杜家溝礦煤層瓦斯賦存規(guī)律及防治技術(shù)研究

胡武紅

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 043300）

引言

煤與瓦斯突出是煤礦最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，長期以來嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。現(xiàn)階段，我國大部分礦井在采掘過程中均遇到瓦斯異常涌出，瓦斯含量超標(biāo)的現(xiàn)象，為保證礦井的安全生產(chǎn)，對瓦斯突出礦井的瓦斯及時(shí)的進(jìn)行抽排。為此，諸多學(xué)者開展相關(guān)研究，韓江偉，董達(dá)[1]對鶴煤五礦開采煤層的瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行研究，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測瓦斯數(shù)據(jù)，給出了影響瓦斯賦存的因素，并構(gòu)建了開采煤層瓦斯壓力的預(yù)測方程，為煤礦防治瓦斯提供了依據(jù)。馮彬、周愛桃[2]通過分析了東周窯煤礦現(xiàn)開采煤層瓦斯賦存規(guī)律，并給出了區(qū)域防突措施的設(shè)計(jì)。經(jīng)過驗(yàn)證表明，相鄰工作面瓦斯含量變化規(guī)律類似，呈現(xiàn)出在停采線至切眼走向平均值上下起伏，但總體呈下降趨勢。本文以杜家溝礦2-102 工作面為研究背景，對煤層瓦斯覆存規(guī)律及防突技術(shù)進(jìn)行研究。

1 礦井概況及瓦斯覆存規(guī)律研究

杜家溝礦位于山西河津市清澗鎮(zhèn)西北3 km，井田面積9.89 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬t/a，井田結(jié)構(gòu)相對簡單，主要構(gòu)造形式為單斜延伸構(gòu)造，2-105 工作面主要開采2#、10#煤層，其中2#煤層為礦井的主采煤層，煤層厚度3.2 m～15.7 m，煤層的平均厚度為9.1 m。

影響瓦斯覆存的因素有許多，首先地質(zhì)條件會直接影響瓦斯的覆存規(guī)律，褶曲結(jié)構(gòu)是在高應(yīng)力或者高氣壓的區(qū)域形成的，由于其變形較大，釋放的能量也多，使得瓦斯在褶曲區(qū)域內(nèi)含量較高。當(dāng)煤層存在斷層時(shí)，由于斷層的存在使得瓦斯能夠較好的擴(kuò)散，此時(shí)煤層的瓦斯?jié)舛群肯鄬^低。

杜家溝礦頂板物理特性對瓦斯的覆存也十分重要，當(dāng)煤層頂板多為高滲透性巖體時(shí)，此時(shí)瓦斯的運(yùn)移擴(kuò)散效果極佳，此時(shí)的瓦斯的含量相對較低，而當(dāng)巷道頂板巖層屬于低滲透性巖體時(shí)，此時(shí)由于瓦斯擴(kuò)散十分困難，使得瓦斯聚集現(xiàn)象嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)2#煤層的頂板為泥巖，其對瓦斯覆存影響較小。研究分析發(fā)現(xiàn)瓦斯含量與巷道頂板的厚度有著直接的關(guān)系，巷道頂板越厚，此時(shí)巷道的瓦斯含量越高，擬合曲線類似于直線，杜家溝礦2#煤層的巷道頂板越厚，此時(shí)巷道頂板的瓦斯含量越高，所以可以看出，2#煤層頂板厚度與瓦斯含量有著密切的關(guān)系。

對瓦斯覆存影響的主要因素進(jìn)行分析，選定灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn)行研究，灰色關(guān)聯(lián)理論是根據(jù)各自因素間的差異及相似程度從而給出關(guān)系方法，當(dāng)不同因素的變化趨勢類似時(shí)此時(shí)關(guān)聯(lián)度高，當(dāng)變化趨勢不一致時(shí)則相反。進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析首先對分析數(shù)列進(jìn)行確定，分析數(shù)列包括煤層的埋深、煤層的厚度、覆巖的厚度、砂巖的厚度，通過對比分析數(shù)列與比較數(shù)列的差值從而給出影響程度。完成分析數(shù)列的建立后對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行設(shè)置，本文僅選定6 組鉆孔進(jìn)行檢測，所以矩陣為6 階矩陣。對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量鋼化處理后計(jì)算差值矩陣和最值，最后計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度，根據(jù)計(jì)算2#煤層瓦斯影響因子檢測數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 2#煤層瓦斯影響因子檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)檢測樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，利用matla 軟件進(jìn)行矩陣的計(jì)算，給出不同影響因素的關(guān)聯(lián)度，灰色關(guān)聯(lián)度值，如表2 所示。

表2 灰色關(guān)聯(lián)度表

從表2 可以看出，四種影響因素中對瓦斯覆存影響最大的為覆巖的厚度，而煤層厚度及煤層的埋深對杜家溝礦瓦斯覆存影響差距不大，對瓦斯覆存影響最小的因素為砂巖的厚度，所以在進(jìn)行防突設(shè)計(jì)時(shí)，可充分對覆巖厚度、煤層厚度進(jìn)行防突設(shè)計(jì)，保證杜家溝礦2#煤層的正常開采。

杜家溝礦2#煤層瓦斯壓力大，含量高，在收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行防突治理研究，對瓦斯的運(yùn)移進(jìn)行研究，利用COMSOL 軟件進(jìn)行模擬，首先建立長寬高分別為10 m×10 m×7 m 的模型，在模型的中心布置鉆孔，對模型進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定，材料的彈性模量為3.5 MPa，初始瓦斯壓力為1 MPa，煤巖的密度設(shè)定為1 360 kg/m3，泊松比為0.32，完成 設(shè)定后對模型進(jìn)行計(jì)算，給出100 天時(shí)瓦斯壓力的切面圖，如圖1 所示。

圖1 瓦斯壓力的切面圖

從圖1 可以看出，瓦斯壓力沿著鉆孔中心軸向外呈現(xiàn)增大的趨勢，在鉆孔中心軸附近瓦斯壓力最小，壓力最大值為0.52 MPa，隨著距離中心鉆孔距離的增加，瓦斯壓力呈現(xiàn)增大的趨勢，瓦斯壓力呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，顏色由藍(lán)到紅，瓦斯壓力值由小變大，這是由于瓦斯由模型四周擴(kuò)散至鉆孔周邊，使得鉆孔附近瓦斯壓力降低[3]。

2 防突措施研究

對礦井進(jìn)行防突設(shè)計(jì)，目前我國最為常見的防突措施有煤層保護(hù)層開采和鉆孔抽采瓦斯技術(shù)，杜家溝礦選定鉆孔預(yù)抽采技術(shù)，在工作面距離煤層20 m 的位置布置底板巖巷，在底板巖巷上布置鉆場，鉆場的間距40 m，在每個(gè)鉆場上布置穿層鉆孔對巷道的瓦斯進(jìn)行抽采，鉆孔的直徑為94 mm，鉆孔的封孔深度為12 m，鉆孔間距為6 m×6 m，對鉆孔的瓦斯進(jìn)行抽采，鉆場的抽采參數(shù)變化趨勢圖，如圖2 所示。

圖2 鉆場抽采參數(shù)變化曲線圖

從圖2 可以看出，鉆場瓦斯抽采期間內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)整個(gè)工作面的瓦斯抽采混合流量和純流量的變化趨勢大致呈現(xiàn)相同的趨勢，混合流量抽采均值為50 m3/min，純量的抽采均值為0.8 m3/min，隨著工作面的推進(jìn)瓦斯抽采的濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，抽采的瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.03%，經(jīng)過測量瓦斯?jié)舛鹊玫搅擞行У目刂?，保障礦井的安全回采。

3 結(jié)論

杜家溝礦為防治2-1-2 工作面開采煤層瓦斯異常涌出的問題，采用灰色關(guān)聯(lián)法對礦井瓦斯覆存影響因素進(jìn)行分析，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)對瓦斯覆存影響因素由大至小依次為覆巖厚度、煤層厚度、煤層埋深、砂巖厚度，為礦井瓦斯防治提供依據(jù)。同時(shí)，利用數(shù)值模擬軟件對瓦斯壓力分別進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，瓦斯壓力沿著鉆孔中心軸向外呈現(xiàn)增大的趨勢，在鉆孔中心軸附近瓦斯壓力最小，壓力最大值為0.52 MPa?，F(xiàn)場實(shí)踐，通過鉆孔抽排對瓦斯進(jìn)行防治，經(jīng)過抽排后，有效控制礦井瓦斯含量。