李慧剛，崔文利

(陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

瓦斯被視為礦井五大自然災害之一，因其具有波及范圍廣、破壞力大、影響嚴重等特點，一直是礦井災害防治的重中之重[1]。瓦斯是成煤過程中地質(zhì)作用的產(chǎn)物，其生成、運移、保存等均受綜合地質(zhì)作用的控制[2-5]。不同煤礦區(qū)或井田地質(zhì)條件不同，致使煤層瓦斯賦存規(guī)律和分布特征也不盡相同[6-9]。對煤層瓦斯賦存規(guī)律的研究，可以從地質(zhì)角度分析瓦斯的生成、運移及賦存規(guī)律，被認為是提高礦井瓦斯防治行之有效的研究方法及手段[10-13]。因此，在韓家灣煤礦井下現(xiàn)場實測煤層原始瓦斯壓力和煤層瓦斯含量，并對瓦斯壓力和瓦斯含量進行分析，得出煤層瓦斯賦存規(guī)律，對于韓家灣煤礦進行瓦斯災害的防控及煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 礦井概況

韓家灣礦井位于神北礦區(qū)北部，隸屬于神木市大柳塔試驗區(qū)韓家灣村管轄，井田東西長約5.0 km，南北寬約2.6 km，面積12.42 km2，開采煤層為3-1煤層、4-2煤層，開采標高范圍為+1 240～+1 100 m，礦井核準生產(chǎn)能力為3 Mt/a，礦井保有資源量72.879 Mt。井田范圍可采煤層5層，分別為1-2上、1-2、2-2、3-1、4-2煤層。1-2上煤層厚度0.45～3.2 m，平均厚1.85 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸；1-2煤層厚度0.57～5.58 m，平均厚3.2 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸；2-2煤層厚度1.48～3.64 m，平均厚2.68 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含1層夾矸，上距1-2煤層平均間距24.75 m；3-1煤層厚度1.4～3.64 m，平均厚2.68 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含1層夾矸，上距2-2煤層平均間距37.17 m；4-2煤層厚度1.8～2 m，平均厚1.92 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，上距3-1煤層平均間距38.14 m。井田地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)簡單，基本構(gòu)造形態(tài)為一向西傾斜的近水平構(gòu)造，傾角1°左右，礦井內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、褶皺，亦無巖漿活動。韓家灣煤礦為了建立和完善瓦斯防治系統(tǒng)，確保礦井安全生產(chǎn)，決定開展煤層瓦斯基本參數(shù)測定，以掌握井田范圍內(nèi)主采煤層的瓦斯賦存情況。

2 瓦斯各參數(shù)測定方法及結(jié)果

選擇測定3-1、4-2煤層基礎(chǔ)參數(shù)，包括煤層瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的堅固性系數(shù)、煤層瓦斯壓力等參數(shù)。

2.1 煤層瓦斯含量測定

煤層瓦斯含量指單位質(zhì)量或單位體積的煤在自然狀態(tài)下所含游離和吸附瓦斯的總和，瓦斯含量測定方法分為直接法和間接法2種[14-16]。本次韓家灣煤礦3-1、4-2煤層瓦斯含量采用直接法進行測定。

直接法就是直接從采集的煤樣中解吸瓦斯，確定瓦斯成分和瓦斯含量。該方法的優(yōu)點是瓦斯含量系直接測定，避免了間接法測定相關(guān)參數(shù)時的測定誤差。采用直接法測定煤層瓦斯含量，即測定可解吸瓦斯含量(Qm)與計算殘存瓦斯含量(WC)的方法，將2部分含量之和作為煤層瓦斯含量。

其中可解吸瓦斯含量(Qm)的測定采用井下施工取芯鉆孔取煤芯或煤屑，利用重慶研究院生產(chǎn)的“DGC型瓦斯含量直接測定裝置”進行測定，其工作原理為：通過向煤層施工取芯鉆孔，用井下取芯系統(tǒng)將煤芯或煤屑從煤層深部取出，及時放入煤樣筒中密封；然后用井下解吸系統(tǒng)測量煤樣筒中煤芯的瓦斯解吸速度及解吸量，并以此來計算瓦斯損失量(Q1)；將煤樣筒帶至實驗室在解吸儀上測量從煤樣筒中釋放出的瓦斯量，與井下測量的瓦斯解吸量一起計算煤芯或煤屑瓦斯解吸量(Q2)；將煤樣筒中的部分煤樣經(jīng)稱量系統(tǒng)稱重后裝入密封的粉碎系統(tǒng)加以粉碎，測量在粉碎過程及粉碎后一段時間內(nèi)常壓下所解吸出的瓦斯量，并以此計算粉碎瓦斯解吸量(Q3)；借助水分測定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)求解可解吸瓦斯含量：瓦斯損失量、煤芯瓦斯解吸量和粉碎瓦斯解吸量之和就是可解吸瓦斯含量，即Qm=Q1+Q2+Q3。

殘存瓦斯含量(WC)可采用式(1)進行計算

(1)

式中，WC為殘存瓦斯含量，m3/t；a，b為吸附常數(shù)；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；π為煤的孔隙率，%；γ為煤的容度(視密度)，t/m3。

本次采用瓦斯含量直接測定法對韓家灣煤礦3-1、4-2煤層的原始瓦斯含量進行測定，測定結(jié)果見表1。

表1 直接法測定煤層瓦斯含量結(jié)果

2.2 瓦斯壓力的測定

目前測定煤層瓦斯壓力的方法有2種，即間接測定法和直接測定法。根據(jù)韓家灣煤礦目前開拓情況及巷道布置條件，按照有關(guān)規(guī)定，本次瓦斯壓力測定采用直接法。

在選擇煤層瓦斯基本參數(shù)測定地點和具體測壓鉆孔位置時，應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造裂隙帶、采動等影響范圍。在煤層中布置小傾角的鉆孔，同一地點設(shè)2個測壓鉆孔，孔深40 m，具體鉆孔參數(shù)及測試結(jié)果見表2。

表2 煤層鉆孔施工及測定參數(shù)一覽

從表2中可以看出，3-1煤層實測最大瓦斯壓力為0.09 MPa(埋深144.4 m)，4-2煤層實測最大瓦斯壓力為0.11 MPa(埋深191.6 m)。

2.3 煤的堅固性系數(shù)測定

選取待測煤樣，使用落錘法進行測定，其原理：將一定量的重錘提升至相應(yīng)高度，使其自由落下沖擊煤樣，測量煤樣搗碎程度。

堅固性系數(shù)按(2)式計算

(2)

式中，f為堅固性系數(shù)；n為每組試樣沖擊次數(shù)，次；l為每組試樣篩下煤粉的計量高度，mm。3-1、4-2煤層的堅固性系數(shù)測試結(jié)果見表3。

表3 煤的堅固性系數(shù)測定結(jié)果

2.4 煤的瓦斯放散初速度測定

瓦斯放散初速度指標表示煤放散瓦斯的能力。Δp所反映的是煤在常壓下吸附瓦斯的能力和放散瓦斯的速度，是反映煤層突出區(qū)域危險性的一種單項指標。

瓦斯放散初速度按式(3)計算

Δp=p2-p1

(3)

Δp單位為Pa，保留到個位。設(shè)兩試樣分別為a1、a2，則a1與a2之差不應(yīng)大于1，否則需裝新樣重新測試。測試結(jié)果見表4。

表4 瓦斯放散初速度測定結(jié)果

3 瓦斯賦存規(guī)律分析

3.1 煤層埋深與瓦斯含量關(guān)系

煤層埋深是指煤層頂板至地表的鉛垂距離，煤層埋深包括煤層上覆基巖厚度和新生界厚度2部分，其中煤層上覆基巖厚度對煤層瓦斯賦存起控制作用。鑒于煤層埋深與標高2個因素相互影響，關(guān)系緊密，故在此主要比較煤層埋深與瓦斯含量的線性關(guān)系。

此次井下實測3-1煤層瓦斯含量時，當埋深由138.3 m增加到144.4 m時，瓦斯含量由0.78 m3/t增加到0.86 m3/t。實測4-2煤層瓦斯含量時，當埋深由181.2 m增加到191.4 m時，瓦斯含量由0.89 m3/t增加到0.98 m3/t。實測測點的瓦斯含量數(shù)值基本都符合隨煤層埋深的增大而增加的規(guī)律。因而選擇井下實測瓦斯含量測定結(jié)果與煤層埋深進行線性擬合，其擬合曲線如圖1、2所示。

從圖1與圖2可以看出，煤層瓦斯含量隨煤層埋深增加而增大，且都是成線性關(guān)系增加，3-1、4-2煤層瓦斯含量與埋深擬合關(guān)系分別為W=0.011 5h-0.801 7和W=0.008 8h-0.709 7。

圖1 3-1煤層埋深與瓦斯含量線性擬合圖

圖2 4-2煤層埋深與瓦斯含量線性擬合圖

3.2 煤層埋深與瓦斯壓力關(guān)系

此次井下實測3-1煤層瓦斯壓力時，當埋深由138.8 m增加到144.4 m時，原始瓦斯壓力由0.04 MPa增加到0.09 MPa。實測4-2煤層瓦斯壓力時，當埋深由181.2 m增加到191.6 m時，原始瓦斯壓力由0.05 MPa增加到0.11 MPa。實測6組測點的原始瓦斯壓力數(shù)值基本都符合隨煤層埋深的增大而增加的規(guī)律。因而選擇井下實測瓦斯壓力測定結(jié)果與煤層埋深進行線性擬合，其擬合曲線如圖3、4所示。

圖3 3-1煤層埋深與瓦斯壓力線性擬合圖

從圖3與圖4可以看出，煤層原始瓦斯壓力隨煤層埋深增加而增大，且都是成線性關(guān)系增加，3-1、4-2煤層原始瓦斯壓力與埋深擬合關(guān)系分別為P=0.004 2h-0.535 8和P=0.003 4h-0.554 6。

圖4 4-2煤層埋深與瓦斯壓力線性擬合圖

3.3 煤層瓦斯含量與瓦斯壓力預測模型

一般認為，在定量分析各因素對瓦斯賦存的影響時，當擬合相關(guān)性系數(shù)R2大于0.6時，認定為影響煤層瓦斯賦存的主控因素；相關(guān)性系數(shù)R2為0.36～0.6時，認為對瓦斯賦存的影響有一定影響；相關(guān)性系數(shù)R2小于0.36時，認為對瓦斯賦存的影響很小。根據(jù)上述分析得到3-1煤層瓦斯含量與埋深的相關(guān)性系數(shù)R2為0.917 7，4-2煤層瓦斯含量與埋深的相關(guān)性系數(shù)R2為0.999 6，均大于0.6，因而埋深是影響煤層瓦斯含量的主控因素。3-1煤層原始瓦斯壓力與埋深相關(guān)性系數(shù)R2為0.452 8，4-2煤層原始瓦斯壓力與埋深相關(guān)性系數(shù)R2為0.572 9，均在0.36～0.6，因而埋深對煤層原始瓦斯壓力有一定影響。

韓家灣煤礦3-1煤層最大埋深值為164.7 m，3-1煤層瓦斯含量預測模型為W=0.011 5h-0.801 7，最大埋深點瓦斯含量預測值為1.09 m3/t；4-2煤層最大埋深值為208.5 m，4-2煤層瓦斯含量預測模型為W=0.008 8h-0.709 7，最大埋深點瓦斯含量預測值為1.13 m3/t。3-1煤層原始瓦斯壓力與埋深擬合關(guān)系為P=0.004 2h-0.535 8，最大埋深點原始瓦斯壓力預測值為0.16 MPa；4-2煤層原始瓦斯壓力與埋深擬合關(guān)系為P=0.003 5h-0.554 6，最大埋深點原始瓦斯壓力預測值為0.16 MPa。

4 結(jié)論

(1)韓家灣煤礦井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，3-1、4-2煤層瓦斯賦存的主控因素為埋深。韓家灣煤礦3-1煤層6個鉆孔瓦斯壓力在0.04～0.09 MPa，4-2煤層6個鉆孔瓦斯壓力在0.05～0.11 MPa。韓家灣煤礦3-1煤層3個煤樣瓦斯含量在0.78～0.86 m3/t，4-2煤層3個煤樣瓦斯含量在0.89～0.98 m3/t。

(2)3-1煤層瓦斯含量與埋深的擬合方程為W=0.011 5h-0.801 7，瓦斯壓力與埋深的擬合方程為P=0.004 2h-0.535 8；4-2煤層瓦斯含量與埋深的擬合方程為W=0.008 8h-0.709 7，瓦斯壓力與埋深的擬合方程為P=0.003 4h-0.554 6。

(3)3-1、4-2煤層瓦斯參數(shù)的測定為韓家灣煤礦瓦斯防治工作提供了依據(jù)，對煤礦高效安全生產(chǎn)具有重要意義。