吳少康，江澤標(biāo),，張際濤，郭亞玲，扶祥祥，賈毅超

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州致遠(yuǎn)工程技術(shù)咨詢有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003)

0 引言

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，對(duì)當(dāng)今社會(huì)的經(jīng)濟(jì)起著一定的主導(dǎo)作用。隨著我國(guó)煤炭的開(kāi)采，礦井的深度從淺到深，開(kāi)采逐漸復(fù)雜，其開(kāi)采過(guò)程中遇到的問(wèn)題也越來(lái)越多。近來(lái)，礦井事故不斷的發(fā)生，特別是在煤與瓦斯這一塊，因此，防治煤與瓦斯突出是必須攻克的一個(gè)難題。對(duì)貴州煤礦而言，煤與瓦斯突出防治是一大技術(shù)難題，需要專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)才能降低事故發(fā)生的頻率。

煤層瓦斯含量測(cè)定的方法有很多，總的分為直接法和間接法2 大類(lèi)。直接法主要包括地勘法和井下方法，其基本原理均是采用瓦斯解吸法。直接法認(rèn)為瓦斯含量由實(shí)測(cè)的瓦斯解吸量、實(shí)測(cè)的瓦斯殘存量以及推算的瓦斯損失量3 部分組成。因?yàn)閷?shí)測(cè)需要精密的儀器，對(duì)工人的素質(zhì)水平要求較高，實(shí)際操作起來(lái)困難較大，所以在實(shí)際工程運(yùn)用中常采用間接法作為完善補(bǔ)充瓦斯含量測(cè)定的主要方法。

本文主要根據(jù)煤層瓦斯含量與瓦斯壓力的關(guān)系，采用間接法（朗格繆爾公式）反推算煤層瓦斯壓力，運(yùn)用單項(xiàng)指標(biāo)法對(duì)影響煤與瓦斯突出的各影響因素作對(duì)比，得出各煤層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性；然后用Excel 對(duì)煤層瓦斯含量與埋深的關(guān)系做擬合，分析其相關(guān)系數(shù)，用surfer 軟件繪制煤層瓦斯等值線圖與預(yù)測(cè)的突出區(qū)域作對(duì)比，最終對(duì)打磨沖煤礦煤層瓦斯突出做出預(yù)測(cè)，并提出預(yù)防和控制的措施。

1 工程地質(zhì)概況

打磨沖煤礦地質(zhì)構(gòu)造位于安順市普定縣龍場(chǎng)鄉(xiāng)，距普定縣城9 km，隸屬龍場(chǎng)鄉(xiāng)管轄。打磨沖煤礦為兼并重組煤礦，礦區(qū)面積8.0535 km2。該區(qū)地處貴州高原西部，礦區(qū)含煤地層為龍?zhí)督M地層，是以構(gòu)造?侵蝕地貌為主的低中山峰叢地貌。地勢(shì)中部較高，北西及南部相對(duì)較低，最高點(diǎn)為北部上羊倉(cāng)南東山頂，海拔標(biāo)高1541.30 m，最低點(diǎn)位于北西部河溝，海拔標(biāo)高1135.00 m，相對(duì)高差406.30 m，一般海拔為+1200～1350 m。區(qū)內(nèi)溶斗、溶溝等喀斯特地貌較發(fā)育，形成絢麗的地貌景觀。礦區(qū)平均含煤總厚為36.24 m，含煤系數(shù)8.3%，含可采煤層共5 層，其中6、16 號(hào)煤層為全區(qū)可采，6下、15、27 號(hào)煤層為大部分可采，5 層主要可采煤層均為較穩(wěn)定煤層，可采總厚平均為8.83 m。

打磨沖煤礦停產(chǎn)之前的生產(chǎn)礦井采用的是整合前貴州省普定縣龍場(chǎng)鄉(xiāng)打磨沖煤礦的井巷，該礦生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)15 萬(wàn)t。該礦以及鄰近礦井建井至今均未發(fā)生瓦斯突出、冒頂、突水等安全事故，其在與大樹(shù)腳煤礦（探礦權(quán)）整合前已停產(chǎn)，整合后至今未生產(chǎn)，煤礦歷經(jīng)數(shù)次整合調(diào)整，以往資料已無(wú)法考證，因此本次預(yù)測(cè)主要以該礦井資料為依據(jù)。

本文首先收集了打磨沖煤礦測(cè)定的煤層瓦斯資料，以地勘部門(mén)提供的煤層可燃質(zhì)瓦斯含量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析其可靠性，進(jìn)一步預(yù)測(cè)了煤層原煤瓦斯含量。然后收集了打磨沖煤礦、大樹(shù)腳煤礦兼并重組前資質(zhì)單位實(shí)際測(cè)定的煤層瓦斯參數(shù)等資料。最后對(duì)打磨沖煤礦的瓦斯參數(shù)進(jìn)行可靠性分析、修正及取值，見(jiàn)表1。

表1 瓦斯增項(xiàng)樣測(cè)定結(jié)果

2 單項(xiàng)指標(biāo)法判別煤層突出危險(xiǎn)性

2.1 單項(xiàng)指標(biāo)法

單項(xiàng)指標(biāo)法是指直接用企業(yè)單項(xiàng)指標(biāo)的報(bào)告期數(shù)值與基準(zhǔn)期數(shù)值對(duì)比，或用不同企業(yè)的同一指標(biāo)實(shí)際數(shù)值對(duì)比得出相應(yīng)的結(jié)論。它的特點(diǎn)是從某一方面直觀明確反映企業(yè)的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)。但單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)具有明顯的局限性，無(wú)法評(píng)價(jià)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

2.2 煤與瓦斯突出評(píng)判指標(biāo)

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》中規(guī)定“突出煤層應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際測(cè)定的煤層最大瓦斯壓力（P）、煤的破壞類(lèi)型、煤的瓦斯放散初速度（ΔP）和煤的堅(jiān)固性系數(shù)（f）等指標(biāo)進(jìn)行鑒定。全部指標(biāo)均達(dá)到或者超過(guò)單項(xiàng)指標(biāo)臨界值時(shí)，確定為突出煤層”。突出煤層判定的單項(xiàng)指標(biāo)臨界值見(jiàn)表2。另外，“若煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)未完全達(dá)到上述指標(biāo)的，煤層突出危險(xiǎn)性可根據(jù)實(shí)際情況確定；但當(dāng)f≤0.3、P≥0.74 MPa，或0.3＜f≤0.5、P≥1.0 MPa，或0.5＜f≤0.8、P≥1.50 MPa，或P≥2.0 MPa 的，一般確定為突出煤層”；“煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)還應(yīng)根據(jù)煤層瓦斯壓力P進(jìn)行預(yù)測(cè)，如果沒(méi)有或者缺少煤層瓦斯壓力資料，也可根據(jù)煤層瓦斯含量進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)所依據(jù)的臨界值應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)考察確定，在確定前可暫按表3預(yù)測(cè)”。

表2 突出煤層鑒定的單項(xiàng)指標(biāo)臨界值

表3 根據(jù)煤層瓦斯壓力或瓦斯含量進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)的臨界值

2.3 朗格繆爾公式的應(yīng)用

在勘探階段，勘探部門(mén)未測(cè)定打磨沖煤礦的煤層瓦斯壓力，且目前打磨沖為兼并重組礦井，不具備直接測(cè)定煤層瓦斯壓力的條件。因此，本次預(yù)測(cè)利用勘探階段所測(cè)定的煤層瓦斯含量、瓦斯吸附常數(shù)等瓦斯基本參數(shù)，根據(jù)煤層瓦斯含量與瓦斯壓力的關(guān)系，采用間接法（朗格繆爾公式）反推算煤層瓦斯壓力。

煤層瓦斯含量與瓦斯壓力關(guān)系（朗格繆爾公式）見(jiàn)式（1）：

式中，W為瓦斯含量，m3/t；a、b為吸附常量；P為瓦斯壓力，MPa；Mad為煤的水分，%；Aad為煤的灰分，%；F為煤的孔隙體積，m3/m3；γ為視密度，t/m3。

將所測(cè)定數(shù)據(jù)代入式（1），即可得到各煤層的瓦斯壓力，以15 號(hào)煤層為例，見(jiàn)表4。

表4 打磨沖煤礦15 號(hào)煤層瓦斯壓力計(jì)算

2.4 突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

通過(guò)式（1）的計(jì)算，打磨沖煤礦各瓦斯參數(shù)匯總見(jiàn)表5。根據(jù)各單項(xiàng)指標(biāo)，打磨沖各煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)如下。

表5 打磨沖煤礦煤層瓦斯參數(shù)匯總

15 號(hào)煤層的最大瓦斯含量為23.15 m3/t＞8 m3/t，最大瓦斯壓力2.759 MPa＞0.74 MPa，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定，預(yù)測(cè)15 號(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性；另外，15 號(hào)煤層預(yù)測(cè)的突出單項(xiàng)指標(biāo)中，煤的最高破壞類(lèi)型為Ⅳ類(lèi)，最大瓦斯壓力2.759 MPa＞0.74 MPa，瓦斯放散初速度ΔPmax=1.725 kPa＞1.333 kPa，煤的堅(jiān)固性系數(shù)fmin=1.00＞0.5，其中4 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)有3 個(gè)超過(guò)臨界值，根據(jù)《煤礦瓦斯等級(jí)鑒定辦法》規(guī)定，判定15 號(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

同理可得，打磨沖煤礦剩余其他可采煤層也均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

3 線性回歸做突出區(qū)域預(yù)測(cè)

在工程實(shí)踐運(yùn)用中，通常是通過(guò)運(yùn)用一元線性回歸方程分析煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系。因?yàn)楦鶕?jù)煤礦開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在不存在復(fù)雜地質(zhì)條件的情況下，礦井在一定開(kāi)采深度范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量與埋深具有較好的線性關(guān)系。打磨沖煤礦的開(kāi)采深度較淺，通過(guò)分析比對(duì)，能較好地適應(yīng)這種關(guān)系。所以本文采用一元線性回歸方程對(duì)打磨沖煤礦瓦斯含量與埋深的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，預(yù)測(cè)煤礦區(qū)域瓦斯突出。

3.1 一元線性回歸分析

首先對(duì)煤層柱狀圖進(jìn)行分析，然后對(duì)瓦斯參數(shù)進(jìn)行修正選取，選取可靠度較高的鉆孔數(shù)據(jù)，接著利用Excel 做出散點(diǎn)圖，勾選線性擬合圖或者添加趨勢(shì)線后就可以得到線性回歸方程的公式和相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)越接近于1 說(shuō)明擬合度越好。以打磨沖15 號(hào)煤層為例，如圖1 所示。

圖1 15 號(hào)煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系散點(diǎn)

通過(guò)分析可見(jiàn)15 號(hào)煤層擬合出的線性相關(guān)系數(shù)為0.889，擬合度較高，能較好地反映出瓦斯含量與埋深的關(guān)系。同理可得，其他煤層的關(guān)系為：6 號(hào)煤層W=0.011H+9.405，相關(guān)系數(shù)為0.665；6下號(hào)煤層W=0.007H+11.34，相關(guān)系數(shù)為0.775；16 號(hào)煤層W=0.005H+11.80，相關(guān)系數(shù)為0.701；27 號(hào)煤層W=0.019H+2.174；相關(guān)系數(shù)為0.888。式中，H為煤層埋藏深度，m。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)打磨沖煤礦進(jìn)行瓦斯含量與埋深的一元線性回歸擬合具有較高的擬合度。根據(jù)以上公式可推算出當(dāng)煤層瓦斯含量達(dá)到8 m3/t 時(shí)，6 號(hào)煤層，6下號(hào)煤層，15 號(hào)煤層，16 號(hào)煤層，27 號(hào)煤層的埋深分別為223 m、247 m、224 m、183 m、260 m。為了安全起見(jiàn)，取其埋深最小值來(lái)劃定突出危險(xiǎn)區(qū)域。因此，綜合整體預(yù)測(cè)打磨沖煤礦各煤層在埋深小于183 m 的區(qū)域?yàn)闊o(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域，在埋深大于183 m 的區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU(xiǎn)區(qū)域。以15 號(hào)煤層為例，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)區(qū)劃分見(jiàn)圖2。

圖2 15 號(hào)煤層瓦斯含量等值線

3.2 Surfer 繪制煤層瓦斯等值線圖分析

利用surfer 軟件對(duì)煤層瓦斯含量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的等值線圖與突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)區(qū)劃圖作對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)基本合理，但也存在一些差異，分析原因是打磨沖煤礦鉆孔數(shù)據(jù)較少，好多瓦斯數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失，并且還沒(méi)有實(shí)測(cè)的瓦斯壓力數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在利用Surfer 軟件做圖時(shí)，數(shù)據(jù)較少，精度不高。以15 號(hào)煤層為例，瓦斯含量等值線圖見(jiàn)圖2。

4 結(jié)論

（1）對(duì)打磨沖煤礦進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)法，線性回歸預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，結(jié)果表明，打磨沖煤礦可采煤層均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，故必須按照煤與瓦斯突出礦井進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理。針對(duì)打磨沖煤礦預(yù)測(cè)煤層的無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域，礦井在建井過(guò)程中，也必須采取局部綜合防突措施。

（2）本次預(yù)測(cè)所采用瓦斯參數(shù)指標(biāo)主要由《儲(chǔ)量核實(shí)地勘報(bào)告》提供。由于該報(bào)告中數(shù)據(jù)較少且部分鉆孔瓦斯含量數(shù)據(jù)丟失，無(wú)實(shí)測(cè)的瓦斯壓力數(shù)據(jù)。因此，建議打磨沖煤礦在井下具備鑒定條件時(shí)，應(yīng)及時(shí)委托資質(zhì)單位開(kāi)展煤層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定或煤層瓦斯參數(shù)測(cè)試工作，以便更好地指導(dǎo)礦井保護(hù)層開(kāi)采的選擇及礦井生產(chǎn)過(guò)程中的瓦斯災(zāi)害防治工作。

（3）雖然用間接法進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是目前工程實(shí)踐運(yùn)用中最常用的方法，也具有一定的可行性，但其精度不高，非常依賴(lài)于瓦斯鉆孔等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)把煤層氣中其他組分的氣體折算成甲烷氣體計(jì)算，這樣可以相對(duì)提高瓦斯壓力計(jì)算的精度。隨著開(kāi)采深度的增加，煤層瓦斯含量和埋深也并非是簡(jiǎn)單的一元線性關(guān)系，今后可以用一元非線性回歸法進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，還可以引入瓦斯含量梯度，以提高突出區(qū)域預(yù)測(cè)的精度。