郭建明

(山西潞安化工集团 左权佳瑞煤业有限公司，山西 左权 032600)

能源赋存格局决定了煤炭是我国的主体消费能源，在我国赋存的煤炭资源中，煤层透气性大多较差，导致煤层富含瓦斯。有关数据显示，在煤矿事故中，瓦斯事故占一半以上，因此，瓦斯治理是煤矿开采面临的一大难点[1-2]。为减少矿井瓦斯灾害，瓦斯涌出量预测和瓦斯抽采技术是矿井开采的必须措施。目前，矿井瓦斯涌出量预测法主要有两类：建立在数理统计基础上的矿山统计法和以煤层瓦斯含量为基础参数的分源预测法。瓦斯抽采技术一般有地面瓦斯钻井、穿层钻孔、顺层钻孔等[3-5]。

1 工程概况

佳瑞煤业井田处于沁水煤田的东北部边缘地段，隶属于山西潞安矿业集团司马煤业有限责任公司。根据矿井相关地质资料显示：井田范围内至上而下共有2、4、8、9、10、11、13、14和15号煤层共9层煤层，除15号煤层稳定可采外，其余煤层为不稳定煤层，均为不可采或者零星可采。15号煤层位于太原组下段下部，上距K2石灰岩8.06 m，下距K1砂岩8.96 m，煤层厚度4.78～5.81 m，平均厚5.50 m。煤层结构复杂，一般含1～3层夹矸，单层夹矸最大厚度可达0.41 m，煤层顶板为砂质泥岩，底板为泥岩，该煤层为井田内稳定可采的厚煤层。根据相关计算，本矿井瓦斯储量389.42 Mm3，在矿井瓦斯抽放率为35%的情况下可以抽出136.30 Mm3瓦斯，瓦斯资源较为丰富。15号煤层瓦斯基本参数见表1。

表1 15号煤层瓦斯基本参数

2 瓦斯涌出量预测

采用分源预测法进行矿井瓦斯涌出量的预测，瓦斯涌出来源主要包括回采工作面、掘进工作面、采空区等。

1) 回采工作面瓦斯涌出量预测。回采工作面瓦斯涌出主要包括开采层和邻近层的瓦斯涌出，开采层瓦斯涌出量可由公式(1)计算，邻近层瓦斯涌出量按本煤层瓦斯涌出量的90%参与计算。

(1)

式中：q1为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；k1为围岩瓦斯涌出系数，取1.3；k2为丢煤瓦斯涌出系数，取1.15；k3为预排瓦斯对工作面的影响系数，取0.81；m为开采层厚度，取5.5m；M为工作面采高，取5.5 m；W0为开采煤层原始瓦斯含量，取11.11 m3/t；WC为残存瓦斯含量，取3.00 m3/t。

经计算15号煤层首采工作面本煤层相对瓦斯涌出量为9.82 m3/t，邻近层瓦斯涌出量为8.84 m3/t，即15号煤层首采工作面相对瓦斯涌出量为18.66 m3/t，绝对瓦斯涌出量为33.69 m3/min。

2) 掘进工作面瓦斯涌出量预测。主要包括煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出，煤壁瓦斯涌出量可由公式(2)计算，落煤瓦斯涌出量可由公式(3)计算。

(2)

qL=Svγ(X0-X1)

(3)

式中：qB为煤壁瓦斯涌出量;D为巷道煤体暴露周边长度，取9.7 m；v为巷道平均掘进速度，综掘平均掘进速度为0.069 4 m/min，普掘平均掘进速度为0.004 63 m/min；q0为煤壁瓦斯涌出初速度，取0.062 9 m3/m2·min；l为巷道长度，综掘取800 m，普掘取600 m。

qL为落煤瓦斯涌出量；S为掘进巷道断面积，m2；γ为煤的密度，取1.41 t/m3；X0为煤层原始瓦斯含量；X1为残存瓦斯含量。

经计算得出，当采用普掘时巷道落煤瓦斯涌出量为0.90 m3/min，采用综掘时巷道落煤瓦斯涌出量为1.34 m3/min。矿井达到设计产量时井下装备两个综掘、两个普掘共两个煤巷掘进工作面，掘进工作面瓦斯涌出量为16.50 m3/min。

3) 采空区瓦斯涌出量预测。可由公式(4)计算得到。

(4)

式中：q区为采空区相对瓦斯涌出量；K＇为采空区瓦斯涌出系数，取1.4；q采i为第i个回采工作面瓦斯涌出量；A采i为第i个平均日产量；q掘i为第i个掘进工作面瓦斯涌出量；A区i为第i个采区平均日产量。计算得到采空区瓦斯绝对涌出量为48.19 m3/min。

综上所述，结合本矿井使用综采生产、采用放顶煤开采等因素后，回采工作面和掘进工作面瓦斯涌出不均衡系数值取1.50，采空区及矿井瓦斯涌出不均衡系数取1.30，对矿井最大瓦斯涌出量进行预测。将不均衡系数代入后可以预测在达产时矿井绝对瓦斯涌出量最大为127.89 m3/min，见表2。

表2 矿井瓦斯涌出量预测

3 抽放瓦斯的可行性分析

根据矿井瓦斯涌出量预测结果，可知佳瑞煤业瓦斯来源由以下三部分组成：①回采工作面瓦斯涌出；②掘进工作面瓦斯涌出；③采空区瓦斯涌出。各瓦斯源涌出瓦斯占矿井瓦斯涌出的比例见表3。由此可以看出，达产后的瓦斯涌出构成中，回采工作面和采空区瓦斯涌出量比重较大。

表3 矿井瓦斯涌出量构成

3.1 开采层瓦斯抽放可行性分析

开采层瓦斯抽采的可行性是指在原始透气性条件进行预抽的可能性，一般用煤层的透气性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数来判断。现场实测钻孔瓦斯流量衰减系数α为0.057 4 d-1，煤层透气性系数λ为0.124 m2/MPa2·d。据此判定矿井主采的15号煤层介于可以抽放和较难抽放之间，认为佳瑞煤业15号煤层属于可以抽放煤层，但需采取强化抽放措施以保证抽放效果。

3.2 邻近层瓦斯抽放可行性分析

邻近层抽放瓦斯技术是一项成熟的治理瓦斯灾害的技术。在中、近距离邻近层赋存条件下，只要钻孔参数设计、施工合理，抽放参数选择适宜，都能取得较好的抽放瓦斯效果，工作面邻近层的瓦斯抽采率一般可以达到40%～90%.佳瑞煤业将15号煤层作为首采层开采，15号煤层上部有距离较近的14、13、11、10号等不可采煤层，采高较大的15号煤层回采后引起顶底板岩层变形，势必影响到邻近层，使邻近煤层透气性大大增加，因此，邻近层瓦斯抽放是可行的。

3.3 采空区瓦斯抽放可行性分析

佳瑞煤业整合前已经进行了多年开采，形成了大面积15号煤层老采空区，加上以前开采工艺比较落后、回采率比较低，导致丢煤比较多，其解吸瓦斯存储于形成的老采空区内，从目前具有的条件分析，具备采空区瓦斯抽采的条件，因此，采空区瓦斯抽放是可行的。

4 瓦斯利用效益分析

经计算，佳瑞煤业抽放瓦斯系统建设完成且稳定运行达到预计抽放效果时，矿井瓦斯抽放纯量约为47.26 m3/min，年抽放纯量在24.84 Mm3以上。按1 m3纯瓦斯能产生3.0～3.5 kW·h的能换比计算，全年发电量为：47.26×1 440×365×3.0=74.52 MkW·h。按目前电价0.40元/ kW·h计算，抽放瓦斯综合利用后的电能产生经济效益：74.52×0.4=2 980万元，按年发电收益40%计算，年收益为1 192万元。