李瑞林 王 伟

（山西安标检验认证有限公司，山西 太原 030000）

瓦斯涌出量数据是矿井进行通风设计、瓦斯治理关键性基础参数[1]。新建矿井、开采新煤层和开采新水平都必须进行瓦斯涌出量预测[2]，最常用的方法是矿山统计法和分源预测法。矿山统计法并不适用瓦斯风化带内的煤层[3]，只能采用分源预测法。对分源预测法，如何确定瓦斯风化带内煤层最大瓦斯含量是预测成功的关键。

簸箕掌煤业位于大同市马道头乡，设计生产能力120 万t/a。矿井属于基建阶段，准备开采19#煤层，因此预测19#煤层瓦斯涌出量对矿井下一步瓦斯治理和通风管理具有重要的指导意义。本文根据瓦斯风化带判定指标，提出一种确定瓦斯风化带煤层最大瓦斯含量的新途径，为风化带内瓦斯涌出量预测提供了新的方法。

1 煤层瓦斯含量测定

簸箕掌煤业井下实测数据以及校正后的地勘瓦斯含量数据见表1。

根据表1 可知，19#煤层的瓦斯含量较小，含量在0.22～0.44 m3/t 之间，最大瓦斯含量为0.44 m3/t。残存瓦斯含量在0.14～0.25 m3/t 之间，最小残存瓦斯含量为0.14 m3/t。气体组分中CH4浓度为2.15%～24.16%，平均浓度为11.21%；CO2浓度为0.00%～3.25%，平均浓度为1.68%；N2浓度为73.76%～94.79%，平均浓度为87.41%。

2 煤层瓦斯赋存特征

簸箕掌井田位于大同向斜的中东部，井田总体构造形态为一倾向北、走向近东西的单斜构造，地层倾角3°～5°。井田内发现7 条正断层，其中中南部的有三条近东西向的正断层，使井田形成了地垒、地堑构造格局。

煤层瓦斯含量较低的原因：（1）簸箕掌煤业19#煤层属于变质程度较低的气煤，在整个成煤过程中生成的瓦斯量较小，且其吸附能力也较小，是导致目前煤层中瓦斯含量较小的主要原因。（2）19#煤层埋深最深处约为310 m，最浅约为160 m，较浅的煤层埋藏为瓦斯的逸散提供了有利的条件。（3）井田内断裂构造较发育，共发现7 条断层，在井田内断层均为张性正断层，属于开放性断层，有利于瓦斯释放。

煤层瓦斯赋存沿垂向分为瓦斯风化带和CH4带。瓦斯风化带可细分为CO2-N2带、N2带、和N2-CH4带[4]。根据划分标准和实测气体组分数据，19#煤层埋深297 m 处于N2带，而井田范围内的最大埋深为310 m，埋深为310 m 处极大可能仍处于N2带，最多进入到N2-CH4带，不会跨越式地跃迁进去甲烷带，推断19#煤层属于瓦斯风化带。以往研究表明，在CH4带内煤层瓦斯含量一般会随煤层埋藏深度的增加有增大的趋势[5]，而在瓦斯风化带中的煤层瓦斯含量赋存不均衡，无明显规律[6]。

根据表1 的瓦斯含量数据分析19#煤层瓦斯含量分布规律，绘制了19#煤层瓦斯含量与埋深分布散点图，如图1 所示。根据图示，19#煤层瓦斯含量与埋深的分布散乱，不具有规律性，无法得到瓦斯含量与埋深的线性关系，不能确定19#煤层内的最大瓦斯含量。

表1 19#煤层瓦斯含量测定结果表

图1 19#煤层瓦斯含量与埋深分布散点图

3 矿井瓦斯涌出量预测

3.1 预测含量的选择

对分源预测法来说，预测区域内的最大瓦斯含量是进行预测的关键性参数，而根据瓦斯赋存特征，19#煤层位于瓦斯风化带，无法确定最大瓦斯含量。因此可采用“瓦斯风化带判定指标”的煤种瓦斯含量指标进行瓦斯涌出量预测，如表2 所示。根据《煤层瓦斯风化带确定方法》（MT/T 1174-2019）中的瓦斯风化带判定准则：当烟煤和无烟煤瓦斯组分分析结果中甲烷气体体积分数小于80%且可燃基瓦斯含量Wr满足下列条件时，则指标测定点处于瓦斯风化带内。

表2 不同煤种瓦斯风化带判定指标

根据煤类划分，19#煤层为气煤；根据“瓦斯风化带判定指标”的瓦斯含量指标，19#煤层取1.5 m3/t 作为其最大可燃基瓦斯含量。根据地质报告中19#煤层的平均水分（Mad）为1.10%，平均灰分（Ad）为31.53%，换算成原煤瓦斯含量为1.01 m3/t。

3.2 预测条件

19#煤层生产能力为120 万t/a，布置1 个回采工作面和2 个顺槽掘进工作面，全部垮落法管理顶板。19#煤层平均厚度9.89 m，为特厚煤层。回采工作面回采率取93%，工作面长度为210 m，工作面平均产量3122 t/d。掘进工作面掘进速度为300米/月，掘进工作面净宽5.2 m，净高3.5 m，净断面为18.20 m2，平均出煤量为257 t/d，巷道长度为1600 m。9 号煤层平均厚度为9.89 m，顶板垮落带最大高度为29.40 m，上邻近层16上#、16#和18#煤层均位于19#煤层的垮落带中，邻近层瓦斯排放率均取100%。19#煤层残存瓦斯含量取历次残存瓦斯含量的最小值0.14 m3/t。

3.3 预测结果

将预测参数带入，经计算可知19#煤层达产120 万t/a 时，矿井最大相对和绝对瓦斯涌出量分别为2.24 m3/t 和5.66 m3/min，回采面最大瓦斯涌出量为2.93 m3/min，掘进面最大瓦斯涌出量为0.49 m3/min，簸萁掌煤业开采19#煤层时为低瓦斯矿井。同时矿井相对瓦斯涌出量为2.24 m3/t，小于3 m3/t，也验证了19#煤层位于瓦斯风化带的结论。

3.4 现场试验

现场统计了矿井建设期间的瓦斯涌出量实测数据，矿井绝对瓦斯涌出量2.09 m3/min，掘进面瓦斯涌出量为0.34 m3/min。根据标准，掘进工作面的瓦斯不均衡涌出系数取1.5，因此掘进面的最高绝对瓦斯涌出量为0.51 m3/min。将实测结果与预测结果进行对比，见表3，相对误差为3.92%，小于5%，满足实际需求。

表3 预测结果与实测统计值结果对比

4 结论

（1）根据瓦斯含量测定结果，19#煤层的瓦斯含量较小，含量为0.22～0.44 m3/t，残存瓦斯含量为0.14～0.25 m3/t。瓦斯气体中N2最多，平均浓度为87.41%；其次为CH4，平均浓度为11.21%；CO2最少，平均浓度为1.68%。19#煤层位于瓦斯风化带。

（2）19#煤层变质程度较低是瓦斯含量较低的主要原因，其次，埋藏深度浅和断裂构造较发育为瓦斯的逸散提供了有利的条件。

（3）19#煤层为气煤，根据“瓦斯风化带判定指标”的煤种瓦斯含量指标，19#煤层取1.5 m3/t 作为其最大可燃基瓦斯含量，进行涌出量预测，现场实测值和该方法的预测值相对误差为3.92%，小于5%，满足实际需求。因此其他瓦斯风化带内的煤层可根据煤种选择相应的煤种瓦斯含量，作为煤层最大瓦斯含量进行瓦斯涌出量预测。