瓦斯含量法突出危險性預(yù)測試驗研究與應(yīng)用

李思乾

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出是由地應(yīng)力、瓦斯壓力及煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)等多種因素共同作用的結(jié)果，是煤礦井下一種復(fù)雜的瓦斯動力現(xiàn)象，煤層區(qū)域突出危險性預(yù)測是確保防突措施針對性和有效性，實現(xiàn)礦井安全開采的重要保障[1-3]。我國目前區(qū)域突出危險性預(yù)測常采用《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求的瓦斯壓力(臨界值0.74MPa)或瓦斯含量(8m3/t)，按照超出臨界值的某一標(biāo)高確定。然而，隨著煤層埋深的增加，瓦斯壓力與含量隨埋深的增加不再呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系[3]，出現(xiàn)瓦斯賦存不均衡、差異性較大等現(xiàn)象，且采場圍巖力學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，瓦斯含量或壓力未超過《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求的臨界值時，發(fā)生了低指標(biāo)煤與瓦斯突出[4-6]，給礦山安全生產(chǎn)帶來隱患。因此，對于深部礦井煤層區(qū)域突出危險性預(yù)測仍采用上述方法進行預(yù)測存在很大的不合理性，研究確定合理的預(yù)測方法及突出預(yù)測指標(biāo)對埋深較大的近水平煤層突出危險性預(yù)測具有重要的意義。

筆者以朱集西礦11-2煤層首采工作面為背景，分析首采面瓦斯賦存影響因素和特征，通過對瓦斯含量組分及煤層解吸特征分析采用瓦斯含量進行區(qū)域突出危險性預(yù)測的合理性，并確定了瓦斯含量臨界值7.23m3/t。根據(jù)近水平煤層瓦斯賦存特征及地質(zhì)構(gòu)造特征，將首采面劃分了4個突出危險區(qū)。根據(jù)區(qū)域預(yù)測結(jié)果，采用分區(qū)管理的模式，僅對突出危險區(qū)實施了順層鉆孔預(yù)抽防突措施，減少了工作面防突工程量，降低瓦斯治理成本，實現(xiàn)了礦井精準(zhǔn)防突。

1 工作面概況

11-2煤層11501工作面平均煤厚1.6m，賦存穩(wěn)定，傾角3°～9°，平均5°，頂?shù)装鍘r層以泥巖、砂巖為主，實測最大瓦斯壓力0.25～1.2MPa，瓦斯含量3.64～8.39m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.219m2/(MPa2·d)，屬于可以抽放-較難抽放煤層，煤層透氣性差。工作面切眼寬度220m，開采標(biāo)高-940～-1060m，采用“一面五巷”布置，即工作面兩巷及兩條底板巖巷、1條頂板巖巷，該面為11-2煤層首采工作面。在距切眼220m位置存在落差最大斷層為8～15m的走向逆斷層，無其他大的斷裂構(gòu)造，落差為0～2m的小斷層較為發(fā)育且以逆斷層為主，在工作面中南部存在一寬緩的向斜，總體呈北西西方向，工作面地質(zhì)構(gòu)造較簡單。

2 工作面瓦斯賦存特征

2.1 瓦斯賦存影響因素分析

煤層瓦斯的生成、儲積和運移受一定地質(zhì)條件的控制，地質(zhì)條件的差異性決定煤層瓦斯賦存的不均衡性。瓦斯賦存的影響因素很多且較為復(fù)雜，主要包括埋深、頂?shù)装鍘r性、地質(zhì)構(gòu)造、煤層傾角等因素，隨著煤層埋深的增加，深部圍巖力學(xué)環(huán)境的變化，瓦斯賦存還受地應(yīng)力、地溫等因素的影響[7]。

首采面軌道巷掘進期間實測瓦斯含量沿煤層傾向分布如圖1所示。在斷層及褶曲附近區(qū)域瓦斯含量一般為5.90～8.39m3/t，無地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域瓦斯含量為3.71～5.21m3/t，地質(zhì)構(gòu)造帶區(qū)域瓦斯含量相對較大，且11-2煤層工作面煤巷掘進過程，在斷層、褶曲等構(gòu)造附近存在明顯的夾鉆、吸鉆等動力危險預(yù)兆，工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛让黠@增大，正常區(qū)域瓦斯?jié)舛葻o明顯變化。此外，首采面煤層為近水平煤層，煤層厚度變化小，賦存穩(wěn)定，頂?shù)装鍘r性基本相同且厚度相當(dāng)，對煤層瓦斯賦存影響較小，因此，工作面瓦斯賦存主要受地質(zhì)構(gòu)造的影響。

圖1 首采面軌道巷瓦斯含量沿煤層傾向分布剖面圖(m3/t)

2.2 瓦斯賦存特征分析

首采面煤巷掘進期間實測瓦斯含量為3.71～8.39m3/t，瓦斯含量隨標(biāo)高的變化關(guān)系如圖2所示。從圖2中可知，其擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.2857，相關(guān)性較差，隨煤層標(biāo)高的延伸的瓦斯含量成呈線性增加的趨勢不明顯，表明該區(qū)域內(nèi)瓦斯賦存不均勻，規(guī)律不明顯，規(guī)律性差。同時，在11501運輸巷底抽巷測壓鉆孔取氣樣測試瓦斯組分CH4∶CO2∶N2=40.79%～89.94%∶26.20%～5.23%∶30.15%～4.30%，根據(jù)煤層瓦斯賦存分帶規(guī)律，11-2煤層處于N2-CH4帶與CH4帶的復(fù)雜地帶，即瓦斯帶與瓦斯風(fēng)化帶的混合地帶。

圖2 首采工作面瓦斯含量隨標(biāo)高的變化關(guān)系

經(jīng)上述分析可知，礦井11-2煤層處于N2-CH4帶與CH4帶的復(fù)雜帶，瓦斯含量與標(biāo)高(埋深)的關(guān)系不明顯，規(guī)律性差，瓦斯賦存不均勻，僅局部區(qū)域存在高瓦斯區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造是影響瓦斯賦存的關(guān)鍵因素，地質(zhì)構(gòu)造附近區(qū)域瓦斯含量相對較大；與典型的突出煤層相比，該煤層瓦斯含量偏低。

3 工作面突出危險性預(yù)測指標(biāo)及臨界值的確定

3.1 預(yù)測指標(biāo)合理性分析

煤層瓦斯含量及壓力是反應(yīng)煤層突出危險程度的重要指標(biāo)，瓦斯壓力是由游離瓦斯在相對封閉的空間自由移動產(chǎn)生的，煤層區(qū)域突出危險性預(yù)測采用瓦斯壓力及瓦斯含量進行劃分。但對11-2煤層瓦斯含量組成經(jīng)實驗室測試可知，可解吸的瓦斯含量占原始的78%～84.4%，破碎后解吸瓦斯含量占可解吸的62.9%～80%，現(xiàn)場解吸量只占可解吸的20%～37.1%，說明11-2煤層吸附態(tài)的瓦斯含量較多，游離態(tài)瓦斯較少，且礦井進入深部開采后，煤層透氣性差，原始裂隙不發(fā)育，深部圍巖存在分區(qū)破裂現(xiàn)象，對瓦斯壓力測試的準(zhǔn)確性有一定的影響，因此，實測瓦斯壓力并不能反應(yīng)煤層瓦斯賦存特征及煤層的突出危險程度。

11-2煤層煤樣瓦斯解吸特性曲線分別為K1= 0.1397P0.5504，與國內(nèi)典型突出煤層相比，煤的瓦斯解吸特性差，煤巷掘進期間預(yù)測指標(biāo)K1的測定值范圍在0～0.15mL/(g·min1/2)，瓦斯解吸類指標(biāo)K1敏感性差。根據(jù)K1-P關(guān)系模型，進一步說明11-2煤層采用瓦斯壓力進行突出危險性區(qū)域預(yù)測的準(zhǔn)確性較低。同時，地質(zhì)構(gòu)造是影響瓦斯賦存的關(guān)鍵因素地質(zhì)構(gòu)造帶區(qū)域不利于瓦斯壓力測試。因此，針對11-2煤層瓦斯賦存特征，瓦斯含量更能反映其突出危險性，采用瓦斯含量進行11-2煤層突出危險性區(qū)域預(yù)測更為合理。

3.2 指標(biāo)臨界值確定

根據(jù)國內(nèi)外研究表明，煤層發(fā)生突出最小瓦斯壓力值與煤的堅固性系數(shù)、揮發(fā)分呈一定函數(shù)關(guān)系：Pmin=(f，Vdaf)[8-10]，煤層揮發(fā)分煤的變質(zhì)程度有關(guān)，對于同一煤層揮發(fā)分值很穩(wěn)定，基于此，建立了煤層發(fā)生突出最小瓦斯壓力值與煤的堅固性系數(shù)關(guān)系：

Pmin=0.5+0.0085Vdaf·fmin

式中，Vdaf為煤層揮發(fā)分，%；fmin為煤層最小堅固性系數(shù)。

根據(jù)實驗室測試試驗區(qū)11-2煤層煤的堅固性系數(shù)fmin=0.64、煤層揮發(fā)分Vdaf=39.17%，由Pmin=(f，Vdaf)結(jié)合朗格繆爾方程且滿足《抽采達標(biāo)暫行規(guī)定》要求計算得出11-2煤層的發(fā)生突出最小瓦斯含量值為7.23m3/t。因此，判定11-2煤層突出瓦斯含量臨界值分別7.23m3/t。

4 工作面突出危險性預(yù)測方法及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 區(qū)域突出危險預(yù)測方法及結(jié)果

根據(jù)11501工作面11-2煤層瓦斯賦存特征，該區(qū)域突出危險區(qū)不能簡單按煤層標(biāo)高來劃分；同時，根據(jù)采掘?qū)嵺`工作面煤巷掘進動力預(yù)兆主要是地應(yīng)力因素，瓦斯作用不明顯；但當(dāng)煤層瓦斯含量達到一定值時，尤其是地質(zhì)構(gòu)造帶附近區(qū)域，發(fā)生動力現(xiàn)象后的瓦斯危害又將凸顯，瓦斯含量更能反映其危害程度。突出危險區(qū)的劃分應(yīng)考慮反映發(fā)生動力現(xiàn)象的主要能量指標(biāo)，同時要考慮致災(zāi)后果因素，以利于采取針對性的區(qū)域防治措施。基于此，采用以瓦斯含量為指標(biāo)結(jié)合工作面地質(zhì)構(gòu)造進行突出危險性預(yù)測。

4.1.1 瓦斯含量測試鉆孔施工設(shè)計

根據(jù)首采面11-2煤層瓦斯賦存特征并結(jié)合巷道布置情況，為準(zhǔn)確測試煤層瓦斯含量，掌握其突出危險性，沿煤層傾向，利用底板巖巷每隔50m施工2個瓦斯含量鉆孔。

4.1.2 區(qū)域突出危險性預(yù)測

根據(jù)現(xiàn)場實測瓦斯含量測試結(jié)果，將瓦斯含量不小于7.23m3/t至相鄰測試點小于臨界值的矩形區(qū)域視為突出危險區(qū)，即斯含量大于等于臨界值測點兩側(cè)50m的區(qū)域為突出危險區(qū)。本次首采面共劃分4個突出危險區(qū)，其余區(qū)域均為無煤與瓦斯突出危險區(qū)，區(qū)域突出危險性預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

4.2 工作面瓦斯治理效果驗證

4.2.1 區(qū)域防突措施鉆孔設(shè)計

工作面經(jīng)預(yù)測為無突出危險的區(qū)域，不采取區(qū)域措施；突出危險的區(qū)域，采用順層長鉆孔預(yù)抽瓦斯的區(qū)域措施。依據(jù)礦井11-2煤層順層鉆孔抽采半徑考察結(jié)果及《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第49條規(guī)定，在工作面軌道巷及運輸巷施工順層鉆孔孔徑108mm，間距10m，鉆孔長度110～120m，錯位壓茬不小于10m，在斷層區(qū)域采用底板穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯的區(qū)域措施，孔徑133mm，間距6m×6m。順層預(yù)抽鉆孔布置如圖4所示。

圖3 首采工作面煤與瓦斯突出危險區(qū)域預(yù)測結(jié)果圖

圖4 順層預(yù)抽鉆孔布置平面圖

4.2.2 瓦斯治理效果驗證

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第55條規(guī)定并結(jié)合工作面布置條件，采用順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，在突出危險區(qū)域沿工作面推進方向每隔40m布置2個殘余瓦斯含量測點，鉆孔深度不小于40m。突出危險區(qū)經(jīng)預(yù)抽后，殘余瓦斯含量測試鉆孔施工期間未出現(xiàn)夾鉆、吸鉆等動力現(xiàn)象，實測殘余瓦斯含量為3.68～6.09m3/t，殘余瓦斯含量小于7.23m3/t，區(qū)域措施效果有效。工作面回采期間采用采空區(qū)埋管及現(xiàn)象高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，回采期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛染S持在0.45%以下，且未出現(xiàn)瓦斯超限事故，實現(xiàn)了工作面的安全回采。

5 結(jié) 論

1)通過對首采面瓦斯含量及瓦斯組分的分析表明，首采面11-2煤層處于N2-CH4帶與CH4帶的復(fù)雜帶，瓦斯含量與標(biāo)高(埋深)的關(guān)系不明顯，瓦斯賦存不均勻，規(guī)律性差，受地質(zhì)構(gòu)造的影響較大。

2)根據(jù)首采面瓦斯含量組分及煤樣解吸特征分析，確定了采用瓦斯含量7.23m3/t的區(qū)域預(yù)測指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場實測瓦斯含量將工作面劃分出4個突出危險區(qū)域，并經(jīng)開拓開采實踐驗證區(qū)域預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。