強(qiáng)礦壓綜放工作面瓦斯參數(shù)合理確定及涌出規(guī)律研究

史春德

(華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華亭煤礦,甘肅華亭 744100)

強(qiáng)礦壓綜放工作面瓦斯參數(shù)合理確定及涌出規(guī)律研究

史春德

(華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華亭煤礦,甘肅華亭 744100)

通過開采工作面可采煤層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用直接法、間接法、現(xiàn)場測定、實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合合理的方法,計(jì)算得出特厚煤層綜放工作面的瓦斯參數(shù),通過對測的瓦斯參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析,確定了工作面可采煤層瓦斯抽放的可行性。通過對開采工作面正?；夭珊蛷?qiáng)礦壓條件下的瓦斯涌出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對比分析,并對強(qiáng)礦壓條件下工作面瓦斯涌出規(guī)律做了研究,得出了強(qiáng)礦壓條件下瓦斯涌出的一般規(guī)律,為礦井瓦斯抽放的可行性奠定了基礎(chǔ),為礦井今后瓦斯治理提供了理論依據(jù),為礦井的安全高效生產(chǎn)提供了有力保障。

強(qiáng)礦壓 綜放 瓦斯 煤礦安全

華亭煤礦為一井一面開采，走向長度2600m左右，傾向長度200m，核定生產(chǎn)能力400萬噸/年。工作面傾斜布置，俯斜開采，采煤方法為走向長壁傾斜分層綜采放頂煤。井田構(gòu)造簡單，可采煤層為煤5層，煤層傾角一般為0°-8°，為特厚煤層，厚度變化于17.58m-48.01m，平均厚37.505m。

華亭煤礦礦井瓦斯等級鑒定，絕對瓦斯涌出量11.57m3/min，相對瓦斯涌出量1.39m3/t;相對涌出量0.70m3/t。屬于低瓦斯礦井，Ⅰ類易自燃煤層。在生產(chǎn)過程中，強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)頻繁，其中最嚴(yán)重的強(qiáng)礦壓曾使工作面下隅角前運(yùn)輸順槽200多米巷道嚴(yán)重變形，瓦斯涌出量達(dá)32m3/min。

1 煤5層瓦斯參數(shù)測定

1.1 煤層瓦斯含量測定

根據(jù)華亭煤礦煤5層礦井目前的生產(chǎn)及巷道布置情況，測定方法采用直接法測定煤層瓦斯含量。根據(jù)煤樣損失瓦斯量、解吸瓦斯量及殘存瓦斯量和煤中可燃質(zhì)重量，即可求出煤樣的瓦斯含量:

根據(jù)華亭煤礦煤5層目前的生產(chǎn)及巷道布置情況，參照測定煤層瓦斯含量地點(diǎn)的要求，確定3個(gè)煤層瓦斯含量測定鉆孔地點(diǎn)，表1所示。

表1 華亭煤礦煤5層瓦斯含量測點(diǎn)選擇匯總表

直接法測得的煤層瓦斯含量由解吸儀測得的解吸量、煤樣從開始暴露到裝罐時(shí)間的損失量、實(shí)驗(yàn)室測得的殘余量三部分組成。

實(shí)驗(yàn)室測定的煤樣殘余瓦斯量及煤樣工業(yè)分析指標(biāo)詳見表2所示。

根據(jù)井下現(xiàn)場測試結(jié)果，煤樣最初幾分鐘瓦斯解吸量與解吸時(shí)間的關(guān)系，得到各組煤樣最初幾分鐘的瓦斯解吸速度曲線，經(jīng)過線性回歸分析，得出各測點(diǎn)煤樣在瓦斯解吸最初幾分鐘瓦斯解吸量與解吸時(shí)間的關(guān)系，即煤樣從開始暴露到裝罐時(shí)間的瓦斯解吸損失量的擬合計(jì)算公式可得出各煤樣從開始暴露到裝罐時(shí)間的瓦斯解吸損失量，見表3。

從測量結(jié)果可以看出，華亭煤礦煤5層瓦斯含量為1.63～2.27 m3/t。

1.2 煤5層瓦斯壓力測定

表2 華亭煤礦各煤樣殘余瓦斯量測定及煤樣工業(yè)分析結(jié)果

表3 華亭煤礦煤5層瓦斯含量測定結(jié)果

(1)根據(jù)華亭煤礦目前的生產(chǎn)及巷道布置情況，主要采用間接測定法確定煤層瓦斯壓力，而實(shí)際進(jìn)行的測定方案中采用了直接測定法[1-2]，直接測壓孔共3個(gè)，分別選在煤5層250102工作面回風(fēng)順槽1500m處(1號取樣孔)、250103運(yùn)輸順槽600～800m處(2號取樣孔)、2501采區(qū)膠運(yùn)大巷1號材料到下山口(3號取樣孔)，每個(gè)直接測壓孔鉆入煤體后分3段選取新煤樣，各采樣點(diǎn)采樣深度及其煤層賦存情況如表4所示。

直接法測定的瓦斯壓力見表5。

(2)實(shí)驗(yàn)室測定。實(shí)驗(yàn)室測定采用高壓容量吸附實(shí)驗(yàn)法，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備為WY-98A吸附常數(shù)測定儀。華亭煤礦各工作面所采煤5層孔隙率最大24.05%，最小8.5%，平均孔隙率為18.20%，其煤的極限瓦斯吸附常數(shù)a值最大為33.159m3/t，最小為27.885m3/t，平均a= 32.341m3/t;b值最大為2.330MPa-1，最小1.008MPa-1，平均b=1.453MPa-1。

因此，通過瓦斯壓力的測定，華亭煤礦煤5層瓦斯壓力最大為0.204MPa，最小為0.129Mpa，即華亭煤礦煤5層瓦斯壓力變化范圍為0.129～0.204MPa。

1.3 煤層透氣性系數(shù)的測定[3]

華亭煤礦煤5層煤層透氣性系數(shù)的測定是在直接法瓦斯壓力的測定之后進(jìn)行，即利用直接法測壓的1、2、3號鉆孔在測定瓦斯壓力后再直接進(jìn)行煤5層煤層透氣性系數(shù)的測定工作。測量計(jì)算出的透氣性系數(shù)是華亭煤礦煤5層流動(dòng)場煤層透氣性系數(shù)的平均值。其具體測算步驟和程序如下:

表4 華亭煤礦煤5層瓦斯壓力測定地點(diǎn)選擇匯總表

表5 直接法瓦斯壓力法測定結(jié)果

表6 鉆孔瓦斯流量測定結(jié)果

表7 不同風(fēng)量下的通風(fēng)、瓦斯情況統(tǒng)計(jì)表

(1)卸壓測定鉆孔瓦斯流量。打開卸壓閥門，卸除瓦斯壓力，記下卸壓時(shí)間，開始排放瓦斯。測定鉆孔瓦斯流量的時(shí)間，是在卸壓1d后進(jìn)行。測定中，經(jīng)過8d后，其讀數(shù)基本穩(wěn)定無變化，因此可認(rèn)為這個(gè)讀數(shù)即為所測鉆孔的瓦斯流量。表6即為各鉆孔卸壓表測得的鉆孔瓦斯流量。

(2)確定煤層瓦斯含量系數(shù)。

煤層瓦斯含量系數(shù)按式(4)，通過間接測定法得出。

式中:W—煤層瓦斯含量，通過實(shí)測華亭煤礦煤5層煤層平均瓦斯含量為2.04m3/t;

P—煤層瓦斯壓力，本次實(shí)測華亭煤礦煤5層最大瓦斯壓力為0.204MPa。

(3)透氣性系數(shù)的計(jì)算。

煤層透氣性系數(shù)根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算:根據(jù)測算，華亭煤礦煤5層的煤層透氣性系數(shù)為1.672m2/ (MPa2·d)。

1.4 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)

鉆孔瓦斯流量隨著時(shí)間延續(xù)呈衰減變化關(guān)系的系數(shù)(a)，可作為評估開采層預(yù)抽瓦斯難易程度的一個(gè)指標(biāo)。

測算方法:3＃鉆孔測壓后，打開卸壓閥門，卸除瓦斯壓力，開始排放瓦斯。首先測量其初始瓦斯流量0q，經(jīng)過時(shí)間t后，再測量其瓦斯流量tq，然后按下式計(jì)算鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。

式中:a——鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1;

q0——折合成100m鉆孔自然初始瓦斯涌出量，m3/min·hm;

qt——經(jīng)t時(shí)間下折合100m鉆孔自然瓦斯涌出量，m3/min· hm;

t——鉆孔自然涌出瓦斯時(shí)間，d。

3＃鉆孔卸壓排放瓦斯經(jīng)過8天后，其鉆孔瓦斯流量基本穩(wěn)定無變化，因此，本報(bào)告取鉆孔自然涌出瓦斯時(shí)間t=8，據(jù)此測算，華亭煤礦5煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0126d-1。

表8 工作面11月初有關(guān)地點(diǎn)瓦斯含量

表9 工作面3月初有關(guān)地點(diǎn)瓦斯含量

綜上所述，華亭煤礦煤5層的瓦斯含量為1.63m3/t～2.27m3/t，平均瓦斯含量2.25m3/t;瓦斯壓力變化范圍為0.129MPa～0.204MPa，煤5層實(shí)測最大瓦斯壓力為0.204MPa;實(shí)測鉆孔瓦斯流量為3.08m3/d～3.63m3/d;鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0126d-1;煤層透氣性系數(shù):0.1672m2/(MPa2·d)。

2 工作面瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)

對礦井歷史上的瓦斯涌出量進(jìn)行現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)和分析，其結(jié)果如下:

緩傾斜長綜放面250101工作面初采時(shí)瓦斯涌出量見表7，250101工作面中期推進(jìn)200m多m后瓦斯涌出量急劇增加表8，強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)250102綜放面瓦斯涌出量表9。

3 工作面瓦斯涌出量分析

工作面回采中期和初期瓦斯涌出量對比為:工作面在2006年11月初瓦斯急劇增加，上隅角瓦斯?jié)舛绕骄然夭沙跗谏嫌缃峭咚節(jié)舛纫?.5～1個(gè)百分點(diǎn)，使工作面經(jīng)常停產(chǎn)處理瓦斯;工作面絕對瓦斯涌出量達(dá)到了12.5m3/min～19.6m3/min，比回采初期增加了近10倍。在工作面回采中期雖仍然屬于低瓦斯工作面，但局部瓦斯的積聚影響工作面的生產(chǎn)。

礦井回采250102工作面期間，由于工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)頻繁，當(dāng)工作面強(qiáng)礦壓來臨時(shí)，采空區(qū)、下分層原始煤層、工作面前方煤層和巷道高頂及煤柱瓦斯大量涌出，使工作面瓦斯比正常涌出增加1倍多，工作面最大絕對瓦斯涌出量達(dá)到了32m3/min，無論是工作面回風(fēng)流，還是工作面上隅角的瓦斯?jié)舛染绕匠８?倍多。礦井從深部緩傾傾斜初采，到深部緩傾斜回采，再到深部緩傾斜強(qiáng)礦壓回采，其工作面絕對瓦斯涌出量呈幾何級上升(圖1)，對工作面的安全造成了嚴(yán)重威脅。

4 影響華亭煤礦瓦斯涌出量增大的主要原因

瓦斯涌出量變化受多因素影響[4-8]，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)煤層埋藏深度的影響。一般而言，煤層瓦斯含量及其壓力是隨著煤層埋藏的深度增加而增加，這是瓦斯規(guī)律挮度法預(yù)測的立足點(diǎn)。250101工作面煤層埋藏深度為700m，這個(gè)深度在國內(nèi)開采工作面煤層中也屬較深的，所以煤層瓦斯含量必然增加。

圖1 礦井不同開采時(shí)期工作面絕對瓦斯涌出量變化

表10 煤層瓦斯抽放難易程度表

(2)煤層厚度及其結(jié)構(gòu)的影響。煤層是含煤巖系中具有較多各類空隙的有機(jī)巖層，對瓦斯有較強(qiáng)的吸附能力，并且吸附能力隨著煤化程度的加深而呈進(jìn)規(guī)律性的增加。250101工作面開采煤層厚度達(dá)到40m，屬于特厚煤層，因此瓦斯含量有所增加。

(3)煤質(zhì)的影響。煤質(zhì)是影響煤的產(chǎn)氣量及吸附性能的重要方面。一般煤的灰份越小，對瓦斯的吸附能力較強(qiáng)，越有利于瓦斯的吸附和保存。250101工作面所采的長焰煤灰份較少，對瓦斯的吸咐能力較強(qiáng)，我國東北地區(qū)的遼寧省阜新、鐵法[9]，吉林省的羊草溝，河南省的義馬等局回采長焰煤，均屬高瓦斯礦井。

(4)煤層的賦存狀態(tài)。華亭煤礦煤層的賦存呈鍋底狀況，使瓦斯容易在煤層中積聚，因而使煤層中瓦斯含量增加。

(5)開采強(qiáng)度大。綜放面長度為200m、采、放煤層厚度為18.6m，為超長綜放面，綜放面開采強(qiáng)度達(dá)到了日產(chǎn)13600t/d，雖然煤層瓦斯含量不太大，但由于產(chǎn)量大、工作面長，積少成多，特別容易在上隅角積聚瓦斯。瓦斯涌出分為普通涌出和異常涌出。工作面落煤的破碎程度及瓦斯發(fā)散初速度指標(biāo)越大，初期涌出量也就越大。250101工作面在采煤機(jī)割煤時(shí)由于煤較碎，所以瓦斯涌出量較大，產(chǎn)量越高，瓦斯涌出越大。

(6)采空區(qū)溫度較高。華亭煤礦綜放面溫度較高，一般為28℃，由此推斷綜放面采空區(qū)溫度高于30℃，采空區(qū)溫度過高，使氣體易于澎漲，采空區(qū)瓦斯容易涌入到工作面。

(7)綜放面為上分層工作面。綜放面所采煤層的總厚度為36m，250102綜放面為上分層綜放面，相當(dāng)于開采解放層，因此開采中瓦斯涌出較大。

(8)綜放面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)頻繁。250102綜放面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)頻繁，采空區(qū)空間大，壓力大，在開采時(shí)經(jīng)常能聽到煤炮聲，使采空區(qū)瓦斯容易涌出到工作面，特別是當(dāng)下分層原始煤層受大的動(dòng)壓影響后，會(huì)產(chǎn)生裂隙，大量的瓦斯能從煤層中涌入上分層采空區(qū)，使采空區(qū)瓦斯含量增大。

5 華亭煤礦綜采面強(qiáng)礦壓發(fā)生時(shí)瓦斯涌出規(guī)律及危害

華亭煤礦煤5層雖然瓦斯含量較低，但是由于工作面為特大型工作面，瓦斯積少成多，工作面局部地方瓦斯涌出較高，工作面絕對瓦斯涌出量一般為19m3/min，當(dāng)工作面強(qiáng)礦顯現(xiàn)時(shí)，工作面絕對瓦斯涌出量增大到32m3/min，其瓦斯涌出的特點(diǎn)為:①強(qiáng)礦壓造成采空區(qū)下分層煤體松動(dòng)，大量瓦斯從下分層煤體裂隙涌出，再加上采空區(qū)內(nèi)窒息帶的瓦斯也被強(qiáng)礦壓壓出，使采空區(qū)瓦斯大量涌出，工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛仍黾?～3個(gè)百分點(diǎn);②工作面上隅角瓦斯瞬間急劇增加，若治理措施不到位，上隅角瓦斯?jié)舛纫壮霈F(xiàn)超限狀態(tài);③強(qiáng)礦壓形成的巷道高冒區(qū)瓦斯?jié)舛壬仙芸?，給安全生產(chǎn)造成了較大隱患;④當(dāng)強(qiáng)礦壓造成工作面回風(fēng)順槽巷道變形后，巷道內(nèi)風(fēng)流中瓦斯會(huì)嚴(yán)重超限，而由于巷道風(fēng)阻的增大，又使巷道風(fēng)量不能有效地增加，使回風(fēng)順槽的瓦斯?jié)舛炔灰捉档?，給維修巷道工作造成安全隱患，嚴(yán)重的影響了工作面的安全生產(chǎn)。綜放面回采易自燃發(fā)火特厚煤層，強(qiáng)礦壓造成工作面停止推進(jìn)或推進(jìn)度變慢后，工作面易自發(fā)火，使工作面瓦斯與火災(zāi)共存，給工作面造成了巨大的安全隱患。

6 煤5層瓦斯抽放可行性及必要性分析

瓦斯抽放的可行性應(yīng)以是否能抽出瓦斯或能否獲得較好地抽放效果來評價(jià)。而抽放方式則應(yīng)根據(jù)煤層的賦存和開采條件來選擇。

開采層瓦斯抽放的可行性是指在原始透氣性條件進(jìn)行預(yù)抽的可能性。最常用的用來衡量煤層瓦斯抽放難易程度的指標(biāo)是煤層透氣性系數(shù)和鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)?！兜V井瓦斯抽放管理規(guī)范》中對瓦斯抽放的難易程度劃分為三類[10]，詳見表10所示。

根據(jù)測算結(jié)果，華亭煤礦煤5層的煤層透氣性系數(shù)為0.1672m2/ (MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0126d-1。結(jié)合表11可以看出，華亭煤礦煤5層的煤層透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)均顯示煤5層瓦斯屬于可以抽放類別，即對煤5層瓦斯進(jìn)行抽放是可行的。

此外，華亭煤礦隨著煤層瓦斯含量的增大，瓦斯涌出異常，掘進(jìn)面和采煤面瓦斯超限現(xiàn)象必將時(shí)有發(fā)生。對煤5層進(jìn)行瓦斯預(yù)抽不僅可以有效降低煤5層的瓦斯含量，減小工作面的瓦斯涌出量，節(jié)省通風(fēng)電力費(fèi)用，而且還可以解決局部瓦斯超限問題。因此，對煤5層開展瓦斯抽放工作也是非常必要的。

7 結(jié)語

(1)實(shí)際檢測表明，華亭煤礦煤5層瓦斯含量為1.63～2.27m3/ t，開采區(qū)域內(nèi)煤5層的平均瓦斯含量為2.25m3/t。

(2)華亭煤礦煤5層，煤層孔隙率最大24.05%，最小8.5%，平均孔隙率為18.20%，其煤的極限瓦斯吸附常數(shù)a值最大為33.159m3/t，最小為27.885m3/t，平均a=32.341m3/t;b值最大為2.330MPa-1，最小1.008MPa-1，平均b=1.453MPa-1。

(3)華亭煤礦煤5層瓦斯壓力變化范圍為0.129～0.204MPa，其煤層瓦斯最大壓力為0.204MPa，最小為0.129Mpa;實(shí)測鉆孔瓦斯流量為3.08m3/d～3.63m3/d;鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0126d-1;煤層透氣性系數(shù)為0.1672m2/(MPa2·d)。

(4)根據(jù)現(xiàn)場所測瓦斯涌出量資料，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，華亭煤礦煤5層，礦井(或回采工作面)的相對瓦斯瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量存在有明顯的線性關(guān)系，其線性系數(shù)變化范圍為0.40～0.55，其中，回采工作面相對瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量的線性系數(shù)變化范圍為0.40～0.51;礦井相對瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量的線性系數(shù)變化范圍為0.48～0.55。

(5)綜放工作面在強(qiáng)礦壓條件下與正?；夭蓵r(shí)煤層瓦斯涌出規(guī)律不同。瓦斯涌出量瞬間增大，并伴有發(fā)火隱患。

(6)對華亭煤礦煤5層的煤層透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)的測定結(jié)果均表明煤5層瓦斯屬于可以抽放類別，即對煤5層瓦斯進(jìn)行抽放是可行的。

[1]宋學(xué)保,張海永,郭志剛.趙家寨煤礦煤層瓦斯壓力的測定[J].中州煤炭,2010(3):40-47.

[2]劉志偉,何俊材,馮康武.瓦斯含量直接測定法在大方煤田的研究[J].中國煤炭,2011(1):99-101.

[3]胡新成,楊勝強(qiáng),周秀紅.煤層透氣性系數(shù)測定的影響因素分析[J]煤礦安全,2011(9):137-139.

[4]何水源,婁平.綜采放頂煤工作面瓦斯涌出量增大原因分析及防治措施[J].煤礦安全,1994(7):14-17.

[5]朱士飛,秦云虎,徐田高.礦井瓦斯涌出量影響因素分析[J].地質(zhì)學(xué)刊,2011(1):86-89.

[6]劉德民,李金嶺,白文藝.礦井瓦斯涌出影響因素及治理技術(shù)[J].煤,2010(5):43-45.

[7]翁明月,徐金海,李沖.綜放工作面煤巖破壞及礦壓顯現(xiàn)與瓦斯涌出關(guān)系的實(shí)測研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011(10):1709-1714.

[8]張?zhí)燔?蘇琳,喬寶明,王寧.礦壓與煤層瓦斯涌出量關(guān)聯(lián)性分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011(6):703-707.

[9]王旭鋒,王曉東,張東升,等.鐵法礦區(qū)高瓦斯低透氣性煤層群卸壓煤層氣抽采鉆孔布置[J]煤炭學(xué)報(bào),2011(8):1296-1301.

[10]煤炭工業(yè)部.礦井瓦斯抽放管理規(guī)范[M].煤炭工業(yè)出版社,北京: 1997.

史春德(1976—),男,采礦工程師,2000年畢業(yè)于太原理工大學(xué)采礦工程專業(yè),現(xiàn)任華亭煤礦副礦長職務(wù)。