瓦斯风化带内瓦斯涌出量预测技术研究

 贾军萍1，2  许江涛1，2  张淦星1，2

（1．山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西省太原市，030045；2．山西省煤炭工业厅综合测试中心，山西省太原市，030045）

摘  要从煤层瓦斯赋存的垂向分带入手，分析现行瓦斯风化带确定方法的不足，提出了至少选用2项指标来确定瓦斯风化带的方法；各指标在同一地质单元内，每个指标的可靠测值点不少于5个，分别是走向可靠测值不少于2个，倾向可靠测值不少于3个；针对瓦斯风化带内煤层瓦斯涌出量预测的空缺，结合瓦斯风化带下部边界的相对瓦斯涌出量指标，提出了新的瓦斯风化带内的瓦斯涌出量预测方法。分析了瓦斯风化带内开采存在的安全隐患。

关键词  瓦斯风化带  瓦斯涌出量预测  瓦斯赋存  垂向分带

中图分类号  TD712. 53  

 矿井瓦斯涌出量预测的任务是确定新矿井、新水平、新采区、新工作面投产前瓦斯涌出量的大小，为矿井、采区和工作面通风提供瓦斯涌出方面的基础数据，它是矿井通风设计、瓦斯抽放和瓦斯管理必不可少的基础参数。2006年我国发布了行业标准《矿井瓦斯涌出量预测方法》( AQ1018 -2006)，瓦斯涌出量预测方法主要有矿山统计预测法和分源预测法两种。这两种方法适用于绝大多数矿井，但由于瓦斯风化带内的煤层瓦斯赋存不具有明显的线性规律，难以编制煤层瓦斯含量等值线图，矿山统计预测法和分源预测法都不适于在瓦斯风化带中进行瓦斯涌出量预测。因此，掌握瓦斯风化带煤层的确定方法、瓦斯涌出量、瓦斯赋存与运移规律以及加强瓦斯管理具有积极的指导意义。

1  煤层瓦斯赋存的垂向分带

 当煤层具有露头或在冲积层之下有含煤盆地时，在煤层内存在两个不同方向的气体运移，即煤层生成的瓦斯由深部向上部移动，而地面空气、表土中的生物化学和化学反应生成的气体向煤层深部渗透扩散，从而使赋存在煤层内的瓦斯表现出垂向分带特征。煤层瓦斯沿垂向一般可分为瓦斯风化带（CO2- N2、N2、N2 - CH4带的统称）和甲烷带（CH4带）。煤层瓦斯垂向分带情况如图1所示。 

位于瓦斯风化带下边界以下的甲烷带内煤层的瓦斯压力、瓦斯含量随埋藏深度的增加呈有规律地增长，相对瓦斯涌出量也随开采深度的增加而有规律地增长，所以矿企一般都比较重视甲烷带内的瓦斯治理，从而忽略了瓦斯风化带内的瓦斯治理。

2现行瓦斯风化带的确定方法

 瓦斯风化带申各带不仅瓦斯组分不同，而且瓦斯含量也不同。瓦斯风化带深度是煤田长期地质进程的结果，不同矿区瓦斯风化带的深度存在较大的变化。影响瓦斯风化带深度的因素有很多，剥蚀过程可使瓦斯风化带减少；长期风化、自由排放瓦斯时间愈长，瓦斯风化带深度就愈增加；地层破坏程度愈高，瓦斯排放的不均匀性和风化带深度就会愈大；致密透气性差的覆盖层可阻止瓦斯风化带的扩大等等。我国现行确定瓦斯风化带下部边界主要采用如下指标。

 (1)瓦斯风化带气体组分指标划分标准，如表1所示。

 (2)瓦斯风化带瓦斯压力指标划分标准：当瓦斯压力P为0. 1～0.15  M Pa时，确定在该范围之内的煤层为瓦斯风化带。

 (3)瓦斯风化带相对瓦斯涌出量指标划分标准：当相对瓦斯涌出量q为2～3m3/t时，确定在该范围之内的煤层为瓦斯风化带。

(4)瓦斯风化带煤层瓦斯含量指标划分标准：

3各指标划分瓦斯风化带存在的问题

3.1  以气体组分为指标划分瓦斯风化带存在的问题

 从表1可以看出，当煤层中CH4的组分含量小于80%时，可以划分为瓦斯风化带，但此标准仅适用于部分煤矿区。刘援民对江西省46个煤矿区煤层瓦斯含量测试成果表明，有相当一部分煤矿区当CH4的组分含量小于80%时，瓦斯含量能达到5 m3/t。因此，单纯用气体组分划分瓦斯风化带是不科学的。

3.2  以瓦斯压力或瓦斯含量为指标划分瓦斯风化带存在的问题

 在现场实测中发现，瓦斯高压力低含量或高含量低压力的矿井特别多。例如山东济宁巨野煤田最大瓦斯压力可达到0.7 M Pa，其对应瓦斯含量只有3m3/t。因此在使用瓦斯压力或瓦斯含量来确定瓦斯风化带时应研究二者的敏感性。

3.3  以相对瓦斯涌出量为指标划分瓦斯风化带存在的问题

 煤层的相对瓦斯涌出量指煤层在开采过程中平均每产1t煤所涌出的瓦斯量，它取决于煤体的吸附解析性能。气体分子与固体表面分子之间的相互作用力称之为吸附。具有较大表面积的煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。有的煤体吸附性能特别强，原煤瓦斯含量达到5m3/t时，相对瓦斯涌出量保持在2～3 m3/t。

 综上所述，针对瓦斯风化带划分，各指标都不能全面的概述瓦斯风化带的特征。因此，以单纯的一项指标来划分瓦斯风化带是不科学的。

4  瓦斯风化带确定的新方法

建议至少选用2项指标来确定瓦斯风化带： 

(1)当采用气体组分为主要指标确定瓦斯风化带时，搭配瓦斯含量指标。因为气体组分的主要决定因素为瓦斯含量，当瓦斯含量低，气体组分肯定小；当气体组分小，瓦斯含量不一定低。

 (2)当采用瓦斯含量为主要指标确定瓦斯风化带时，搭配瓦斯压力指标，或者当采用瓦斯压力为主要指标确定瓦斯风化带时，搭配瓦斯含量指标。瓦斯含量与瓦斯压力是相互联系的，瓦斯压力与瓦斯含量存在相互反算关系，反算值的大小取决于煤的吸附常数及工业分析等参数。

 (3)当采用相对瓦斯涌出量为主要指标确定瓦斯风化带时，搭配瓦斯含量指标。因为瓦斯涌出量的取决因素主要是煤的吸附性能，即残余瓦斯含量的大小，残余瓦斯含量大的煤，瓦斯涌出量就小。

 在同一个地质单元内划分瓦斯风化带时，除去地质钻孔外，每个实测指标的可靠测值点不少于5个，分别是走向上的可靠测值不少于2个，倾向上的可靠测值不少于3个。若未受地质构造影响的煤层最大埋深处各指标测值均表明处于瓦斯风化带，则可判断全井田煤层完全处于瓦斯风化带，并明确处于瓦斯风化带中的具体带中。

5瓦斯风化带内瓦斯涌出量预测

 处于瓦斯风化带内的煤层难以用分源预测法和矿山统计法预测涌出量，也没有成熟的预测方法借鉴。参考《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018-2006)中给出煤层瓦斯风化带下部边界的相对瓦斯涌出量为2～3 m3/t，处于瓦斯风化带中的煤层开采时，矿井瓦斯涌出量将小于瓦斯风化带下部边界指标。根据该指标并结合瓦斯沿垂向的分带情况（随着埋深增加，甲烷的组分整体呈增大趋势），暂定（取值标准为项目积累经验值）：处于CO2 - N2带的煤层相对瓦斯涌出量取2m3/t，处于N2带的煤层相对瓦斯涌出量取2.5m3/t，处于N2 - CH4带的煤层相对瓦斯涌出量取3m3/t。

 矿井瓦斯涌出量根据井下的采掘情况一直在变化，以上暂定瓦斯风化带瓦斯涌出量可作为矿井通风设计、瓦斯管理的基础资料。矿企应根据井下采掘时实际瓦斯涌出情况及时更新完善矿井的通风、瓦斯基础资料，实现瓦斯涌出动态监测监控。

6  瓦斯风化带内开采需注意的安全问题

 (1)预防高氮（二氧化碳）缺氧事故。就整个煤田来说，由于瓦斯风化带距地表浅，浅的不到100 m，深的200～300 m，煤层中大量瓦斯逸向大气，而大气中N2 (CO2)进入煤层浅部的瓦斯风化带内，易造成该带内N2 (CO2)含量达80%以上。因此，在该带内进行采掘作业时应以预防高N2 (CO2)缺氧事故发生。进行通风能力核定时，要以N2 (CO2)主。对于盲巷探险，在检验瓦斯的同时还应测定含氧量或进行气体采样分析工作。

 (2)预防瓦斯异常涌出区域。瓦斯是地质作用的产物，瓦斯分布的不均衡性受地质条件控制。封闭型地质构造有利于瓦斯封存，开放型地质构造有利于瓦斯运移，区域地质构造控制着瓦斯含量的区域性分布。在瓦斯风化带内开采煤层，可能出现瓦斯集中赋存区域，在遇到构造时，做好提前钻探工作。

 (3)加强通风管理。在瓦斯风化带内开采煤层时，往往不重视通风问题，造成通风不良、停风、微风等情况，这时不但有窒息危险，也有瓦斯爆炸危险。因此，煤矿要以完善通风系统为前提，以监测监控为保障，以局部瓦斯治理为辅助，以风定产，保证安全、高效生产。

7结论

 (1)在划分瓦斯风化带时，不能单纯用一项指标来确定，至少选用两项指标。当采用气体组分为指标时，搭配瓦斯含量指标；当采用瓦斯含量为指标时，搭配瓦斯压力指标；当采用瓦斯压力为指标时，搭配瓦斯含量指标；当采用相对瓦斯涌出量为指标时，搭配瓦斯含量指标。

 (2)在同一地质单元内，每个指标的可靠测值点不少于5个，分别是走向可靠测值不少于2个，倾向可靠测值不少于3个。

 (3)根据瓦斯风化带下部边界的相对瓦斯涌出量指标，确定处于CO2 - N2带的煤层相对瓦斯涌出量取2m3/t，处于N2带的煤层相对瓦斯涌出量取2.5m3／t，处于N2 - CH4带的煤层相对瓦斯涌出量取3m3/t。

 (4)在瓦斯风化带内要有完善的通风系统，保持足够的风量、风速，预防高N2 (CO2)缺氧事故的发生，进行通风能力核定时，要以N2 (CO2)主。

 (5)矿企应根据井下采掘时实际瓦斯涌出情况及时更新完善矿井的通风、瓦斯基础资料，实现瓦斯涌出动态监测监控，预防瓦斯异常涌出。