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        四棵樹二號井煤層瓦斯賦存及涌出規(guī)律研究

        2023-11-15 03:12:16王正帥
        煤炭與化工 2023年9期
        關鍵詞:上隅角風量瓦斯

        王正帥,楊 周

        (1.中煤科工集團 重慶研究院有限公司,重慶 400037;2.烏蘇四棵樹煤炭有限責任公司,新疆 維吾爾 833300)

        0 引 言

        新疆煤炭資源豐富,預測資源量2.19 萬億t,居全國之首[1]。近年來煤炭產(chǎn)量逐漸提升,已居全國第四,2021 年原煤產(chǎn)量3.19 億t。已逐漸由低強度開發(fā)向高強度開發(fā)轉變,由淺埋深向大埋深轉變,由機械化向智能化轉變,但不利的是近些年很多礦井瓦斯等級提高,由低瓦斯升級為高瓦斯、高瓦斯升級為突出礦井,甚至個別礦井在兩三年內(nèi)由低瓦斯升級為了突出礦井。艾維爾溝[2-4]、庫拜[5]等礦區(qū)瓦斯災害已成為制約安全生產(chǎn)的第一災害。其他礦區(qū)瓦斯災害也日漸突顯,普通鉆孔抽采[6]、定向長鉆孔抽采[7]、地面井抽采[8]、水力化增透措施[9-10]等也逐漸得到引進與應用。

        但目前不少礦井仍存在瓦斯基本參數(shù)不全、瓦斯賦存規(guī)律不清、瓦斯涌出規(guī)律不明,低瓦斯、高瓦斯礦井瓦斯超限時常發(fā)生。本文對四棵樹二號井A5 煤層的瓦斯氣體組分進行測試確定了瓦斯分帶,測定了原始瓦斯壓力和瓦斯含量,現(xiàn)場考察研究了工作面產(chǎn)量和風量對工作面絕對瓦斯涌出量、上隅角瓦斯?jié)舛燃盎仫L流瓦斯?jié)舛鹊挠绊?,為礦井掌握煤層瓦斯賦存及涌出規(guī)律,制定瓦斯治理和管理措施、確定生產(chǎn)任務提供參考。

        1 礦井概況

        四棵樹煤炭公司二號井位于烏蘇市西南約41 km,屬烏蘇市吉爾格勒特蒙古自治鄉(xiāng)管轄,交通較為便利。井田走向長1 200~2 000 m,寬600~800 m,面積1.175 4 km2。井田含煤地層為下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b),共含煤3 層,自上而下編號為A5、A4、A3,平均可采總厚度為8.64 m。A5 煤層為厚—特厚煤層,是井田內(nèi)主采煤層,煤厚3.4~5.4 m,平均厚度為4.39 m,為較穩(wěn)定煤層。礦井采用斜井開拓單水平(+1 170 m)上下山開采,采區(qū)在A5 煤層中布置了3 條下山,上山階段垂高約180 m,下山階段垂高約49 m。

        A5 煤層呈黑色,條痕顯黑色—褐黑色,條帶狀結構,煤的容重A5 為1.33 t/m3,屬長焰煤,屬特低灰—中灰、特低磷—中磷、特低硫、高熔灰分、中高強度富油—高油煤,是良好的工業(yè)動力用煤,也是較好的煉油煤和氣化用煤。煤塵具有爆炸性。煤層自燃傾向性為易—很易自燃。

        2 瓦斯賦存規(guī)律

        研究區(qū)域為二號井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+1 170~+1 130 m,距地表深度約300~400 m,該范圍北部、西部、南部均為采空區(qū),研究區(qū)域如圖1 中虛線所示。

        圖1 研究區(qū)域及瓦斯含量、壓力、氣樣測點示意Fig.1 Research area and gas content,pressure,gas sample measuring point diagram

        2.1 瓦斯氣體組分與瓦斯分帶

        根據(jù)煤化過程生成瓦斯特點,煤層瓦斯組分沿賦存深度表現(xiàn)為帶狀分布。煤層瓦斯自上向下分為4 個帶:CO2-N2帶、N2帶、N2-CH4帶、CH4帶。其中,前3 個帶通常稱為瓦斯風化帶,各瓦斯分帶依據(jù)氣體組分的劃分標準見表1。

        表1 煤層瓦斯垂向各帶主要氣體組分Table 1 Main gas components in vertical zones of coal seam gas

        采集3 個A5 煤層氣樣,其采集方法為施工上向鉆孔,并于鉆孔底部抽取氣樣。施工地點為A508 軌道順槽里程約350 m、A508 運輸順槽里程約290 m、A507 運輸順槽里程約190 m 處,具體位置如圖1 所示。鉆孔施工完畢后立即送入鐵管(管內(nèi)固定膠皮管)至孔底,并用聚氨酯封孔8 m;然后用抽氣泵將孔內(nèi)氣體抽出采樣并送實驗室測定氣體組分,其測定結果見表2。根據(jù)實驗室測定數(shù)據(jù),氣體組成中CO2小于10%、N2介于20%~80%、CH4介于20%~ 80%。因此,研究區(qū)域A5煤層瓦斯分帶屬于N2-CH4帶。

        表2 A5 煤層瓦斯氣樣組分Table 2 Gas sample components of A5 coal seam

        2.2 瓦斯參數(shù)賦存規(guī)律

        2.2.1 瓦斯壓力

        對研究區(qū)域內(nèi)A5 煤層進行了瓦斯壓力測定,在選擇測壓孔位置時,避開了斷層、地質(zhì)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50 m。同一地點設2 個測壓鉆孔,2 個鉆孔見煤點或者測壓氣室的距離應大于20 m。鉆孔布置如圖1 所示,測壓情況見表3。

        表3 瓦斯壓力測定結果Table 3 Gas pressure measurement results

        瓦斯壓力測定結束后,拆卸壓力表時5-1 鉆孔內(nèi)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 號鉆孔見頂板含水層。鉆孔5-2 封孔效果較好,封孔長度滿足要求。綜合分析后取5-2 號鉆孔壓力(0.62 MPa)為該測點煤層瓦斯壓力。

        2.2.2 瓦斯含量

        對研究區(qū)域內(nèi)A5 煤層進行瓦斯含量測定,其鉆孔布置如圖1 所示,測定結果見表4。A5 煤層最大原始瓦斯含量2.72 m3/t,可解吸瓦斯含量最大2.28 m3/t。

        表4 瓦斯含量測定結果Table 4 Determination results of gas content

        2.3 瓦斯涌出規(guī)律分析

        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??疾煅芯科跒?0 d,期間內(nèi)采煤過程中每天3 個班分別統(tǒng)計監(jiān)測統(tǒng)計工作面產(chǎn)量、工作面風量、工作面絕對瓦斯涌出量、上隅角瓦斯?jié)舛?、回風流瓦斯?jié)舛惹闆r。工作面每班產(chǎn)量共設計4 個區(qū)間,其中,第一區(qū)間300 t 左右,第二區(qū)間600 t 左右,第三區(qū)間700 t 左右,第四區(qū)間900 t 左右,每個區(qū)間大約生產(chǎn)15~20 d。

        對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行分析,得到工作面絕對瓦斯涌出量與班產(chǎn)量的關系,如圖2 所示,工作面絕對瓦斯涌出量為1.12~8.48 m3/min,最大值是最小值的約8 倍,反映出工作面瓦斯賦存不均勻,存在局部異常區(qū)域,但整體上呈現(xiàn)出工作面產(chǎn)量越大工作面絕對瓦斯涌出量越大的規(guī)律,較大的幾個絕對瓦斯涌出量均出現(xiàn)在班產(chǎn)量900 t 左右時。同時得出,工作面絕對瓦斯涌出量5 m3/min 對應的班產(chǎn)量約為600 t,其日產(chǎn)量約為1 800 t。

        圖3 為上隅角瓦斯?jié)舛扰c班產(chǎn)量的關系,當工作面班產(chǎn)量超過605 t 時易出現(xiàn)上隅角超限,監(jiān)測期間的5 次超限均發(fā)生在班產(chǎn)量605 t 以上,班產(chǎn)量290~ 370 t(第一區(qū)間)時,上隅角瓦斯?jié)舛?.1%~0.58%;班產(chǎn)量545~625 t(第二區(qū)間)時,上隅角瓦斯?jié)舛?.16%~1.29%;班產(chǎn)量695~790 t(第三區(qū)間)時,上隅角瓦斯?jié)舛?.19%~1.06%;班產(chǎn)量825~905 t(第四區(qū)間)時,上隅角瓦斯?jié)舛?.25%~1.51%。整體上呈現(xiàn)上隅角瓦斯?jié)舛入S日產(chǎn)量增加而增大的規(guī)律,而且產(chǎn)量越大上隅角瓦斯?jié)舛确植荚桨l(fā)散,越不易控制。

        圖3 A507 采煤工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c產(chǎn)量Fig.3 Gas concentration and yield in upper corner of A507 coal mining face

        圖4 為回風流瓦斯?jié)舛扰c班產(chǎn)量的關系,產(chǎn)量由第一區(qū)間提高到第四區(qū)間時,回風流最小瓦斯?jié)舛葟?.08%增加到了0.16%,其中第一區(qū)間到第二區(qū)間增幅最大,此后雖最小瓦斯?jié)舛热杂性龃螅黾臃炔淮?,具體見表5。

        表5 不同產(chǎn)量區(qū)間瓦斯?jié)舛萒able 5 Gas concentration in different production intervals

        圖4 A507 采煤工作面回風流瓦斯?jié)舛扰c產(chǎn)量Fig.4 Gas concentration and yield of return air flowin A507 coal mining face

        圖5 為工作面絕對瓦斯涌出量與工作面風量的關系,工作面回采期間風量控制較穩(wěn)定,基本在892~912 m3/min。從圖5 也可以看出風量基本穩(wěn)定的情況下,工作面的絕對瓦斯涌出量差別很大,如風量892 m3/min 時,絕對瓦斯涌出量最小為3.39 m3/min,最大為7.94 m3/min;風量908 m3/min 時,絕對瓦斯涌出量最小為2.92 m3/min,最大為8.48 m3/min,相差近3 倍,同樣說明工作面瓦斯賦存不穩(wěn)定、差異較大。另外,隨著風量的變化絕對瓦斯涌出量沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性變化,也說明風量對工作面絕對瓦斯涌出量不構成影響。

        圖5 A507 采煤工作面絕對瓦斯涌出量與風量Fig.5 Absolute gas emission and air volume of A507 coal mining face

        3 結 論

        (1)A5 煤層瓦斯氣體組成中CO2小于10%、N2介于20%~ 80%、CH4介于20%~ 80%,A5 煤層瓦斯分帶屬于N2-CH4帶。

        (2)研究區(qū)域內(nèi)A5 煤層最大相對瓦斯壓力0.62 MPa,最大原始瓦斯含量2.72 m3/t,最大可解吸瓦斯含量2.28 m3/t。

        (3)區(qū)域內(nèi)瓦斯賦存不穩(wěn)定、差異較大,存在局部異常區(qū),工作面絕對瓦斯涌出量及上隅角瓦斯?jié)舛日w上呈現(xiàn)出隨產(chǎn)量增加而增大的規(guī)律,工作面絕對瓦斯涌出量5 m3/min 對應的班產(chǎn)量約為600 t,產(chǎn)量越大上隅角瓦斯?jié)舛确植技s發(fā)散,越不易控制。

        (4)回風流瓦斯?jié)舛入S班產(chǎn)量從300 t 左右提升至600 t 左右時增加幅度較大,但從600 t 左右提升到900 t 左右時增加不明顯。工作面絕對瓦斯涌出量差別很大,但風量對其不構成影響。

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