四棵樹二號(hào)井瓦斯基本參數(shù)測定及涌出分析

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(dǎo)意義。通過間接和直接法對四棵樹二號(hào)井5#煤層瓦斯參數(shù)進(jìn)行測定，得出分析區(qū)內(nèi)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(guān)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(hào)：TD712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）28-0278-04

0? 引言

煤炭作為我國的主體能源，對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起了極其重要的作用。目前，我國煤炭年產(chǎn)量達(dá)到30億t，產(chǎn)量和消費(fèi)量達(dá)到世界總量的40%[1-4]。同時(shí)，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(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)的主要因素。因此，該問題是我國煤炭生產(chǎn)過程中亟需解決的關(guān)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?yàn)樗目脴涿禾抗径?hào)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(nèi)主采煤層。全層煤厚3.4～5.4m，平均厚度為4.39m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，為較穩(wěn)定煤層。區(qū)內(nèi)煤層呈黑色，條痕顯黑色～褐黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。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(jù)地質(zhì)資料知，二號(hào)斜井西、北側(cè)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(guān)力學(xué)參數(shù)測試結(jié)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(fù)合型頂板;底板巖性為泥質(zhì)粉砂巖，遇水變得松軟易發(fā)生底鼓。在較大的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)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(jìn)工作面2個(gè)，分別為A508軌道順槽和A508運(yùn)輸順槽，掘進(jìn)方法為綜掘機(jī)掘進(jìn)，皮帶運(yùn)輸;其中，A508運(yùn)輸順槽掘進(jìn)約300m，A508軌道順槽掘進(jìn)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(dǎo)意義。本次以現(xiàn)場實(shí)測A5煤層瓦斯壓力、瓦斯含量及相關(guān)瓦斯參數(shù)為主，并統(tǒng)計(jì)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(dòng)法測壓，注漿封孔法進(jìn)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(shè)備為注漿泵（揚(yáng)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(jìn)行了瓦斯壓力測定，根據(jù)要求[5]，在選擇測壓孔位置時(shí)，避開了斷層、地質(zhì)構(gòu)造裂隙帶、采動(dòng)、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(diǎn)設(shè)2個(gè)測壓鉆孔，兩個(gè)鉆孔見煤點(diǎn)或者測壓氣室的距離應(yīng)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(dá)到2m3且其后有水涌出，測壓鉆孔流出的水量大于鉆孔預(yù)留氣室和測壓管管內(nèi)空間的體積，鉆孔中充滿水。監(jiān)測結(jié)果顯示，5-1鉆孔的水樣中鈉離子毫克當(dāng)量百分比達(dá)90.2%，碳酸氫根離子毫克當(dāng)量百分比85.7%，水質(zhì)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(jù)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果、水文地質(zhì)條件及鉆孔涌水量分析，卸表前水充滿鉆孔并在卸表時(shí)流出，卸表后水流較弱，無較大的斷層及裂隙密集帶導(dǎo)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(jù)《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(dǎo)通，則此測壓鉆孔作廢并按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行封堵?！保?-1鉆孔測定結(jié)果作廢。

瓦斯壓力測定結(jié)束后，拆卸壓力表時(shí)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(hào)鉆孔測壓室較近，分析認(rèn)為5-1號(hào)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(hào)鉆孔壓力為該測點(diǎn)煤層瓦斯壓力（0.62MPa）。

2.2 實(shí)驗(yàn)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(gè)煤樣，并將煤樣送到實(shí)驗(yàn)室，按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了瓦斯相關(guān)參數(shù)測定，其內(nèi)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(zhì)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(chǔ)上，通過中煤科工集團(tuán)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(shí)驗(yàn)室結(jié)合使用的直接測定煤層瓦斯含量的裝置，裝置可在8小時(shí)內(nèi)完成煤層瓦斯含量測定。DGC瓦斯含量測定實(shí)物圖如4所示。

2.3.1 直接法測定

根據(jù)井下現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室測定數(shù)據(jù)得出瓦斯含量，對分析區(qū)域A5煤層進(jìn)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(jì)算瓦斯含量

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

根據(jù)表4-1煤的工業(yè)分析及瓦斯吸附常數(shù)等參數(shù)，計(jì)算得A5煤層各測點(diǎn)瓦斯含量（原煤），A5煤層瓦斯含量結(jié)果見表4。

根據(jù)上述測定與計(jì)算結(jié)果可知：直接法測得A5煤層在分析區(qū)域內(nèi)瓦斯含量為1.20～2.72m3/t，當(dāng)煤吸附含多種氣體成分的瓦斯時(shí)且CH4組分較低時(shí)，用以吸附常數(shù)來確定煤的瓦斯含量將會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，造成本次間接法計(jì)算得到煤層瓦斯含量普遍偏小，為使分析結(jié)果更具指導(dǎo)意義，采用直接法測得的結(jié)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(jù)測定的瓦斯壓力及含量分布情況知：

未受采動(dòng)影響范圍內(nèi)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(nèi)布置瓦斯壓力測試鉆場6個(gè)，每個(gè)鉆場布置鉆孔2個(gè)。本次測定的6個(gè)鉆場分布沿分析區(qū)走向和傾向均勻分布，其中4個(gè)鉆場瓦斯壓力≤0.30MPa、1個(gè)鉆場瓦斯壓力為0.37MPa、1個(gè)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(jié)果，分析區(qū)內(nèi)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(jié)果：分析區(qū)內(nèi)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(shí)，煤體受到破壞或采動(dòng)影響，貯存在煤體內(nèi)的部份瓦斯就會(huì)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(jià)了A5煤層分析區(qū)域內(nèi)的掘進(jìn)工作面及采煤工作面的瓦斯涌出規(guī)律，以便指導(dǎo)后期生產(chǎn)。

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(jìn)行了回采區(qū)域預(yù)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(jìn)，局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)。在巷道掘進(jìn)期間，未進(jìn)行瓦斯抽采工作。

針對掘進(jìn)、采煤過程中的瓦斯涌出情況，分別統(tǒng)計(jì)分析了2013年5月20～2013年8月19日礦井正常生產(chǎn)期間的瓦斯涌出數(shù)據(jù)，包括A507綜放采煤工作面和A508軌道順槽綜掘工作面。回采工作面瓦斯涌出數(shù)據(jù)包括日產(chǎn)量、配風(fēng)量、抽采量、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?、瓦斯抽采濃度、上隅角瓦斯?jié)舛鹊龋蜻M(jìn)工作面瓦斯涌出數(shù)據(jù)包括日進(jìn)尺、累計(jì)進(jìn)尺、配風(fēng)量、工作面瓦斯?jié)舛?、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊?。在A507工作面巷道掘進(jìn)期間，掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?～0.6%之間波動(dòng)，未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，絕對瓦斯涌出量波動(dòng)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(dòng)，出現(xiàn)零星瓦斯超限現(xiàn)象;回風(fēng)流瓦斯?jié)舛纫话阍?～0.55%之間波動(dòng)，絕對瓦斯涌出量波動(dòng)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(dòng)范圍為0～6.10m3/t，平均相對瓦斯涌出量為2.75m3/t。根據(jù)礦井前期生產(chǎn)期間瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)，采煤工作面生產(chǎn)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(chǎn)期間日產(chǎn)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(dòng)期間的瓦斯?jié)舛?、絕對及相對瓦斯涌出量進(jìn)行了分析，該分析排除瓦斯斷電實(shí)驗(yàn)等特殊狀態(tài)時(shí)瓦斯超限值的影響。通過上述圖表分析，得出以下結(jié)論：①根據(jù)采煤及掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出數(shù)據(jù)分析，四棵樹煤炭公司二號(hào)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(jié)論

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

①實(shí)測分析區(qū)內(nèi)瓦斯壓力為0～0.62MPa、瓦斯含量為1.20～2.72m3/t;②分析區(qū)內(nèi)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?yàn)榈獨(dú)?甲烷帶，但存在局部瓦斯富集區(qū)域;③分析區(qū)內(nèi)未受采動(dòng)影響范圍內(nèi)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(jié)果，分析區(qū)內(nèi)“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(qiáng)瓦斯測定工作;⑤根據(jù)現(xiàn)場瓦斯參數(shù)實(shí)測情況，建議礦井在采掘過程中應(yīng)密切監(jiān)測瓦斯涌出情況，一旦出現(xiàn)瓦斯涌出異常應(yīng)立即采取相應(yīng)的瓦斯防治措施;⑥分析區(qū)域A505工作面采空區(qū)與在當(dāng)前A507工作面之間的煤柱形成的孤島，可能存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議礦井應(yīng)合理的進(jìn)行采掘部署調(diào)整，以防止出現(xiàn)應(yīng)力集中顯現(xiàn)引發(fā)的次生災(zāi)害。

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