田翔宇

（精英數(shù)智科技股份有限公司，山西 太原 030031）

0 引言

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度和強(qiáng)度的不斷增加，受深部高應(yīng)力疊加強(qiáng)烈采動(dòng)影響，瓦斯突出危險(xiǎn)性愈發(fā)明顯[1-2]。煤層瓦斯涌出量不確定是造成煤與瓦斯突出的重要原因[3]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層瓦斯涌出量對(duì)于防止瓦斯突出至關(guān)重要。在瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方面，前人做了大量研究，然而很少同時(shí)考慮多方面現(xiàn)場(chǎng)因素[4]。煤層瓦斯含量與埋藏深度、圍巖情況、井田地質(zhì)構(gòu)造等條件密切相關(guān)[5-6]。需要綜合各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)因素對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 礦井概況

山西某礦礦井井田面積53.325 km2，證載能力為360 萬(wàn)t/a，剩余可采儲(chǔ)量4.55 億t，剩余服務(wù)年限90 a。礦井采用平硐開(kāi)拓，條帶式開(kāi)采。生產(chǎn)采區(qū)為+973 m水平三采區(qū)、五采區(qū)，+860 m 水平二采區(qū)、八采區(qū)。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤，采空區(qū)處理為全部垮落法；煤巷為機(jī)掘；巖巷為炮掘。

主采煤層2#、4#、8#、9#四層煤，井田內(nèi)各主要可采煤層以瘦煤為主，貧煤、焦煤次之。煤層總厚13.4 m，煤系地層總厚155.88 m，可采含煤系數(shù)為8.31%。礦井為煤與瓦斯突出礦井。2022 年瓦斯涌出量測(cè)定結(jié)果，絕對(duì)瓦斯涌出量113.74 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量14.47 m3/t。礦井嚴(yán)格按要求執(zhí)行兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施，定期測(cè)定、收集、整理井下瓦斯參數(shù)，完善瓦斯地質(zhì)圖和防突預(yù)測(cè)圖，確保采掘作業(yè)均在防突效果有效范圍內(nèi)進(jìn)行。

山西某礦安全監(jiān)控系統(tǒng)于2005 年安裝并與集團(tuán)公司監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)在使用2019 年升級(jí)改造完成的KJ90X 型監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備服務(wù)器兩臺(tái)實(shí)現(xiàn)熱備份。機(jī)房實(shí)行雙回路熱備供電，配有在線式UPS電源，系統(tǒng)斷電后能持續(xù)供電不少于6 h。目前，礦井安裝使用監(jiān)控分站54 臺(tái)，各種傳感器456 臺(tái)，其中高低濃度甲烷傳感器94 臺(tái)、一氧化碳傳感器78 臺(tái)、溫度傳感器46 臺(tái)、斷電饋電儀31 臺(tái)、其他傳感器207 臺(tái)。

周邊相鄰礦井瓦斯等級(jí)分別為：杜兒坪礦、西銘礦屬高瓦斯礦井、屯蘭礦屬于煤與瓦斯突出礦井，西曲礦屬低瓦斯礦井。

2 礦井瓦斯賦存規(guī)律

2.1 埋深對(duì)瓦斯含量影響

煤層瓦斯含量沿傾向分布規(guī)律常用瓦斯含量與上覆基巖厚度之間關(guān)系表示，埋深往往直接影響成煤過(guò)程中產(chǎn)生的瓦斯在煤層中保存條件的好壞。根據(jù)勘探及相關(guān)資料顯示，煤層埋深是影響山西某礦瓦斯含量的主要原因。

2#煤層、4#煤層、8#煤層、9#煤層瓦斯含量與煤層埋深回歸方程結(jié)果分別如下公式（1）～式（4）所示：

式中：H 為煤層埋深，W 為瓦斯含量。這些關(guān)系能客觀地表明煤層瓦斯含量沿傾向的分布規(guī)律。經(jīng)計(jì)算后得知，山西某礦煤層埋藏深度自北向南逐漸增大，煤層瓦斯含量從北向南逐漸增大。

通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)量，得出了2008—2019 年煤層瓦斯絕對(duì)和相對(duì)瓦斯涌出量。如圖1 所示。相對(duì)瓦斯涌出量與絕對(duì)瓦斯涌出量變化趨勢(shì)基本保持一致，在反復(fù)震蕩中不斷上升。這是因?yàn)殡S著開(kāi)采的不斷進(jìn)行，煤層深度下降，所受地應(yīng)力也隨之增加，導(dǎo)致瓦斯涌出量不斷升高。瓦斯涌出量的增加對(duì)于煤礦安全影響重大。需要對(duì)后續(xù)瓦斯涌出量加以預(yù)測(cè)，從而為煤礦瓦斯突出防治提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 瓦斯絕對(duì)和相對(duì)涌出量

2.2 圍巖對(duì)瓦斯含量的影響

煤層周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)，影響煤層穩(wěn)定性的巖體稱為煤層圍巖，包括直接底、老頂和直接頂。圍巖的透氣性能對(duì)煤層瓦斯含量影響較大。2#和4#煤層頂板多為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，這些圍巖裂隙較多，有助于煤層瓦斯逸散。8#煤層頂板為石灰?guī)r，該巖石裂隙較少，完整性較強(qiáng)，煤層瓦斯不易逸散。當(dāng)9#煤層與8#煤層間距較大時(shí)，頂板為較致密的砂巖，瓦斯容易集聚，當(dāng)與8#下煤間距較近時(shí)，頂板變?yōu)椴恢旅艿纳百|(zhì)泥巖、粉砂巖，瓦斯易逸散。

2.3 井田的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)礦井瓦斯含量的影響

煤礦內(nèi)陷落柱和斷層較為發(fā)育，使煤巖層透氣性增大。截止到2019 年11 月底，山西某礦井田內(nèi)已發(fā)現(xiàn)604 個(gè)陷落柱，其中2014—2019 年11 月底共發(fā)現(xiàn)陷落柱133 個(gè)，大部分分布在三采區(qū)、五采區(qū)和八采區(qū)。陷落柱周?chē)０橛辛严叮萋渲鶅?nèi)煤、巖塊混雜，透氣性較好。同時(shí)煤層節(jié)理較發(fā)育，給瓦斯的擴(kuò)散提供一定的通道，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存影響較大，呈駝峰效應(yīng)。

2.4 地下水對(duì)煤層瓦斯含量的影響

受到山西某礦的地質(zhì)構(gòu)造影響，大范圍煤礦北部的煤層露頭為地下水補(bǔ)給區(qū)域，隨之向深部延申，逐漸變?yōu)闇魠^(qū)。因此由北向南瓦斯含量逐漸增加。由于地下水在太原組煤層地下活動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致山西組煤層瓦斯含量在垂直方向上高于太原組。

2.5 礦井瓦斯分區(qū)

綜合分析上述四種控制因素與山西某礦二十余年的采掘資料，礦井瓦斯分布差距顯著，瓦斯含量主要趨勢(shì)為東低西高、北低南高，下水平遠(yuǎn)大于上水平，各采區(qū)差別明顯。復(fù)雜瓦斯賦存為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)瓦斯涌出量增加了難度，需要一種較為可靠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法。

3 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

3.1 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法

瓦斯涌出量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)于煤礦災(zāi)害防治起著至關(guān)重要的作用。并且能夠?yàn)榈V井通風(fēng)、煤炭回采、瓦斯抽放等提供數(shù)據(jù)支撐。將分源預(yù)測(cè)法用于山西某礦瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。方法原理如圖2 所示。

圖2 礦井瓦斯涌出源匯關(guān)系示意圖

3.1.1 開(kāi)采煤層（包括圍巖）瓦斯涌出量[如公式（5）]

式中：q1為開(kāi)采煤層（包括圍巖）相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；k1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，對(duì)于陷落法頂板管理的工作面，取k1=1.2；k2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，其值為工作面回采率的倒數(shù)，2#煤層工作面回采率按80%，則k2=1.25；k3—順槽掘進(jìn)預(yù)排瓦斯對(duì)工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù)。m0為煤層厚度，m，2#煤層平均厚度m0＝1.42 m；m1為煤層采高，m；X0為煤層瓦斯含量，m3/t，X1為煤的殘存瓦斯含量，m3/t。

3.1.2 鄰近層瓦斯涌出量[如公式（6）]

式中：q2為鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i 個(gè)鄰近層厚度，m；m1為開(kāi)采層的開(kāi)采厚度，m；X0i為第i 鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；X1i為第i 鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t，取X1i為=2.41 m3/t；ki為取決于層間距離的第i 鄰近層瓦斯排放率。

3.2 礦井瓦斯量預(yù)測(cè)

根據(jù)2019 年度山西焦煤有限責(zé)任公司山西某礦測(cè)定的瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果，全礦井相對(duì)瓦斯涌出量為17.74 m3/t；由未來(lái)五年采掘銜接圖疊加礦井瓦斯地質(zhì)圖可預(yù)測(cè)未來(lái)五年各煤層采掘工作面瓦斯絕對(duì)涌出量和相對(duì)涌出量值，具體情況如圖3 所示。

圖3 五年各煤層采掘工作面瓦斯絕對(duì)涌出量和相對(duì)涌出量值

由圖3 可知，從2019 年以后，未來(lái)五年礦井瓦斯絕對(duì)涌出量預(yù)測(cè)值和相對(duì)涌出量預(yù)測(cè)值趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出先下降后上升，再下降最后上升的趨勢(shì)。最大相對(duì)瓦斯涌出量為14.32～31.01 m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為109～236 m3/min。對(duì)比2020 年、2021 年實(shí)際瓦斯涌出相關(guān)數(shù)值，與預(yù)測(cè)值基本吻合。

4 結(jié)論

1）從煤層埋藏深度、圍巖、井田地質(zhì)構(gòu)造、地下動(dòng)水、礦井瓦斯區(qū)分共五個(gè)方面對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行了探討。

2）使用分源預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)山西某礦瓦斯涌出量。并結(jié)合相關(guān)地質(zhì)和開(kāi)采條件，提升計(jì)算準(zhǔn)確率，從而完成瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。

3）在獲取煤層瓦斯含量的基礎(chǔ)上，對(duì)各煤層瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明產(chǎn)量4.0 Mt/a 時(shí)，從2021 年開(kāi)始未來(lái)五年礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為14.32～31.01 m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為109～236 m3/min。對(duì)比2021 年、2022 年實(shí)際瓦斯涌出相關(guān)數(shù)值，與預(yù)測(cè)值基本吻合。