采空区瓦斯地面井抽采瓦斯来源及储量预测研究

邹 虎

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿，山西 长治 046600）

中国拥有丰富的煤炭资源[1]。一直以来，伴随着我国工业的飞速发展，必然对能源有着更高的需求，高产的煤炭资源满足了工业生产的能源消耗。预计至本世纪中叶，我国煤炭的产量与资源总量的占比将达到50%以上。因此，在未来我国工业发展的进程中，煤炭仍是主要消耗能源。

随着煤炭资源的不断开采，在采煤工作面的采空区极易发生瓦斯事故[2]，选择合适的瓦斯治理措施对于煤矿采煤生产工作的顺利进行十分重要。近年来，随着专家学者的不断研究和逐步完善，瓦斯抽采技术已成为被广泛应用的方法[3-5]。研究得知，瓦斯涌出量的影响因素有很多，因此，需要对瓦斯的涌出量进行预测。通过确定总的涌出量，可为初期的设计工作以及采煤工作面进行的采动工作提供理论依据，并可以据此来提出合适的瓦斯防治措施。经过半个世纪的研究分析，专家提出了分源预测法[6]来较为准确地预测瓦斯涌出量。分源预测法，顾名思义就是对煤矿采区的瓦斯来源进行分类，分析各个来源的瓦斯赋存状态及范围，掌握运移规律，以此对各源瓦斯采取针对性治理措施。通过分源研究可以进一步对瓦斯的涌出量进行预测计算，为煤矿的瓦斯抽采工作提供理论基础。

基于此，通过分析李村煤矿老采空区的瓦斯赋存状态及分布范围，指出了采空区瓦斯的具体来源，并利用分源预测法，建立预测模型，预测计算了采空区瓦斯储量，为采空区瓦斯地面井抽采工作的顺利进行提供理论基础。

1 瓦斯来源分析和赋存状态及范围

1.1 老采空区瓦斯赋存状态

（1）赋存状态

采空区瓦斯的赋存状态从物理学角度讲可以分为三种[7]：即吸附态、游离态和溶解态。大多数瓦斯以吸附态和游离态为主，极少数会以溶解态的形式存在，如图1 所示。这三种状态下瓦斯分子之间不断转化。

图1 老采空区瓦斯的赋存状态

图2 煤岩体等温吸附—解吸曲线

虽然存在于采空区内瓦斯的赋存状态仍是吸附态、游离态和溶解态三种，但是这三种状态的比例关系却有所不同。在采煤工作面的开采工作结束以后，由于内部压力下降，原本处于吸附状态的瓦斯会离开孔隙成为游离态，此时游离瓦斯的体积要远大于吸附态。同时，煤体孔隙内的水压降低，瓦斯不断从水中剥离出来，因此溶解在水中的瓦斯所占总量的比例也会降低。

（2）状态方程

所谓状态方程，就是利用公式将流体体积与物理因素（压力等）之间的作用关系表示出来。以下分别是吸附态、游离态和溶解态下的状态方程。

①吸附状态方程

目前较常用朗缪尔模型来表示等温吸附状态方程。通常可以用下式进行表示：

式中：VS为煤层瓦斯吸附量，cm3/g；VL为朗缪尔体积，cm3/g；b′为朗缪尔压力常数，1/MPa；pg为孔隙气体压力，MPa。

当pg=pL时，Vs=0.5VL。根据公式可以得到下述煤岩体等温吸附—解吸曲线图。

通常情况下实验会在30℃的温度条件下进行。图中的a′、b′是瓦斯吸附常数。式中：a′为采空区内瓦斯的最大吸附量，b′为朗缪尔压力常数，b′的取值会随着瓦斯解吸能力的变化而改变。

②溶解状态方程

溶解在水中的瓦斯量可由下式计算表达 （亨利定律）：

式中：pb为水、瓦斯交界面处的蒸汽压，Pa；cb为瓦斯的溶解度，mol/m3；kc为亨利常数。

在恒温条件下，溶解度与压力成正比。另外，亨利常数kc还与温度有关，温度越高溶解度越小。

③游离状态方程

若要表示游离状态的瓦斯量，可运用真实气体状态方程。在方程中，由于采空区瓦斯为非理想气体，因此气体体积受多种物理因素影响（温度、压力等）。可用下式来表示：

式中：a0、b0为范德华常量。

1.2 采空区瓦斯来源

分析研究发现，煤矿采煤工作面的采空区瓦斯主要来自残留煤柱、遗煤和邻近煤岩层，如图3所示。

图3 采空区瓦斯来源

（1）采空区残留的煤柱和遗煤

我国煤炭采出率普遍较低，在已经封闭的矿井中，仍然存在着大量的煤炭资源没有采出和利用，由此造成资源浪费。在采煤工作面回采结束以后，仍然会有瓦斯涌出。

（2）邻近煤层及岩层

采煤工作面作业时，由于采动的影响，工作面的瓦斯压力将会降低，赋存于邻近煤层的瓦斯会不断释放。在初期，瓦斯的释放速度极快，随着采煤作业的不断进行，速度会明显降低，但总的瓦斯释放量极高。在采煤工作面的采煤作业结束后，邻近煤层所释放的瓦斯将占采空区瓦斯涌出量的很大一部分。邻近岩层也是瓦斯的一个重要来源，同样的由吸附态和游离态两部分组成。

1.3 采空区瓦斯赋存范围

一些煤矿的采煤工作面封闭后没有测量其压力，致使无法判别赋存范围。此外，由于我国大部分煤层都存在饱和度偏低的问题，因此即使瓦斯受采动影响也仍然保持吸附状态。由于传统理论的缺陷不能满足本文设计的需要，在此，可以将采空区的上覆煤岩层根据瓦斯解吸的难易程度进行重新划分，赋予其新的定义：如图4 所示从上到下依次为不易解吸带、卸压解吸带和导气裂隙带。

图4 采动上覆瓦斯卸压运移“三带”划分

根据定义，得知下两带内存在的瓦斯即采空区瓦斯，两带的高度和采动影响角构成了采空区瓦斯的边界，即赋存范围。

2 采空区瓦斯储量模型

由上述研究可知，李村煤矿采空区瓦斯主要来源于残留煤柱、遗煤以及邻近煤岩层这三大部分。基于对本煤矿采空区内瓦斯的来源及赋存范围的研究，利用分源预测法，通过建立方程模型来预测计算瓦斯储量。

2.1 导气裂隙带内瓦斯储量

（1）遗煤瓦斯储量

若采空区的遗煤呈均匀等量分布状态，则可以通过以下公式[8]得出采空区遗煤的瓦斯涌出量为：

采空区遗煤瓦斯储量可表示为：

式中：Cb为初期瓦斯总含量，m3/t。

（2）煤柱瓦斯储量

在采煤工作面进行掘进和采煤作业的时候，在采动的影响下围岩应力会运移至更深处，使采空区的瓦斯会在煤柱处发生卸压。赋存于煤柱内部的瓦斯浓度要高于外部，一定条件下会致使瓦斯流向采空区。根据理论研究分析，可以得到瓦斯涌出强度与时间的关系式，即式（6），显然，两者呈负幂函数的关系。

式中：νm为不同时刻的瓦斯涌出强度，ν0为起始时刻，m3/（m2·min）；α 为衰减系数。

由图5 可得，曲线表示瓦斯的涌出速度随时间的变化值，对速度求时间的积分，即为涌出量。煤柱的总瓦斯涌出量为：

图5 煤柱瓦斯涌出速度衰减曲线

式中：t0为巷道掘进至采煤工作面封闭所经历的总时间；hb、lh分别为采煤工作面的高度和长度，m；Vc为巷道掘进的速度，m/min。

煤柱的瓦斯储量为总量减去封闭时刻涌出量，即：

（3）赋存于邻近煤岩层内的瓦斯储量

邻近煤层、岩层遗留瓦斯储量[9]可分别表示为：

式中：Qdm、Qdy分别为邻近煤层、岩层遗留的瓦斯储量，m3；λi、δj＇为第i 层上邻近煤层、第j 层上邻近岩层的瓦斯残留率，%；ci为初始瓦斯含量，m3/t；φj＇为第j 层上邻近岩层的孔隙率；si、sj＇为煤层、第j层上邻近岩层的面积，m2；Mi、Mj＇为煤厚、第j 层上邻近岩层的厚度，m。

2.2 卸压解吸带内瓦斯储量

煤层开采后会形成卸压解吸带，其内部的煤岩层瓦斯储量可分别通过以下公式[10]进行计算：

综合以上的方程模型可得，存在于采空区内部的瓦斯资源总储量为：

3 地面井抽采范围采空区瓦斯储量估算

3.1 地面试验井及工作面概况

06 采动井位于李村煤矿1308 工作面。1308工作面主采3#煤层，地面标高区间在+827 m 和+896 m 之间，工作面埋深为354～406 m，走向长760 m，倾斜长176 m。

根据《3#煤层瓦斯涌出量基础参数预测报告》,1308 工作面3#煤层原始瓦斯含量为14.45 m3/t，吸附常数a 为39.811 m3/tr、b 为1.87 MPa-1，钻孔瓦斯涌出衰减系数0.040 3～0.041 7 d-1，评判区域瓦斯储量1 804.87 万m3。

3.2 钻孔关键层判别

随着计算机技术的飞速发展，在目前阶段，在对岩石关键层进行判别的时候，通常会使用相关的模拟软件，即KSPB。在利用KSPB 对李村煤矿采煤工作面的关键层进行判别后 （如图6 所示），1308 采煤工作面含有5 层亚关键层，分别为细砂岩（厚度为6.3 m）、粗砂岩（厚度为13.24 m）、细砂岩（厚度为6.3 m）、粉砂岩（厚度为8.1 m）和粉砂岩（厚度为13.3 m），此外，还判别到1 层主关键层，为厚度14.4 m 的粗砂岩。

图6 1308 工作面钻孔柱状及关键层位置分布

3.3 工作面导气裂隙带及卸压解吸带的高度判别

根据上述判别结果，得知主关键层的高度为342.58 m，而工作面采高为3 m。根据现行的高度判别法得知，1308 采煤工作面内产生的裂隙会不断发育直至上方最接近的关键层，最低21 m，最高30 m。即图6 中所示的亚关键层3，此处至所开采煤层的距离为103.55 m。因此，1308 工作面导气裂隙带高度为103.55 m。

结合岩层移动的关键层理论可得，1308 工作面覆岩卸压解吸带将止于亚关键层4，亚关键层4与煤层顶界面的间距为197.13 m，所以卸压解吸带高度为197.13 m。

3.4 06 采动井抽采范围采空区瓦斯储量预测

由上述判别结果可知，导气裂隙带存在于1#、2#、3#煤层。运用第2 章中的模型进行储量计算，有关参数值如表1 所示。

表1 预测模型参数值

将上述参数代入，06 采动井自2015 年9 月21 日投运以来，截至2019 年9 月20 日共计1 360 天，计算得06 采动井可抽采瓦斯资源量为1 072 万m3。利用相关公式及井田3#煤吸附等温曲线可算得原始煤层游离气量采收率60%，因此，06 采动井可抽采瓦斯资源量为643.2 万m3。

现场实践表明：06 采动井位于1308 工作面，从2015 年9 月21 日投运至2019 年9 月20 日累计抽放1 360 天，平均抽放浓度30%，平均抽放平纯量3 m3/min，平均日抽放量0.43 万m3，累计抽放瓦斯500 余万m3。可以看出采用分源预测法可以较为准确地预测李村煤矿采空区瓦斯抽采量。

4 结论

1）根据所描述的采空区瓦斯来源可知，李村煤矿采空区的瓦斯主要来源包括残留煤柱、遗煤以及邻近的煤岩层。结合岩层移动的关键层理论可得，李村煤矿1308 工作面导气裂隙带高度为103.55 m，卸压解吸带高度为197.13 m。

2）采用分源预测法计算得06 采动井从2015年9 月21 日投入运行至2019 年9 月20 日累计抽放1360 天，平均抽放纯量3 m3/min，平均日抽放量0.43 万m3，平均抽放浓度30%，累计抽放瓦斯500 余万m3。

3）在瓦斯抽采的基础上，通过采取加强现场管理及监测监控等措施，实现了1308 工作面安全回采。通过对采空区瓦斯来源及其赋存方式的研究，可较为准确地计算出采空区瓦斯储量，为瓦斯治理以及瓦斯资源的有效利用提供了较为可靠的理论基础。