瓦斯風化帶內(nèi)瓦斯涌出量預測技術研究
賈軍萍1，2 許江濤1，2 張淦星1，2
（1．山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局，山西省太原市，030045；2．山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心，山西省太原市，030045）
摘 要從煤層瓦斯賦存的垂向分帶入手，分析現(xiàn)行瓦斯風化帶確定方法的不足，提出了至少選用2項指標來確定瓦斯風化帶的方法；各指標在同一地質(zhì)單元內(nèi)，每個指標的可靠測值點不少于5個，分別是走向可靠測值不少于2個，傾向可靠測值不少于3個；針對瓦斯風化帶內(nèi)煤層瓦斯涌出量預測的空缺，結合瓦斯風化帶下部邊界的相對瓦斯涌出量指標，提出了新的瓦斯風化帶內(nèi)的瓦斯涌出量預測方法。分析了瓦斯風化帶內(nèi)開采存在的安全隱患。
關鍵詞 瓦斯風化帶 瓦斯涌出量預測 瓦斯賦存 垂向分帶
中圖分類號 TD712. 53
礦井瓦斯涌出量預測的任務是確定新礦井、新水平、新采區(qū)、新工作面投產(chǎn)前瓦斯涌出量的大小，為礦井、采區(qū)和工作面通風提供瓦斯涌出方面的基礎數(shù)據(jù)，它是礦井通風設計、瓦斯抽放和瓦斯管理必不可少的基礎參數(shù)。2006年我國發(fā)布了行業(yè)標準《礦井瓦斯涌出量預測方法》( AQ1018 -2006)，瓦斯涌出量預測方法主要有礦山統(tǒng)計預測法和分源預測法兩種。這兩種方法適用于絕大多數(shù)礦井，但由于瓦斯風化帶內(nèi)的煤層瓦斯賦存不具有明顯的線性規(guī)律，難以編制煤層瓦斯含量等值線圖，礦山統(tǒng)計預測法和分源預測法都不適于在瓦斯風化帶中進行瓦斯涌出量預測。因此，掌握瓦斯風化帶煤層的確定方法、瓦斯涌出量、瓦斯賦存與運移規(guī)律以及加強瓦斯管理具有積極的指導意義。
1 煤層瓦斯賦存的垂向分帶
當煤層具有露頭或在沖積層之下有含煤盆地時，在煤層內(nèi)存在兩個不同方向的氣體運移，即煤層生成的瓦斯由深部向上部移動，而地面空氣、表土中的生物化學和化學反應生成的氣體向煤層深部滲透擴散，從而使賦存在煤層內(nèi)的瓦斯表現(xiàn)出垂向分帶特征。煤層瓦斯沿垂向一般可分為瓦斯風化帶（CO2- N2、N2、N2 - CH4帶的統(tǒng)稱）和甲烷帶（CH4帶）。煤層瓦斯垂向分帶情況如圖1所示。
位于瓦斯風化帶下邊界以下的甲烷帶內(nèi)煤層的瓦斯壓力、瓦斯含量隨埋藏深度的增加呈有規(guī)律地增長，相對瓦斯涌出量也隨開采深度的增加而有規(guī)律地增長，所以礦企一般都比較重視甲烷帶內(nèi)的瓦斯治理，從而忽略了瓦斯風化帶內(nèi)的瓦斯治理。
2現(xiàn)行瓦斯風化帶的確定方法
瓦斯風化帶申各帶不僅瓦斯組分不同，而且瓦斯含量也不同。瓦斯風化帶深度是煤田長期地質(zhì)進程的結果，不同礦區(qū)瓦斯風化帶的深度存在較大的變化。影響瓦斯風化帶深度的因素有很多，剝蝕過程可使瓦斯風化帶減少；長期風化、自由排放瓦斯時間愈長，瓦斯風化帶深度就愈增加；地層破壞程度愈高，瓦斯排放的不均勻性和風化帶深度就會愈大；致密透氣性差的覆蓋層可阻止瓦斯風化帶的擴大等等。我國現(xiàn)行確定瓦斯風化帶下部邊界主要采用如下指標。
(1)瓦斯風化帶氣體組分指標劃分標準，如表1所示。
(2)瓦斯風化帶瓦斯壓力指標劃分標準：當瓦斯壓力P為0. 1～0.15 M Pa時，確定在該范圍之內(nèi)的煤層為瓦斯風化帶。
(3)瓦斯風化帶相對瓦斯涌出量指標劃分標準：當相對瓦斯涌出量q為2～3m3/t時，確定在該范圍之內(nèi)的煤層為瓦斯風化帶。
(4)瓦斯風化帶煤層瓦斯含量指標劃分標準：
3各指標劃分瓦斯風化帶存在的問題
3.1 以氣體組分為指標劃分瓦斯風化帶存在的問題
從表1可以看出，當煤層中CH4的組分含量小于80%時，可以劃分為瓦斯風化帶，但此標準僅適用于部分煤礦區(qū)。劉援民對江西省46個煤礦區(qū)煤層瓦斯含量測試成果表明，有相當一部分煤礦區(qū)當CH4的組分含量小于80%時，瓦斯含量能達到5 m3/t。因此，單純用氣體組分劃分瓦斯風化帶是不科學的。
3.2 以瓦斯壓力或瓦斯含量為指標劃分瓦斯風化帶存在的問題
在現(xiàn)場實測中發(fā)現(xiàn)，瓦斯高壓力低含量或高含量低壓力的礦井特別多。例如山東濟寧巨野煤田最大瓦斯壓力可達到0.7 M Pa，其對應瓦斯含量只有3m3/t。因此在使用瓦斯壓力或瓦斯含量來確定瓦斯風化帶時應研究二者的敏感性。
3.3 以相對瓦斯涌出量為指標劃分瓦斯風化帶存在的問題
煤層的相對瓦斯涌出量指煤層在開采過程中平均每產(chǎn)1t煤所涌出的瓦斯量，它取決于煤體的吸附解析性能。氣體分子與固體表面分子之間的相互作用力稱之為吸附。具有較大表面積的煤是一種天然的吸附劑，具有良好的吸附性能。有的煤體吸附性能特別強，原煤瓦斯含量達到5m3/t時，相對瓦斯涌出量保持在2～3 m3/t。
綜上所述，針對瓦斯風化帶劃分，各指標都不能全面的概述瓦斯風化帶的特征。因此，以單純的一項指標來劃分瓦斯風化帶是不科學的。
4 瓦斯風化帶確定的新方法
建議至少選用2項指標來確定瓦斯風化帶：
(1)當采用氣體組分為主要指標確定瓦斯風化帶時，搭配瓦斯含量指標。因為氣體組分的主要決定因素為瓦斯含量，當瓦斯含量低，氣體組分肯定��；當氣體組分小，瓦斯含量不一定低。
(2)當采用瓦斯含量為主要指標確定瓦斯風化帶時，搭配瓦斯壓力指標，或者當采用瓦斯壓力為主要指標確定瓦斯風化帶時，搭配瓦斯含量指標。瓦斯含量與瓦斯壓力是相互聯(lián)系的，瓦斯壓力與瓦斯含量存在相互反算關系，反算值的大小取決于煤的吸附常數(shù)及工業(yè)分析等參數(shù)。
(3)當采用相對瓦斯涌出量為主要指標確定瓦斯風化帶時，搭配瓦斯含量指標。因為瓦斯涌出量的取決因素主要是煤的吸附性能，即殘余瓦斯含量的大小，殘余瓦斯含量大的煤，瓦斯涌出量就小。
在同一個地質(zhì)單元內(nèi)劃分瓦斯風化帶時，除去地質(zhì)鉆孔外，每個實測指標的可靠測值點不少于5個，分別是走向上的可靠測值不少于2個，傾向上的可靠測值不少于3個。若未受地質(zhì)構造影響的煤層最大埋深處各指標測值均表明處于瓦斯風化帶，則可判斷全井田煤層完全處于瓦斯風化帶，并明確處于瓦斯風化帶中的具體帶中。
5瓦斯風化帶內(nèi)瓦斯涌出量預測
處于瓦斯風化帶內(nèi)的煤層難以用分源預測法和礦山統(tǒng)計法預測涌出量，也沒有成熟的預測方法借鑒。參考《礦井瓦斯涌出量預測方法》(AQ1018-2006)中給出煤層瓦斯風化帶下部邊界的相對瓦斯涌出量為2～3 m3/t，處于瓦斯風化帶中的煤層開采時，礦井瓦斯涌出量將小于瓦斯風化帶下部邊界指標。根據(jù)該指標并結合瓦斯沿垂向的分帶情況（隨著埋深增加，甲烷的組分整體呈增大趨勢），暫定（取值標準為項目積累經(jīng)驗值）：處于CO2 - N2帶的煤層相對瓦斯涌出量取2m3/t，處于N2帶的煤層相對瓦斯涌出量取2.5m3/t，處于N2 - CH4帶的煤層相對瓦斯涌出量取3m3/t。
礦井瓦斯涌出量根據(jù)井下的采掘情況一直在變化，以上暫定瓦斯風化帶瓦斯涌出量可作為礦井通風設計、瓦斯管理的基礎資料。礦企應根據(jù)井下采掘時實際瓦斯涌出情況及時更新完善礦井的通風、瓦斯基礎資料，實現(xiàn)瓦斯涌出動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控。
6 瓦斯風化帶內(nèi)開采需注意的安全問題
(1)預防高氮（二氧化碳）缺氧事故。就整個煤田來說，由于瓦斯風化帶距地表淺，淺的不到100 m，深的200～300 m，煤層中大量瓦斯逸向大氣，而大氣中N2 (CO2)進入煤層淺部的瓦斯風化帶內(nèi)，易造成該帶內(nèi)N2 (CO2)含量達80%以上。因此，在該帶內(nèi)進行采掘作業(yè)時應以預防高N2 (CO2)缺氧事故發(fā)生。進行通風能力核定時，要以N2 (CO2)主。對于盲巷探險，在檢驗瓦斯的同時還應測定含氧量或進行氣體采樣分析工作。
(2)預防瓦斯異常涌出區(qū)域。瓦斯是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，瓦斯分布的不均衡性受地質(zhì)條件控制。封閉型地質(zhì)構造有利于瓦斯封存，開放型地質(zhì)構造有利于瓦斯運移，區(qū)域地質(zhì)構造控制著瓦斯含量的區(qū)域性分布。在瓦斯風化帶內(nèi)開采煤層，可能出現(xiàn)瓦斯集中賦存區(qū)域，在遇到構造時，做好提前鉆探工作。
(3)加強通風管理。在瓦斯風化帶內(nèi)開采煤層時，往往不重視通風問題，造成通風不良、停風、微風等情況，這時不但有窒息危險，也有瓦斯爆炸危險。因此，煤礦要以完善通風系統(tǒng)為前提，以監(jiān)測監(jiān)控為保障，以局部瓦斯治理為輔助，以風定產(chǎn)，保證安全、高效生產(chǎn)。
7結論
(1)在劃分瓦斯風化帶時，不能單純用一項指標來確定，至少選用兩項指標。當采用氣體組分為指標時，搭配瓦斯含量指標；當采用瓦斯含量為指標時，搭配瓦斯壓力指標；當采用瓦斯壓力為指標時，搭配瓦斯含量指標；當采用相對瓦斯涌出量為指標時，搭配瓦斯含量指標。
(2)在同一地質(zhì)單元內(nèi)，每個指標的可靠測值點不少于5個，分別是走向可靠測值不少于2個，傾向可靠測值不少于3個。
(3)根據(jù)瓦斯風化帶下部邊界的相對瓦斯涌出量指標，確定處于CO2 - N2帶的煤層相對瓦斯涌出量取2m3/t，處于N2帶的煤層相對瓦斯涌出量取2.5m3／t，處于N2 - CH4帶的煤層相對瓦斯涌出量取3m3/t。
(4)在瓦斯風化帶內(nèi)要有完善的通風系統(tǒng)，保持足夠的風量、風速，預防高N2 (CO2)缺氧事故的發(fā)生，進行通風能力核定時，要以N2 (CO2)主。
(5)礦企應根據(jù)井下采掘時實際瓦斯涌出情況及時更新完善礦井的通風、瓦斯基礎資料，實現(xiàn)瓦斯涌出動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控，預防瓦斯異常涌出。
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