科兴米山煤业瓦斯赋存规律与突出危险性预测

廉振华 文昌俊

摘要：为揭示科兴米山煤业15#煤层瓦斯赋存规律，针对15#煤层瓦斯赋存特点及15111综采工作面开采条件，对米山煤业15#煤层的瓦斯参数进行了测试，编绘了15#煤层瓦斯含量分布预测图，揭示了其瓦斯赋存规律;采用分源预测法预测了矿井的瓦斯涌出量，并对煤与瓦斯区域突出危险性进行了预测。

Abstract： In order to reveal the law of gas occurrence in 15# coal seam of Kexing Mishan Coal Industry， according to the characteristics of gas occurrence in 15# coal seam and mining conditions of 15111 fully mechanized mining face， the gas parameters of 15# coal seam of Mishan Coal Industry were tested， and the gas content distribution prediction map was compiled to reveal the law of gas occurrence. The gas emission volume of mine is predicted by using the method of separate source prediction， and the regional outburst risk of coal and gas is also predicted.

关键词：煤层开采;赋存规律;瓦斯突出;瓦斯预测

Key words： coal seam mining;occurrence law;gas outburst;gas prediction

中图分类号：TD712                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）07-0111-03

0  引言

2017年我国煤炭在一次能源消费中占比为60.4%，在相当长的时期内，煤炭作为我国的主导能源不可替代。随着煤矿开采深度的加深，开采地质条件更加复杂，由煤矿瓦斯引起的问题愈发增多，瓦斯已成为威胁煤矿安全生产的主要因素[1-2]。煤层瓦斯赋存规律研究、涌出量与突出风险性预测是瓦斯防治的基础，能为煤与瓦斯突出防治提供基础依据。

国外的矿井瓦斯涌出量预测方法主要有德国的文特法和英国的艾利法，预测方法呈现综合化、多元化[3]。我国矿井瓦斯涌出量预测主要采用矿山统计法与分源预测法，随着科技的快速发展，尤其在计算机信息技术和数学方法的迅猛发展，原有的矿井瓦斯预测方法得到了扩展，开始有了系統预测方法，如速度法、瓦斯地质单元数学方法、神经网络系统预测法和灰色系统理论预测法等。突出区域预测方法有指标预测法、地质预测方法、物探法和数学物理预测方法。

本文将以针对15#煤层瓦斯赋存特点及15111综采工作面开采条件，对15#煤层的瓦斯参数进行测试，编绘瓦斯含量分布预测图，揭示其瓦斯赋存规律;在此基础上，采用分源预测法预测矿井的瓦斯涌出量，并对煤与瓦斯区域突出危险性进行预测。

1  综采工作面工程概况

1.1 工作面基本情况

山西高平科兴米山煤业有限公司15111综采工作面位于井田的东部，井下标高750～800m，地面标高898～926m，盖山厚度约126～148m。15111综采工作面北部为15112准备工作面，东部为保安煤柱，南部为15110采空区，西部为15104运输顺槽。工作面所采煤层为15#煤，工作面长度145.5m，走向长度490.0m，煤层平均厚3.0m，煤层倾角3～8°，煤炭可采储量28.8万吨。煤层走向东北方向，煤层倾角3～8°，煤质较软，赋存稳定。煤层顶板局部破碎或有溶洞。煤层顶板为K2灰岩、泥岩，底板为泥岩、铝土质泥岩和砂质泥岩。15111综采工作面平面位置如图1所示。

1.2 工作面回采工艺

15111综采工作面采煤方法为综合机械化一次采全高采煤法，工作面采高控制在2.4～3.5m，平均采高3.0m。回采中可根据煤层厚度及时进行调整，循环进度0.6m。

1.3 工作面瓦斯情况

根据矿井瓦斯等级鉴定报告数据，2016年矿井最大绝对瓦斯涌出量为1.98m3/min，最大相对瓦斯涌出量为1.04m3/t;2018年最大绝对瓦斯涌出量为2.08m3/min，最大相对瓦斯涌出量为1.69m3/t，该矿属低瓦斯矿井。

2  15#煤层瓦斯赋存规律研究

2.1 15#煤层瓦斯参数测试

15#煤层钻孔瓦斯含量与成分测试结果见表1。

由表1可知，井田15#煤层瓦斯成份以氮气（N2）为主，占总量的46.53%，其次为二氧化碳（CO2）占总量的37.62%，二者占总量的84.15%，甲烷（CH4）仅占总量的15.85%。

2.2 15#煤层瓦斯赋存规律

将表1中瓦斯含量与煤层埋藏深度进行线性回归，回归结果如图2所示。

由图2可看出，该矿15#煤层瓦斯赋存具有如下规律：

①本井田瓦斯含量不大，原因是煤层上覆基岩厚度不大，生成的瓦斯多已逸散。瓦斯赋存的主控因素是埋深。

②在本井田内瓦斯含量与煤层埋深为负相关关系（式（1）），与瓦斯含量随埋藏深度的增加而增大的一般规律相反。

③依据6个钻孔的瓦斯含量测定结果，瓦斯成分中CH4所占体积比最高为54.64%，未达到80%，说明本井田处于瓦斯风化带内且处于氮气～甲烷带。

④从含量的分布情况看，受到王家庄向斜和王家庄背斜的控制，处在背斜轴部的ZK4-1、ZK5-1钻孔及处在向斜翼部的ZK4-2钻孔瓦斯含量较高。根据钻孔瓦斯含量资料采用插值法编绘了15#煤层瓦斯含量分布预测图，如图3所示。

由图3可以看出，15#煤层瓦斯含量东部高、西部低，瓦斯含量为1.59～3.65m3/t，平均2.35m3/t。

3  矿井瓦斯涌出量预测

3.1 预测方法的选取

采用分源预测法对15#煤层矿井瓦斯涌出量进行预测。分源预测法的技术原理是：根据煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出的源汇关系（图4），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。

3.2 预测条件

①根据矿井布局可以把矿井分为前、中、后三个开采时期，前期开采一盘区，中期开采二盘区，后期开采三、四盘区;

②矿井布置一个生产能力为900kt/a的走向长壁综采工作面，平均采高为2.96m，工作面长度为150m，回采率为95%，一次采全高，顶板管理方法为全部垮落法;

③在生产期间，矿井同时布置2个掘进面，巷道断面积12m2。巷道掘进速度为400m/mon;

④年工作日为330天，矿井平均日产量为2727t/d。

3.3 瓦斯涌出量预测结果

回采工作面、掘进工作面、生产采区和矿井瓦斯涌出量分别见表2～表5。

由表5可以看出：

①预测在生产前期阶段，矿井最大绝对瓦斯涌出量为3.86m3/min，最大相对瓦斯涌出量为2.04m3/t;

②预测在生产中期阶段，矿井最大绝对瓦斯涌出量为9.81m3/min，最大相对瓦斯涌出量为5.18m3/t;

③预测在生产后期阶段，矿井最大绝对瓦斯涌出量为7.10m3/min，最大相对瓦斯涌出量为3.75m3/t。

在生产各阶段中，中期阶段矿井瓦斯涌出量最大。

按照《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》，预测科兴米山煤业有限公司煤矿在开采15#煤层时，生产的前、中与后期都属于瓦斯矿井。

4  煤与瓦斯区域突出危险性预测

煤与瓦斯突出是煤矿井下采掘过程中煤和瓦斯突然涌出并产生巨大动力效应的煤岩动力灾害，可能导致瓦斯爆炸，是煤矿事故发生频率高、人员伤亡大的地质灾害。有效进行区域突出危险性预测可减少防突措施实施的盲目性，增加防突工作的针对性，避免对非突出区域投入大量人力、财力和物力，有利于保障矿井安全生产。

据编制的山西高平科兴米山煤业有限公司15#煤层瓦斯地质图：该矿井煤的破坏类型为Ⅰ类，其预测煤层突出危险性四个单项指标中，至少有一个煤的破坏类型小于煤层突出危险临界值，再根据本矿井及邻近煤矿的开采实际，预测本矿15#煤层现采掘位置不存在发生煤与瓦斯突出危险。

科兴米山煤业矿井15#煤层处于瓦斯风化带，根据《防治煤与瓦斯突出规定》中的第四十三条及煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法要求，预测本矿15#煤层现采掘位置不存在发生煤与瓦斯突出危险。

但随着开采的深度的增加，瓦斯含量和瓦斯压力也将随之增大;在地质构造区域，煤体破坏较严重，瓦斯压力较大，建议在今后的生产过程中，应加强相关瓦斯参数的测定，尤其在地质构造带更应重视。

5  矿井瓦斯类型评价

根据2013年12月31日国家安全监管总局、国家煤矿安监局联合下发的《煤矿地质工作规定》，矿井瓦斯类型分为简单、中等、复杂、极复杂四种类型，其中煤层瓦斯含量小于4m3/t时定为简单类型;煤层瓦斯含量大于或等于4m3/t且小于8m3/t时定为中等类型;煤层瓦斯含量大于或等于8m3/t时定为复杂类型;煤与瓦斯突出矿井或按照煤与瓦斯突出矿井管理的定为极复杂类型。

对照上述类型标准，该矿15#煤层瓦斯含量为1.59～3.65m3/t，平均2.35m3/t，矿井15#煤层瓦斯类型属于简单类型。

6  结论

①根据矿井瓦斯等级鉴定报告数据，2016年矿井最大绝对瓦斯涌出量为1.98m3/min，最大相对瓦斯涌出量为1.04 m3/t;2018年最大绝对瓦斯涌出量为2.08m3/min，最大相对瓦斯涌出量为1.69 m3/t，该矿属低瓦斯矿井。

②15#煤层瓦斯成份以氮气（N2）为主，占总量的46.53%，其次为二氧化碳（CO2）占总量的37.62%，二者占总量的84.15%，甲烷（CH4）仅占总量的15.85%。

③15#煤层瓦斯瓦斯赋存的主控因素是埋深，瓦斯含量与煤层埋深为负相关关系，瓦斯成分中CH4所占体积比最高为54.64%，处于瓦斯风化带内且处于氮气～甲烷带。

④分源预测法预测结果表明：生产前期、中期、后期的矿井最大相对瓦斯涌出量分别为2.04m3/t、5.18m3/t、3.75m3/t，中期阶段矿井瓦斯涌出量最大。

⑤该矿井15#煤层瓦斯类型属于简单类型，其处于瓦斯风化带，不存在煤与瓦斯突出危险。

参考文献：

[1]胡殿明，林柏泉.煤層瓦斯赋存规律及防治技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006.

[2]俞启香，程远平，等.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

[3]袁亮，薛生，谢军.瓦斯含量法预测煤与瓦斯突出的研究与应用[J].煤炭科学技术，2011，39（3）：47-51.