陳 寶

（1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.江西省煤炭工業(yè)科學(xué)研究所，江西 南昌 330029）

礦井隨著埋深的增加，不僅因地應(yīng)力增高而使煤層及圍巖的透氣性變差，而且瓦斯向地表運(yùn)移的距離也增加，二者都有利于封存瓦斯，煤層瓦斯基本參數(shù)也將隨之改變，為了在瓦斯綜合治理工作中避免盲目性，做到有效、可靠和有預(yù)見(jiàn)性，更好地指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)，需要對(duì)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定和瓦斯賦存規(guī)律相關(guān)因素進(jìn)行分析。

1 礦井簡(jiǎn)介

江西省八景煤礦杉林井屬?lài)?guó)有企業(yè)，為煤與瓦斯突出礦井，隸屬江西省煤炭集團(tuán)公司新余礦業(yè)公司，1985年10月建井，1992年12月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力210kt／a，核定生產(chǎn)能力90kt／a，礦井面積7.1189km2，開(kāi)采深度由-100m～-500m 標(biāo)高，開(kāi)采B4煤層，傾角8°～25°。采用斜井、立井多水平聯(lián)合開(kāi)拓，一、二、三水平標(biāo)高分別為-185m、-320m、-450m，其中一、二水平已開(kāi)采完畢，現(xiàn)生產(chǎn)水平為三水平，回風(fēng)水平-320m。礦井自1988年3月29日發(fā)生第一次煤與瓦斯突出以來(lái)，至今共發(fā)生突出12次，累計(jì)突出煤量1910t，最大突出強(qiáng)度430t，平均147 t，始突深度185m。B4煤層的自燃傾向性等級(jí)為自燃，煤塵有爆炸危險(xiǎn)性。

2 煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)的確定

根據(jù)杉林井目前生產(chǎn)水平的采掘工作面布置情況進(jìn)行煤層瓦斯參數(shù)的測(cè)定，選定的具體測(cè)定地點(diǎn)為3111措施巷（測(cè)定瓦斯含量、瓦斯壓力、透氣性系數(shù)）和2112機(jī)巷（測(cè)定瓦斯含量）。

2.2 煤層瓦斯含量測(cè)定

根據(jù)杉林井現(xiàn)有條件，采用直接法對(duì)煤層的原始瓦斯含量進(jìn)行測(cè)定，在3111措施巷和2112機(jī)巷，共采集2個(gè)煤樣進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定。

通過(guò)對(duì)井下自然解吸瓦斯含量（X1）、損失瓦斯量（X2）（采用法）、殘存瓦斯含量（粉碎前自然瓦斯解吸量X3和粉碎后自然瓦斯解吸量X4）（采用常壓自然解吸法）和常壓不可解吸瓦斯量（X5）計(jì)算，得到各階段的煤樣瓦斯含量結(jié)果見(jiàn)表1。由于3111措施巷和2112機(jī)巷煤樣性質(zhì)相同，煤樣工業(yè)分析與吸附常數(shù)測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)取同一數(shù)據(jù)。通過(guò)稱(chēng)重，3111措施巷煤樣干燥無(wú)灰基總重量為359.57g；二次煤樣干燥無(wú)灰基重量為87.7g；2112機(jī)巷煤樣干燥無(wú)灰基總重量為368.34g；二次煤樣干燥無(wú)灰基重量為87.7 g。

表1 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的各階段瓦斯含量

將以上計(jì)算結(jié)果累加，3111 措施巷煤樣瓦斯含量為9.95cm3／g；2112機(jī)巷煤樣瓦斯含量為8.51cm3／g。

2.3 煤層瓦斯壓力測(cè)定

根據(jù)煤層原始瓦斯壓力直接測(cè)定方法，按測(cè)壓時(shí)是否向測(cè)壓孔內(nèi)注入補(bǔ)償氣體分主動(dòng)測(cè)壓法和被動(dòng)測(cè)壓法。測(cè)壓裝置包括測(cè)壓管（Φ12 mm 無(wú)縫鋼管）、管接頭、注漿管、壓力表等，注漿設(shè)備為注漿泵，同一測(cè)壓地點(diǎn)以最高瓦斯壓力測(cè)定值作為測(cè)定結(jié)果，具體直接測(cè)壓注漿封孔示意（見(jiàn)圖1），本次測(cè)定采用被動(dòng)測(cè)壓法。

結(jié)合杉林井目前的生產(chǎn)布局可知，符合測(cè)壓要求可以布置鉆孔的地點(diǎn)非常有限。根據(jù)開(kāi)采現(xiàn)狀和測(cè)壓要求，項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)比較分析確定測(cè)壓鉆孔布置在3111措施巷進(jìn)行煤層原始瓦斯壓力測(cè)定工作。2010年8月8日～11日進(jìn)行鉆孔施工，2010年8月11日進(jìn)行了封孔，8月13日裝好了壓力表，其測(cè)定結(jié)果曲線見(jiàn)圖2。

圖1 注漿封孔示意

圖2 3111措施巷瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果曲線

分析實(shí)測(cè)壓力先快速上升→緩慢上升→突然下降的主要原因，是由于測(cè)定使用的測(cè)壓管為普通鐵管，沒(méi)有采用無(wú)縫鋼管，由圖可知，8月19日開(kāi)始出現(xiàn)少量漏氣，相對(duì)壓力上升至1.40 MPa時(shí)漏氣明顯，致使表壓不能反映實(shí)際瓦斯壓力。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)壓經(jīng)驗(yàn)，煤層瓦斯壓力曲線一般呈現(xiàn)：快速上升→緩慢上升→趨于平衡。因此本次測(cè)定工作采用了擬合趨勢(shì)線對(duì)瓦斯壓力大小進(jìn)行擬合，由擬合趨勢(shì)線得到杉林井（-370m）瓦斯絕對(duì)壓力為1.70 MPa。

2.4 煤層透氣性系數(shù)測(cè)定

煤層透氣性就是煤層對(duì)于瓦斯流動(dòng)的阻力，通常用透氣性系數(shù)（λ）表示，它是衡量煤層中瓦斯流動(dòng)難易程度的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)煤層瓦斯能否實(shí)行預(yù)抽的基本參數(shù)。

本文根據(jù)瓦斯壓力增長(zhǎng)曲線來(lái)測(cè)定煤層透氣性系數(shù)。這一方法是以徑向穩(wěn)定流動(dòng)為基礎(chǔ)，其具體做法是：垂直煤層打一鉆孔，穿過(guò)煤層，按照一般方法堵孔測(cè)壓（最好堵到煤巖交界處）。當(dāng)鉆孔中壓力達(dá)到最大值P0時(shí)，取下壓力表（或打開(kāi)閥門(mén)），使瓦斯壓力下降到1個(gè)大氣壓，而后再擰上壓力表使壓力重新上升，并記錄下每次改變0.5個(gè)大氣壓時(shí)瓦斯壓力的增長(zhǎng)時(shí)間，畫(huà)出第二次的瓦斯壓力增長(zhǎng)曲線。最后利用下面公式計(jì)算出煤層透氣性系數(shù)。

式中：λ為煤層透氣性系數(shù)，m2／大氣壓.d；γ0為鉆孔半徑，m；P0為煤層原始瓦斯壓力，大氣壓；t為瓦斯壓力上升到0.1P0、0.2P0、0.3P0、0.4P0、0.5P0、0.6P0、0.7P0、0.8P0、0.9P0的時(shí)間、日。

根據(jù)井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用上述方法計(jì)算得到的杉林井B4煤層透氣性系數(shù)，并進(jìn)行單位換算，具體見(jiàn)表2。

表2 B4煤層透氣性系數(shù)測(cè)算結(jié)果

2.5 煤的工業(yè)分析

按《煤的工業(yè)分析方法》（GB／T212-2008）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的方法測(cè)定煤的空氣干燥基灰分Aad為11.32%，空氣干燥基水分Mad為0.98%，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分Vdaf為16.59%，真相對(duì)密度TRDd為1.45%，視相對(duì)密度ARDad（記為γ）為1.31%、煤的孔隙率π為0.097（取樣地點(diǎn)為3111措施巷測(cè)壓鉆孔）。

2.6 煤的堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯放散初速度△P、瓦斯吸附常數(shù)測(cè)定

煤的堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯放散初速度△P、瓦斯吸附常數(shù)測(cè)定結(jié)果具體見(jiàn)表3（取樣地點(diǎn)為3111措施巷測(cè)壓鉆孔）。

表3 B4煤層主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

3 瓦斯賦存規(guī)律相關(guān)因素分析

1）煤系地層、煤層頂?shù)装鍘r性對(duì)瓦斯賦存的影響

該礦區(qū)煤層的埋藏深度較深，不利于瓦斯的排放，含煤地層為二迭系上統(tǒng)樂(lè)平組，一般厚度為350m，為一套過(guò)渡相為主的海陸交互相巖系。

B4煤層位于老山下亞段中下部，偽頂、偽底為薄層狀、鱗片狀炭質(zhì)泥巖，直接頂為深灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，厚5～10m；老頂為灰色、深灰色細(xì)砂巖、粉砂巖互層；直接底為褐灰色團(tuán)塊狀泥巖；老底為灰色粉砂巖、灰色厚層狀細(xì)砂巖。礦區(qū)地層、煤層頂?shù)装宕蠖嘁阅鄮r、粘土巖、粉砂巖等透氣性差的巖層組成，煤層與圍巖的透氣性較差，易于形成高瓦斯壓力，因此該礦區(qū)瓦斯含量相對(duì)較大。

2）地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

杉林井地處杉林勘探區(qū)蛟溪背斜軸部、F5隱伏逆斷層上盤(pán)，東邊界接近F5隱伏逆斷層上盤(pán)，煤巖層變陡、直立、局部倒轉(zhuǎn)部位。礦井煤巖層總體為一走向NNE 傾向SEE、傾角平緩（除接近F5隱伏逆斷層上盤(pán)斷煤交線處實(shí)測(cè)44°外，一般都是13°左右）的單斜構(gòu)造，在后期構(gòu)造變動(dòng)過(guò)程中，煤層沉積的原始結(jié)構(gòu)遭受破壞、變形，一些泥巖、炭質(zhì)泥巖及部分細(xì)粉砂巖進(jìn)入煤層內(nèi)，形如夾矸。在形成斷層、褶曲的同時(shí)，形成一些區(qū)域性的或局部的應(yīng)力集中帶，應(yīng)力集中影響瓦斯的富集：首先，應(yīng)力造成煤體發(fā)生動(dòng)力變質(zhì)效應(yīng)，導(dǎo)致瓦斯增生和局部瓦斯富集（如峨七井、峨六井北翼就是這種性質(zhì)）；其次，構(gòu)造應(yīng)力還破壞煤體原生結(jié)構(gòu)，形成低硬度的構(gòu)造煤包或較大范圍的厚煤帶（如F5上盤(pán)）。在同等的逸散條件下，煤厚增加，會(huì)形成滯留性局部瓦斯富集，許多突出都發(fā)生在煤層增厚處。

斷層的性質(zhì)、大小、數(shù)量成為該區(qū)控制瓦斯富集分區(qū)的通道性因素，-185m 東二采區(qū)小斷層密度大，瓦斯逸散條件好，地應(yīng)力釋放較徹底，沒(méi)有發(fā)生過(guò)突出，預(yù)測(cè)指標(biāo)也很小。

3）煤層厚度及其變化對(duì)瓦斯賦存的影響

B4煤層在該礦范圍內(nèi)賦存較穩(wěn)定，厚度普遍較大，煤層厚0～8.2m，平均1.5m 左右，煤層傾角15°左右。礦井處在特定的煤層“塑流”聚集變厚區(qū)，該礦井內(nèi)煤層厚度大。

由于原始沉積條件較差，加之后期構(gòu)造的作用，煤層厚度變化較大，煤厚的變化有利于瓦斯的富集。煤層厚度大，儲(chǔ)集的瓦斯越大，煤層的瓦斯含量也愈高。

4）煤體結(jié)構(gòu)的影響

B4煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于單一煤層結(jié)構(gòu)，破壞類(lèi)型以Ⅳ類(lèi)為主，Ⅲ類(lèi)次之。由于構(gòu)造煤的存在，使煤層中存在大量的微孔隙，有利于瓦斯的賦存。

以上分析表明，地質(zhì)構(gòu)造不僅控制著該礦區(qū)B4煤層的賦存規(guī)律，而且控制著B(niǎo)4煤層的瓦斯分布規(guī)律，礦區(qū)含煤地層含煤性、煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)、頂?shù)装鍘r性特征對(duì)瓦斯賦存有一定的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

從礦井瓦斯參數(shù)測(cè)定及賦存規(guī)律相關(guān)因素分析可以看出：

1）杉林井-370m 標(biāo)高B4煤層瓦斯含量為8.51～9.95m3／t，煤層瓦斯絕對(duì)壓力為1.70 MPa，透氣性系數(shù)λ為2.48×10-4m2／MPa2.d。

2）根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該礦B4煤層在未卸壓原始狀態(tài)下屬于瓦斯較難抽采煤層。

3）礦井瓦斯賦存不均，局部地段瓦斯含量和涌出量較大，有些地段瓦斯很小，煤層瓦斯賦存由淺至深有逐漸增加的趨勢(shì)，且存在局部瓦斯富集區(qū)，富集區(qū)位置受構(gòu)造控制。

4）煤與瓦斯突出與煤層厚度變化密切相關(guān)，大部分突出發(fā)生在煤層變厚處或煤包部位。

5）通過(guò)瓦斯參數(shù)測(cè)定，可以確定煤層的瓦斯壓力、瓦斯含量、煤的相關(guān)物理性質(zhì)以及煤吸附瓦斯的一些特性，從而為防突措施的制定、瓦斯綜合治理方案的確定，以及為瓦斯抽采和綜合利用提供依據(jù)和基礎(chǔ)。

〔1〕國(guó)家安監(jiān)總局、國(guó)家煤監(jiān)局.煤礦安全規(guī)程〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

〔2〕AQ1066-2008，煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法〔S〕.

〔3〕AQ／T1047-2007，煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法〔S〕.

〔4〕AQ1027-2006，煤礦瓦斯抽放規(guī)范〔S〕.

〔5〕俞啟香.礦井瓦斯防治〔M〕.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992.