌出量分别为0.67 m3/t、0.68 m3/t和0.52 m3/t，即掘进工作面瓦斯涌出量预测结果为1.76 m3/t、1.78 m3/t和1.36 m3/t。同理，一盘区、二盘区和三盘区生产采区瓦斯涌出量预测结果分别为10.59 m3/t、10.64 m3/t和8.22 m3/t。

矿井瓦斯涌出量包括矿井内全部生产采区瓦斯涌出量和已采采区瓦斯涌出量，公式为式(3)。

(3)

式中：q井为矿井相对瓦斯涌出量，m3/t；q区i为第i个生产采区相对瓦斯涌出量，m3/t；Aoi为第i个生产采区平均日产量，t；K″为已采采空区瓦斯涌出系数，取1.20。当3个盘区的日产量为2 590 t/d时，表2为矿井瓦斯涌出量预测结果表。

表2 矿井瓦斯涌出量预测结果表

3 矿井瓦斯涌出构成分析

根据上述瓦斯涌出量预测结果，矿井、工作面和采空区的瓦斯涌出量构成主要为：1) 3#煤层开采一盘区、二盘区、三盘区时，回采工作面瓦斯涌出都以开采层为主、邻近层为辅，其中，开采层瓦斯涌出分别占89.93%、89.87%、89.44%，邻近层瓦斯涌出分别占10.07%、10.13%、10.56%；2) 瓦斯涌出以回采工作面瓦斯涌出为主、掘进瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出为辅，其中，回采工作面瓦斯涌出分别占68.11%、68.09%、68.15%，掘进瓦斯涌出分别占8.81%、8.83%、8.73%，采空区瓦斯涌出分别占23.08%、23.08%、23.12%；3) 矿井瓦斯涌出以生产采区瓦斯涌出为主，已采采区瓦斯涌出为辅，其中，生产采区瓦斯涌出分别占83.29%、83.33%、81.01%，已采采区瓦斯涌出分别占16.61%、16.67%、18.99%；4) 野川煤业以90万t/a产量生产3#煤层时，矿井开采一盘区时最大绝对瓦斯涌出量24.07 m3/min，最大相对涌出量为12.71 m3/t；开采二盘区时最大绝对瓦斯涌出量24.18 m3/min，最大相对涌出量为12.77 m3/t；开采三盘区时最大绝对瓦斯涌出量19.22 m3/min，最大相对涌出量为10.15 m3/t。属高瓦斯矿井。

4 结论

本文以野川煤业3#煤层作为研究对象，采用钻孔煤屑解析法对3#煤层的瓦斯含量进行了测定，采用分源法对矿井瓦斯的涌出量进行了预测和构成分析。指出：3#煤层甲烷组分范围为82.08～91.58%之间，煤层处在甲烷带；煤层瓦斯含量随埋深的增加而增加，增长梯度为1.69 m3·t-1·100 m-1；以90万t/a产量生产3#煤层时，矿井最大绝对瓦斯涌出量24.18 m3/min，最大相对涌出量为12.77 m3/t，属高瓦斯矿井。