采空區瓦斯地面井抽采瓦斯來源及儲量預測研究

鄒 虎

（山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司李村煤礦，山西 長治 046600）

中國擁有豐富的煤炭資源[1]。一直以來，伴隨著我國工業的飛速發展，必然對能源有著更高的需求，高產的煤炭資源滿足了工業生產的能源消耗。預計至本世紀中葉，我國煤炭的產量與資源總量的占比將達到50%以上。因此，在未來我國工業發展的進程中，煤炭仍是主要消耗能源。

隨著煤炭資源的不斷開采，在采煤工作面的采空區極易發生瓦斯事故[2]，選擇合適的瓦斯治理措施對于煤礦采煤生產工作的順利進行十分重要。近年來，隨著專家學者的不斷研究和逐步完善，瓦斯抽采技術已成為被廣泛應用的方法[3-5]。研究得知，瓦斯涌出量的影響因素有很多，因此，需要對瓦斯的涌出量進行預測。通過確定總的涌出量，可為初期的設計工作以及采煤工作面進行的采動工作提供理論依據，并可以據此來提出合適的瓦斯防治措施。經過半個世紀的研究分析，專家提出了分源預測法[6]來較為準確地預測瓦斯涌出量。分源預測法，顧名思義就是對煤礦采區的瓦斯來源進行分類，分析各個來源的瓦斯賦存狀態及范圍，掌握運移規律，以此對各源瓦斯采取針對性治理措施。通過分源研究可以進一步對瓦斯的涌出量進行預測計算，為煤礦的瓦斯抽采工作提供理論基礎。

基于此，通過分析李村煤礦老采空區的瓦斯賦存狀態及分布范圍，指出了采空區瓦斯的具體來源，并利用分源預測法，建立預測模型，預測計算了采空區瓦斯儲量，為采空區瓦斯地面井抽采工作的順利進行提供理論基礎。

1 瓦斯來源分析和賦存狀態及范圍

1.1 老采空區瓦斯賦存狀態

（1）賦存狀態

采空區瓦斯的賦存狀態從物理學角度講可以分為三種[7]：即吸附態、游離態和溶解態。大多數瓦斯以吸附態和游離態為主，極少數會以溶解態的形式存在，如圖1 所示。這三種狀態下瓦斯分子之間不斷轉化。

圖1 老采空區瓦斯的賦存狀態

圖2 煤巖體等溫吸附—解吸曲線

雖然存在于采空區內瓦斯的賦存狀態仍是吸附態、游離態和溶解態三種，但是這三種狀態的比例關系卻有所不同。在采煤工作面的開采工作結束以后，由于內部壓力下降，原本處于吸附狀態的瓦斯會離開孔隙成為游離態，此時游離瓦斯的體積要遠大于吸附態。同時，煤體孔隙內的水壓降低，瓦斯不斷從水中剝離出來，因此溶解在水中的瓦斯所占總量的比例也會降低。

（2）狀態方程

所謂狀態方程，就是利用公式將流體體積與物理因素（壓力等）之間的作用關系表示出來。以下分別是吸附態、游離態和溶解態下的狀態方程。

①吸附狀態方程

目前較常用朗繆爾模型來表示等溫吸附狀態方程。通?？梢杂孟率竭M行表示：

式中：VS為煤層瓦斯吸附量，cm3/g；VL為朗繆爾體積，cm3/g；b′為朗繆爾壓力常數，1/MPa；pg為孔隙氣體壓力，MPa。

當pg=pL時，Vs=0.5VL。根據公式可以得到下述煤巖體等溫吸附—解吸曲線圖。

通常情況下實驗會在30℃的溫度條件下進行。圖中的a′、b′是瓦斯吸附常數。式中：a′為采空區內瓦斯的最大吸附量，b′為朗繆爾壓力常數，b′的取值會隨著瓦斯解吸能力的變化而改變。

②溶解狀態方程

溶解在水中的瓦斯量可由下式計算表達 （亨利定律）：

式中：pb為水、瓦斯交界面處的蒸汽壓，Pa；cb為瓦斯的溶解度，mol/m3；kc為亨利常數。

在恒溫條件下，溶解度與壓力成正比。另外，亨利常數kc還與溫度有關，溫度越高溶解度越小。

③游離狀態方程

若要表示游離狀態的瓦斯量，可運用真實氣體狀態方程。在方程中，由于采空區瓦斯為非理想氣體，因此氣體體積受多種物理因素影響（溫度、壓力等）?？捎孟率絹肀硎荆?/p>

式中：a0、b0為范德華常量。

1.2 采空區瓦斯來源

分析研究發現，煤礦采煤工作面的采空區瓦斯主要來自殘留煤柱、遺煤和鄰近煤巖層，如圖3所示。

圖3 采空區瓦斯來源

（1）采空區殘留的煤柱和遺煤

我國煤炭采出率普遍較低，在已經封閉的礦井中，仍然存在著大量的煤炭資源沒有采出和利用，由此造成資源浪費。在采煤工作面回采結束以后，仍然會有瓦斯涌出。

（2）鄰近煤層及巖層

采煤工作面作業時，由于采動的影響，工作面的瓦斯壓力將會降低，賦存于鄰近煤層的瓦斯會不斷釋放。在初期，瓦斯的釋放速度極快，隨著采煤作業的不斷進行，速度會明顯降低，但總的瓦斯釋放量極高。在采煤工作面的采煤作業結束后，鄰近煤層所釋放的瓦斯將占采空區瓦斯涌出量的很大一部分。鄰近巖層也是瓦斯的一個重要來源，同樣的由吸附態和游離態兩部分組成。

1.3 采空區瓦斯賦存范圍

一些煤礦的采煤工作面封閉后沒有測量其壓力，致使無法判別賦存范圍。此外，由于我國大部分煤層都存在飽和度偏低的問題，因此即使瓦斯受采動影響也仍然保持吸附狀態。由于傳統理論的缺陷不能滿足本文設計的需要，在此，可以將采空區的上覆煤巖層根據瓦斯解吸的難易程度進行重新劃分，賦予其新的定義：如圖4 所示從上到下依次為不易解吸帶、卸壓解吸帶和導氣裂隙帶。

圖4 采動上覆瓦斯卸壓運移“三帶”劃分

根據定義，得知下兩帶內存在的瓦斯即采空區瓦斯，兩帶的高度和采動影響角構成了采空區瓦斯的邊界，即賦存范圍。

2 采空區瓦斯儲量模型

由上述研究可知，李村煤礦采空區瓦斯主要來源于殘留煤柱、遺煤以及鄰近煤巖層這三大部分?；趯Ρ久旱V采空區內瓦斯的來源及賦存范圍的研究，利用分源預測法，通過建立方程模型來預測計算瓦斯儲量。

2.1 導氣裂隙帶內瓦斯儲量

（1）遺煤瓦斯儲量

若采空區的遺煤呈均勻等量分布狀態，則可以通過以下公式[8]得出采空區遺煤的瓦斯涌出量為：

采空區遺煤瓦斯儲量可表示為：

式中：Cb為初期瓦斯總含量，m3/t。

（2）煤柱瓦斯儲量

在采煤工作面進行掘進和采煤作業的時候，在采動的影響下圍巖應力會運移至更深處，使采空區的瓦斯會在煤柱處發生卸壓。賦存于煤柱內部的瓦斯濃度要高于外部，一定條件下會致使瓦斯流向采空區。根據理論研究分析，可以得到瓦斯涌出強度與時間的關系式，即式（6），顯然，兩者呈負冪函數的關系。

式中：νm為不同時刻的瓦斯涌出強度，ν0為起始時刻，m3/（m2·min）；α 為衰減系數。

由圖5 可得，曲線表示瓦斯的涌出速度隨時間的變化值，對速度求時間的積分，即為涌出量。煤柱的總瓦斯涌出量為：

圖5 煤柱瓦斯涌出速度衰減曲線

式中：t0為巷道掘進至采煤工作面封閉所經歷的總時間；hb、lh分別為采煤工作面的高度和長度，m；Vc為巷道掘進的速度，m/min。

煤柱的瓦斯儲量為總量減去封閉時刻涌出量，即：

（3）賦存于鄰近煤巖層內的瓦斯儲量

鄰近煤層、巖層遺留瓦斯儲量[9]可分別表示為：

式中：Qdm、Qdy分別為鄰近煤層、巖層遺留的瓦斯儲量，m3；λi、δj＇為第i 層上鄰近煤層、第j 層上鄰近巖層的瓦斯殘留率，%；ci為初始瓦斯含量，m3/t；φj＇為第j 層上鄰近巖層的孔隙率；si、sj＇為煤層、第j層上鄰近巖層的面積，m2；Mi、Mj＇為煤厚、第j 層上鄰近巖層的厚度，m。

2.2 卸壓解吸帶內瓦斯儲量

煤層開采后會形成卸壓解吸帶，其內部的煤巖層瓦斯儲量可分別通過以下公式[10]進行計算：

綜合以上的方程模型可得，存在于采空區內部的瓦斯資源總儲量為：

3 地面井抽采范圍采空區瓦斯儲量估算

3.1 地面試驗井及工作面概況

06 采動井位于李村煤礦1308 工作面。1308工作面主采3#煤層，地面標高區間在+827 m 和+896 m 之間，工作面埋深為354～406 m，走向長760 m，傾斜長176 m。

根據《3#煤層瓦斯涌出量基礎參數預測報告》,1308 工作面3#煤層原始瓦斯含量為14.45 m3/t，吸附常數a 為39.811 m3/tr、b 為1.87 MPa-1，鉆孔瓦斯涌出衰減系數0.040 3～0.041 7 d-1，評判區域瓦斯儲量1 804.87 萬m3。

3.2 鉆孔關鍵層判別

隨著計算機技術的飛速發展，在目前階段，在對巖石關鍵層進行判別的時候，通常會使用相關的模擬軟件，即KSPB。在利用KSPB 對李村煤礦采煤工作面的關鍵層進行判別后 （如圖6 所示），1308 采煤工作面含有5 層亞關鍵層，分別為細砂巖（厚度為6.3 m）、粗砂巖（厚度為13.24 m）、細砂巖（厚度為6.3 m）、粉砂巖（厚度為8.1 m）和粉砂巖（厚度為13.3 m），此外，還判別到1 層主關鍵層，為厚度14.4 m 的粗砂巖。

圖6 1308 工作面鉆孔柱狀及關鍵層位置分布

3.3 工作面導氣裂隙帶及卸壓解吸帶的高度判別

根據上述判別結果，得知主關鍵層的高度為342.58 m，而工作面采高為3 m。根據現行的高度判別法得知，1308 采煤工作面內產生的裂隙會不斷發育直至上方最接近的關鍵層，最低21 m，最高30 m。即圖6 中所示的亞關鍵層3，此處至所開采煤層的距離為103.55 m。因此，1308 工作面導氣裂隙帶高度為103.55 m。

結合巖層移動的關鍵層理論可得，1308 工作面覆巖卸壓解吸帶將止于亞關鍵層4，亞關鍵層4與煤層頂界面的間距為197.13 m，所以卸壓解吸帶高度為197.13 m。

3.4 06 采動井抽采范圍采空區瓦斯儲量預測

由上述判別結果可知，導氣裂隙帶存在于1#、2#、3#煤層。運用第2 章中的模型進行儲量計算，有關參數值如表1 所示。

表1 預測模型參數值

將上述參數代入，06 采動井自2015 年9 月21 日投運以來，截至2019 年9 月20 日共計1 360 天，計算得06 采動井可抽采瓦斯資源量為1 072 萬m3。利用相關公式及井田3#煤吸附等溫曲線可算得原始煤層游離氣量采收率60%，因此，06 采動井可抽采瓦斯資源量為643.2 萬m3。

現場實踐表明：06 采動井位于1308 工作面，從2015 年9 月21 日投運至2019 年9 月20 日累計抽放1 360 天，平均抽放濃度30%，平均抽放平純量3 m3/min，平均日抽放量0.43 萬m3，累計抽放瓦斯500 余萬m3?？梢钥闯霾捎梅衷搭A測法可以較為準確地預測李村煤礦采空區瓦斯抽采量。

4 結論

1）根據所描述的采空區瓦斯來源可知，李村煤礦采空區的瓦斯主要來源包括殘留煤柱、遺煤以及鄰近的煤巖層。結合巖層移動的關鍵層理論可得，李村煤礦1308 工作面導氣裂隙帶高度為103.55 m，卸壓解吸帶高度為197.13 m。

2）采用分源預測法計算得06 采動井從2015年9 月21 日投入運行至2019 年9 月20 日累計抽放1360 天，平均抽放純量3 m3/min，平均日抽放量0.43 萬m3，平均抽放濃度30%，累計抽放瓦斯500 余萬m3。

3）在瓦斯抽采的基礎上，通過采取加強現場管理及監測監控等措施，實現了1308 工作面安全回采。通過對采空區瓦斯來源及其賦存方式的研究，可較為準確地計算出采空區瓦斯儲量，為瓦斯治理以及瓦斯資源的有效利用提供了較為可靠的理論基礎。