瓦斯關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)方法及治理建議

王晉茂

（山西高平科興牛山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

引言

瓦斯是煤礦生產(chǎn)不可避免的產(chǎn)物，嚴(yán)重威脅著掘進(jìn)、采煤工作面的安全生產(chǎn)。因此，精確掌握煤礦瓦斯的相關(guān)參數(shù)特征對(duì)預(yù)測(cè)瓦斯的涌出量和突出量具有指導(dǎo)作用，進(jìn)而可精準(zhǔn)開(kāi)展對(duì)掘進(jìn)工作面、綜采工作面瓦斯的治理工作[1]。本文以山西高平科興牛山煤業(yè)為例，開(kāi)展關(guān)于瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)、關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)定方法及設(shè)備選型，為后續(xù)瓦斯的治理工作提供支撐。

1 工程概況

牛山煤業(yè)地處山西省高平市，該礦井含煤地層包括有山西組和太原組。該礦井可采煤層包括有3號(hào)、9 號(hào)、15 號(hào)，其對(duì)應(yīng)的具體地質(zhì)條件如下：

1）3 號(hào)煤為區(qū)內(nèi)主要的可采煤層，賦存于山西組的下部，煤層厚0～9.71 m，平均5.71 m，頂板為砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖,全區(qū)穩(wěn)定可采。

2）9 號(hào)煤層位于太原組下部，煤層厚0～2.65 m，平均厚1.74 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，0～1 層矸石。煤層頂板多為中粗砂巖，局部為泥巖、砂質(zhì)泥巖；底板為砂質(zhì)泥巖。9 號(hào)煤層在井田內(nèi)較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為區(qū)內(nèi)較穩(wěn)定的可采煤層。

3）15 號(hào)煤層位于太原組下部，煤層厚1.77～5.76 m，平均4.25 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單—復(fù)雜，直接頂板為泥巖或石灰?guī)r，底板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，本煤層區(qū)內(nèi)穩(wěn)定發(fā)育，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

2 瓦斯關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)定

為精確了解牛山煤業(yè)瓦斯的相關(guān)參數(shù)特征，以該煤業(yè)3 號(hào)、9 號(hào)煤層為例對(duì)瓦斯吸附常數(shù)a、b 值，瓦斯含量，瓦斯壓力，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定[2]。本次瓦斯參數(shù)測(cè)定瓦斯的取樣地點(diǎn)主要為如圖1 所示的一采區(qū)機(jī)軌合一巷、一采區(qū)回風(fēng)巷、90102 進(jìn)風(fēng)巷、90102 回風(fēng)巷和90101 首采面。

圖1 瓦斯取樣地點(diǎn)

2.1 瓦斯吸附常數(shù)a 值和b 值的測(cè)定

a 值表示煤可燃基的極限吸附瓦斯量，即在某一溫度下當(dāng)瓦斯壓力趨近于無(wú)窮大時(shí)的最大吸附瓦斯量，也稱(chēng)朗繆爾體積，單位為m3/t；b 為朗繆爾壓力倒數(shù)，也為一吸附常數(shù)，單位為MPa-1。本項(xiàng)參數(shù)測(cè)定所選設(shè)備為HCA 高壓容量法瓦斯吸附裝置[3]，取樣地點(diǎn)為一采區(qū)機(jī)軌合一巷和一采區(qū)回風(fēng)巷，90102 進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷四個(gè)位置。

2.2 瓦斯含量的測(cè)定

煤層瓦斯含量指的是單位質(zhì)量煤質(zhì)中所含瓦斯的體積。目前，針對(duì)瓦斯含量測(cè)定所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 23250—2009，可采用直接法測(cè)定和間接法測(cè)定。本項(xiàng)參數(shù)的取樣地點(diǎn)為一采區(qū)機(jī)軌合一巷、一采區(qū)回風(fēng)巷、90102 進(jìn)風(fēng)巷、90102 回風(fēng)巷和90101 首采面，分別記為1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)和5 號(hào)。

2.3 瓦斯壓力的測(cè)定

煤層瓦斯壓力是指煤層孔隙內(nèi)氣體分子自由熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的作用力，由游離瓦斯形成，即瓦斯作用于孔隙壁的壓力[4]。目前，針對(duì)瓦斯壓力測(cè)定所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為AQ-T 1047—2007。本項(xiàng)參數(shù)的取樣地點(diǎn)為一采區(qū)機(jī)軌合一巷、一采區(qū)回風(fēng)巷、90102 進(jìn)風(fēng)巷、90102 回風(fēng)巷和90101 首采面。

2.4 瓦斯流量衰減系數(shù)β 的測(cè)定

瓦斯流量衰減系數(shù)是衡量煤層瓦斯抽放難易程度的重要指標(biāo)，它表示鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間變化的衰減速度，可通過(guò)測(cè)定流量與時(shí)間的關(guān)系來(lái)計(jì)算，如式（1）所示：

式中，Q0為鉆孔成孔初始時(shí)的瓦斯流量；Qt為鉆孔1 d 后排放時(shí)的瓦斯流量；t 為鉆孔瓦斯涌出經(jīng)歷過(guò)時(shí)間，取t=1 d。

3 瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)果分析

3.1 瓦斯吸附常數(shù)a 值和b 值的測(cè)定結(jié)果

瓦斯吸附常數(shù)a 值和b 值的測(cè)定結(jié)果如表1 所示。

表1 瓦斯吸附常數(shù)a值和b 值的測(cè)定結(jié)果

如表1 所示：3 號(hào)煤層吸附常數(shù)a 的平均值為40.475 5 m3/t；b 的平均值為1.631 5 MPa-1；9 號(hào)煤層吸附常數(shù)a 的平均值為36.070 4 m3/t；b 的平均值為1.5233 MPa-1。

3.2 瓦斯含量測(cè)定結(jié)果分析

瓦斯含量測(cè)定結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表2 3 號(hào)、9 號(hào)煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果匯總 mL/g

分析表2 可知：牛山煤業(yè)3 號(hào)煤層瓦斯含量為3.63～3.77 m3/t，測(cè)定的煤層最大瓦斯含量為3.77 m3/t，煤層瓦斯含量較低；9 號(hào)煤層瓦斯含量為2.62～2.73 m3/t，測(cè)定的煤層最大瓦斯含量為2.73 m3/t，煤層瓦斯含量較低。通風(fēng)完全可以滿(mǎn)足煤層開(kāi)采所需要的瓦斯工作條件，不需要進(jìn)行瓦斯抽采工作。

3.3 瓦斯壓力的測(cè)定

瓦斯壓力的測(cè)定需依據(jù)測(cè)壓鉆孔完成，但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)測(cè)壓鉆孔存在封孔不嚴(yán)的問(wèn)題，導(dǎo)致所測(cè)得瓦斯壓力值不準(zhǔn)確[5]。因此，本文采用間接法對(duì)瓦斯壓力值進(jìn)行測(cè)定，即根據(jù)瓦斯含量值對(duì)瓦斯壓力進(jìn)行反推算，經(jīng)推算所得瓦斯壓力值如表3 所示。

表3 瓦斯壓力值測(cè)定結(jié)果

3.4 瓦斯衰減系數(shù)的測(cè)定

根據(jù)“2.4”所述，瓦斯衰減系數(shù)需掌握煤層的起始流量和最終流量以及所測(cè)定的天數(shù)，瓦斯衰減系數(shù)的測(cè)定結(jié)果如表4 所示。

表4 瓦斯衰減系數(shù)測(cè)定結(jié)果

4 牛山煤業(yè)瓦斯治理建議

經(jīng)對(duì)牛山煤業(yè)3 號(hào)、9 號(hào)煤層的瓦斯關(guān)鍵參數(shù)測(cè)定結(jié)果的分析，對(duì)其瓦斯治理提出如下建議：

1）在地質(zhì)構(gòu)造處，煤層的堅(jiān)固性系數(shù)將變小，同時(shí)煤層瓦斯壓力、放散初速度及破壞類(lèi)型均會(huì)發(fā)生變化，遇到地質(zhì)構(gòu)造帶或瓦斯涌出異常區(qū)時(shí)，必須及時(shí)測(cè)定煤層瓦斯含量、瓦斯壓力等基礎(chǔ)參數(shù)，準(zhǔn)確掌握煤層瓦斯相關(guān)參數(shù)，為礦井進(jìn)一步瓦斯治理提供依據(jù)。如有瓦斯涌出異?，F(xiàn)象，須采取區(qū)域防突、局部防突、瓦斯抽采等必要的安全技術(shù)措施。

2）煤層瓦斯參數(shù)隨著采掘巷道向新區(qū)域的延伸逐漸發(fā)生變化，建議礦方將瓦斯參數(shù)測(cè)定工作常態(tài)化，隨時(shí)掌握煤層瓦斯的變化及突出危險(xiǎn)性情況，確保礦井安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1）3 號(hào)、9 號(hào)煤層吸附常數(shù)a 分別為40.48 m3/t、36.070 4 m3/t，吸附常數(shù)b 分別為1.63 MPa-1、1.523 3 MPa-1；3 號(hào)、9 號(hào)煤層瓦斯含量分別為3.77 m3/t 和2.73 m3/t，瓦斯壓力值均為0.05 MPa，瓦斯流量衰減系數(shù)分別為0.115 d-1、0.095 d-1。

2）工作面瓦斯參數(shù)屬于動(dòng)態(tài)變化，礦方應(yīng)將瓦斯測(cè)定列為常態(tài)化工作，隨時(shí)并對(duì)應(yīng)性地采取區(qū)域防突、局部防突、瓦斯抽采等必要的安全技術(shù)措施。