劉震

摘要：煤礦瓦斯基本參數(shù)對礦井瓦斯治理工作有很大的指導意義。通過間接和直接法對四棵樹二號井5#煤層瓦斯參數(shù)進行測定，得出分析區(qū)內A5煤層瓦斯壓力最大值為0.62MPa，A5煤層瓦斯含量最大值為2.72m3/t。煤層瓦斯隨著深度的增加而增加。分析區(qū)域采掘區(qū)域瓦斯涌出在走向上分布不均勻。

Abstract： The basic parameters of coal mine gas have great guiding significance to the work of mine gas control. Through the indirect and direct method to measure the gas parameters of No. 5 coal seam in Sikeshu No. 2 well， the maximum gas pressure of A5 coal seam in the analysis area is 0.62 MPa and the maximum gas content of A5 coal seam is 2.72m3/t. Coal bed gas increases with depth. The uneven distribution of gas emission in the mining area is analyzed.

關鍵詞：瓦斯壓力;瓦斯含量;基本參數(shù);瓦斯涌出量

Key words： gas pressure;gas content;basic parameters;gas emission

中圖分類號：TD712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）28-0278-04

0? 引言

煤炭作為我國的主體能源，對我國經濟的發(fā)展起了極其重要的作用。目前，我國煤炭年產量達到30億t，產量和消費量達到世界總量的40%[1-4]。同時，在煤炭開采過程中，礦井瓦斯問題頻繁發(fā)生，給礦井的安全高效生產帶來了很大影響，并且隨著礦井開采深度的增加煤層瓦斯含量呈現(xiàn)出線性增長的趨勢，很多淺部為低瓦斯礦井的煤礦轉到深部開采后變成高瓦斯礦井，瓦斯成為影響煤礦安全生產的主要因素。因此，該問題是我國煤炭生產過程中亟需解決的關鍵問題。

1? 礦井概況

1.1 分析區(qū)域的范圍

本次分析區(qū)域為四棵樹煤炭公司二號斜井A5煤層的未采范圍，其范圍為：走向上西以A5煤層停采線為界，東以井田邊界為界;傾向范圍為+1170m～+1130m，距地表深度約300～400m，該范圍北部、西部、南部均為采空區(qū)（如圖1所示）。

1.2 煤層

分析區(qū)域所采煤層為A5煤層，該煤層是井田內主采煤層。全層煤厚3.4～5.4m，平均厚度為4.39m，煤層結構簡單，為較穩(wěn)定煤層。區(qū)內煤層呈黑色，條痕顯黑色～褐黑色，條帶狀結構，主要為油脂光澤，斷口平坦，少數(shù)為貝殼狀及參差狀，易燃，無膨脹發(fā)泡現(xiàn)象;煤體破壞類型為III類，碎裂結構。下伏煤層為A4煤層，該煤層為薄～中厚煤層，煤厚0.7～1.8m，平均厚1.28m，與A5煤層的層間距為2.1～36.5m，平均層間距為4.39m。

1.3 頂?shù)装?/p>

據地質資料知，二號斜井西、北側A5煤層工作面回采過程中礦壓顯現(xiàn)明顯，圍巖移近量較大，區(qū)段煤柱受力變形。其中，A504工作面的頂?shù)装鍘r層及煤層相關力學參數(shù)測試結果為：A5煤層中硬煤層;其頂板巖層為粉砂巖，節(jié)理較為發(fā)育的復合型頂板;底板巖性為泥質粉砂巖，遇水變得松軟易發(fā)生底鼓。在較大的水平應力和垂直應力作用下，頂板容易發(fā)生屈曲變形和剪切破壞。

1.4 開采現(xiàn)狀

目前，礦井掘進工作面2個，分別為A508軌道順槽和A508運輸順槽，掘進方法為綜掘機掘進，皮帶運輸;其中，A508運輸順槽掘進約300m，A508軌道順槽掘進約356m。A507綜放采煤工作面斜長約為90m，剩余走向長約為308m;其采煤方法為走向長壁后退式綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板。

2? 瓦斯參數(shù)測定

瓦斯基本參數(shù)通常有瓦斯含量、瓦斯壓力、真密度、視密度和空隙率等，充分掌握礦井煤層瓦斯基本參數(shù)對瓦斯治理工作有一定的指導意義。本次以現(xiàn)場實測A5煤層瓦斯壓力、瓦斯含量及相關瓦斯參數(shù)為主，并統(tǒng)計分析采掘工作面瓦斯涌出情況。

2.1 瓦斯壓力測定

瓦斯壓力采用被動法測壓，注漿封孔法進行封孔，封孔材料采用425#水泥及膨脹劑。測壓裝置包括測壓管、管接頭、注漿管、壓力表等，注漿設備為注漿泵（揚程需要大于50m）。通常采用上向注漿封孔測壓，如圖2所示。

2014年1～3月，通過對分析區(qū)域A5煤層進行了瓦斯壓力測定，根據要求[5]，在選擇測壓孔位置時，避開了斷層、地質構造裂隙帶、采動、瓦斯抽采及其他人為卸壓等影響范圍，并保證測壓鉆孔與上述影響范圍間距不小于50m。同一地點設2個測壓鉆孔，兩個鉆孔見煤點或者測壓氣室的距離應大于20m。鉆孔布置見圖3，測壓情況見表1。

井下瓦斯測壓5-1鉆孔卸壓后涌水量達到2m3且其后有水涌出，測壓鉆孔流出的水量大于鉆孔預留氣室和測壓管管內空間的體積，鉆孔中充滿水。監(jiān)測結果顯示，5-1鉆孔的水樣中鈉離子毫克當量百分比達90.2%，碳酸氫根離子毫克當量百分比85.7%，水質類型屬于Na+-HCO3-，具有典型的砂巖水的特征。砂巖由于含有鈉長石，含水層水中鈉離子含量相對較高。判斷井下瓦斯鉆孔出水為砂巖含水層水。

A5煤層位于八道灣組，八道灣上部直接為三工河組隔水層，隔水性能較好。根據水質化驗結果、水文地質條件及鉆孔涌水量分析，卸表前水充滿鉆孔并在卸表時流出，卸表后水流較弱，無較大的斷層及裂隙密集帶導通上部含水層和地表裂隙水，初步可以判斷瓦斯孔出水主要為八道灣組含水層水。根據《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》（AQ/T 1047-2007）8.4.2條要求（“如果鉆孔與含水層、溶洞導通，則此測壓鉆孔作廢并按有關規(guī)定進行封堵。”），5-1鉆孔測定結果作廢。

瓦斯壓力測定結束后，拆卸壓力表時5-1鉆孔內有水涌出且拆表后數(shù)天有水流出，5-2鉆孔無水涌出，5-1和5-2號鉆孔測壓室較近，分析認為5-1號鉆孔見煤層頂板。鉆孔5-2封孔效果較好，封孔長度滿足《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》（AQ/T 1047-2007）的要求。綜合分析，取5-2號鉆孔壓力為該測點煤層瓦斯壓力（0.62MPa）。

2.2 實驗室參數(shù)測定

本次采用“全斷面煤樣采集法”在井下采取了1個煤樣，并將煤樣送到實驗室，按照相關技術規(guī)范進行了瓦斯相關參數(shù)測定，其內容有：水分、灰分、揮發(fā)份、真視密度、孔隙率、吸附常數(shù)（a、b）值等，具體數(shù)值如表2所示。

2.3 瓦斯含量測定

瓦斯含量是指單位質量煤體中所含瓦斯的體積，單位m3/min。采用直接法測定瓦斯含量，在《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》的基礎上，通過中煤科工集團重慶研究院有限公司研制的“DGC”直接測定裝置測定煤層瓦斯含量。DGC型瓦斯含量直接測定裝置是一套井下和實驗室結合使用的直接測定煤層瓦斯含量的裝置，裝置可在8小時內完成煤層瓦斯含量測定。DGC瓦斯含量測定實物圖如4所示。

2.3.1 直接法測定

根據井下現(xiàn)場測定數(shù)據和實驗室測定數(shù)據得出瓦斯含量，對分析區(qū)域A5煤層進行了瓦斯含量測定，其鉆孔布置見圖3，測壓情況見表1。

2.3.2 間接法計算瓦斯含量

采用間接法計算煤層瓦斯含量。具體計算方法是：取煤樣送實驗室做煤的吸附性能實驗，求出瓦斯吸附常數(shù)a、b值，并在井下相應地點測定煤層的瓦斯壓力，再應用朗格繆爾公式進行計算。（表3）

根據表4-1煤的工業(yè)分析及瓦斯吸附常數(shù)等參數(shù)，計算得A5煤層各測點瓦斯含量（原煤），A5煤層瓦斯含量結果見表4。

根據上述測定與計算結果可知：直接法測得A5煤層在分析區(qū)域內瓦斯含量為1.20～2.72m3/t，當煤吸附含多種氣體成分的瓦斯時且CH4組分較低時，用以吸附常數(shù)來確定煤的瓦斯含量將會導致較大的誤差，造成本次間接法計算得到煤層瓦斯含量普遍偏小，為使分析結果更具指導意義，采用直接法測得的結果作為分析區(qū)域煤層瓦斯含量。

2.4 瓦斯參數(shù)分析

根據測定的瓦斯壓力及含量分布情況知：

未受采動影響范圍內的煤層瓦斯較高，走向上煤層瓦斯表現(xiàn)為西低東高，且煤層瓦斯隨著深度的增加而增加。

分析區(qū)內布置瓦斯壓力測試鉆場6個，每個鉆場布置鉆孔2個。本次測定的6個鉆場分布沿分析區(qū)走向和傾向均勻分布，其中4個鉆場瓦斯壓力≤0.30MPa、1個鉆場瓦斯壓力為0.37MPa、1個鉆場瓦斯壓力為0.62MPa。對比瓦斯壓力和瓦斯含量測定區(qū)域及測定結果，分析區(qū)內瓦斯總體較小，但存在瓦斯異常區(qū)。

考察瓦斯參數(shù)測定結果：分析區(qū)內A5煤層瓦斯壓力最大值為0.62MPa，A5煤層瓦斯含量最大值為2.72m3/t。

3? 瓦斯涌出規(guī)律分析

煤層被開采時，煤體受到破壞或采動影響，貯存在煤體內的部份瓦斯就會離開煤體而涌入采掘空間。因瓦斯源及規(guī)模等因素的影響，涌入采掘空間的瓦斯規(guī)律有一定程度的差別。本次綜合評價了A5煤層分析區(qū)域內的掘進工作面及采煤工作面的瓦斯涌出規(guī)律，以便指導后期生產。

采煤工作面為A507綜放采煤工作面，其采煤方法為走向長壁后退式綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板。采煤期間，該工作面進行了回采區(qū)域預抽、采空區(qū)埋管抽放、走向長鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯的工作。A508軌道順槽采用綜掘方式掘進，局部通風機供風。在巷道掘進期間，未進行瓦斯抽采工作。

針對掘進、采煤過程中的瓦斯涌出情況，分別統(tǒng)計分析了2013年5月20～2013年8月19日礦井正常生產期間的瓦斯涌出數(shù)據，包括A507綜放采煤工作面和A508軌道順槽綜掘工作面?；夭晒ぷ髅嫱咚褂砍鰯?shù)據包括日產量、配風量、抽采量、回風流瓦斯?jié)舛?、瓦斯抽采濃度、上隅角瓦斯?jié)舛鹊?，掘進工作面瓦斯涌出數(shù)據包括日進尺、累計進尺、配風量、工作面瓦斯?jié)舛?、回風流瓦斯?jié)舛鹊取Ｔ贏507工作面巷道掘進期間，掘進工作面及回風流瓦斯?jié)舛仍?～0.6%之間波動，未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，絕對瓦斯涌出量波動范圍為0～0.26m3/min。在A507綜放采煤工作面回采期間，上隅角瓦斯?jié)舛纫话阍?～0.8%之間波動，出現(xiàn)零星瓦斯超限現(xiàn)象;回風流瓦斯?jié)舛纫话阍?～0.55%之間波動，絕對瓦斯涌出量波動范圍為0～8.48m3/min，平均絕對瓦斯涌出量為3.30m3/t，相對瓦斯涌出量波動范圍為0～6.10m3/t，平均相對瓦斯涌出量為2.75m3/t。根據礦井前期生產期間瓦斯涌出量統(tǒng)計，采煤工作面生產期間，鄰近層瓦斯涌出量占回采工作面瓦斯涌出量比例為40%左右。

回采工作面生產期間日產量與相對瓦斯涌出量如圖5所示。

本次分析主要對采掘活動期間的瓦斯?jié)舛?、絕對及相對瓦斯涌出量進行了分析，該分析排除瓦斯斷電實驗等特殊狀態(tài)時瓦斯超限值的影響。通過上述圖表分析，得出以下結論：①根據采煤及掘進工作面的瓦斯涌出數(shù)據分析，四棵樹煤炭公司二號斜井A5煤層分析區(qū)域采掘區(qū)域瓦斯涌出在走向上分布不均勻。②由于分析區(qū)域A5煤層回采工作面采用放頂煤工藝，以及A5煤層有鄰近煤層存在，A5煤層A507工作面在回采過程中上隅角有瓦斯超限現(xiàn)象。

4? 結論

通過對分析區(qū)域瓦斯參數(shù)測定結果和瓦斯涌出規(guī)律的綜合分析，得出如下結論和建議：

①實測分析區(qū)內瓦斯壓力為0～0.62MPa、瓦斯含量為1.20～2.72m3/t;②分析區(qū)內氣體組成中CO2小于10%、N2介于20～80%之間、CH4介于20～80%之間，分析區(qū)域為氮氣-甲烷帶，但存在局部瓦斯富集區(qū)域;③分析區(qū)內未受采動影響范圍內的煤層瓦斯較高，走向上煤層瓦斯表現(xiàn)為西低東高，且煤層瓦斯隨著深度的增加而增加;④通過對瓦斯壓力、瓦斯含量以及瓦斯組分測定結果，分析區(qū)內“走向上煤層瓦斯表現(xiàn)為西低東高，煤層瓦斯隨著深度的增加而增加”的瓦斯賦存規(guī)律較為明顯，瓦斯含量與瓦斯壓力總體較低，在A508工作面軌道順槽東翼存在瓦斯富集區(qū)，在后續(xù)A508工作面采掘過程中加強瓦斯測定工作;⑤根據現(xiàn)場瓦斯參數(shù)實測情況，建議礦井在采掘過程中應密切監(jiān)測瓦斯涌出情況，一旦出現(xiàn)瓦斯涌出異常應立即采取相應的瓦斯防治措施;⑥分析區(qū)域A505工作面采空區(qū)與在當前A507工作面之間的煤柱形成的孤島，可能存在應力集中現(xiàn)象，建議礦井應合理的進行采掘部署調整，以防止出現(xiàn)應力集中顯現(xiàn)引發(fā)的次生災害。

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