古城煤礦3 號煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試研究

張成輝

（山西潞安化工集團有限公司古城煤礦，山西 長治 046108）

0 引 言

隨著煤礦井下開拓的深度持續(xù)增加，礦井瓦斯賦存和瓦斯涌出勢必日益增加，瓦斯災(zāi)害的威脅日趨嚴(yán)重，需加大瓦斯治理的力度，以保證井下生產(chǎn)安全[1-2]。瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)是瓦斯治理的重要依據(jù)，其正確與否直接關(guān)系著礦井開采的作業(yè)安全，同時也涉及到需要施工瓦斯治理工程范圍的大小，與礦井的經(jīng)濟效益有著直接的關(guān)系[3-4]。目前，古城煤礦井下開拓已經(jīng)進入北二盤區(qū)、南二盤區(qū)、北三盤區(qū)及南三盤區(qū)等區(qū)域，為了便于瓦斯治理工作的規(guī)劃管理和現(xiàn)場實施，需對古城煤礦北二盤區(qū)、南二盤區(qū)、北三盤區(qū)及南三盤區(qū)已開拓區(qū)域的3 號煤層展開瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試。

1 工程概況

古城煤礦隸屬于山西潞安礦業(yè)集團，礦區(qū)面積157.299 3 km2，開采深度+500～+1 000 m 標(biāo)高，為高瓦斯礦井。礦井核定生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a，目前開采3 號煤層。據(jù)估算古城井田3 號煤層資源量總計為1 302.61 Mt，工業(yè)資源量為1 264.64 Mt，設(shè)計儲量1 053.46 Mt，設(shè)計可采儲量為742.15 Mt，礦井設(shè)計服務(wù)年限為71.4 a。

3 號煤層位于山西組下部，下距14 號煤層87.08 ～128.66 m，平均98.29 m。3 號煤層厚度3.35～10.45 m，平均厚度6.27 m，煤層厚度變化較大。3 號煤層中含0～2 層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸，變異系數(shù)為0.14，屬穩(wěn)定性煤層。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖。

2 煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試

2.1 煤堅固性系數(shù)（f）測試

煤體堅固系數(shù)f表示煤體所能承受的外在破壞力大小的一個指標(biāo)，其值的大小主要取決于煤的強度、硬度等參數(shù)[5]。主要測定方法為落錘法，即通過錘子的自由下落砸碎煤塊，然后對煤塊的破碎程度進行統(tǒng)計分析。

本次在古城煤礦西二回3 號貫迎頭、東翼膠帶大巷延伸段4 號鉆場、南翼西一回5、29 號鉆場向前40 m 正頭、S1306 工作面回風(fēng)順槽11 號橫貫、南二回延伸段迎頭等區(qū)域，分別采集3 號煤層煤樣各5 kg，并將煤樣用手工破碎成20～30 mm 粒度的煤樣，分成50g 一份，每5 份為1 組（250 g），共需3 組（750 g），進行煤堅固性系數(shù)測定。

由下式計算煤的堅固性系數(shù)：

式中：f為煤的堅固性系數(shù)；n為每次試樣的沖擊次數(shù)，次；L為每次試樣篩下粉煤的計量高度，mm。測定平均樣3 組（每組5 份），取算術(shù)平均值。古城煤礦3 號煤層堅固性系數(shù)實測結(jié)果為0.54～0.72。

2.2 煤的瓦斯放散初速度（△p）測試

瓦斯放散初速度指標(biāo)（△p）表示煤體放散瓦斯能力的大小，當(dāng)煤體中瓦斯放散初速度越大，越容易形成瓦斯集中，在壓力較大時形成瓦斯流，越容易發(fā)生煤與瓦斯突出[6]。放散初速度指標(biāo)測定儀示意圖如圖1 所示。

圖1 放散初速度指標(biāo)測定儀示意圖

測定瓦斯放散初速度的煤樣采樣地點與測定煤的堅固性系數(shù)的煤樣采樣地點相同，每個地點同一個煤樣測定2 個平行煤樣，在誤差范圍內(nèi)取平均值。古城煤礦3 號煤層煤樣△p為9.6～11.6。

2.3 煤層瓦斯含量測試

煤層瓦斯含量一般是指單位體積煤體中賦存的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)瓦斯量。煤層瓦斯含量是煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試中最主要的一部分參數(shù)，可通過該參數(shù)對礦井瓦斯總含量及瓦斯涌出量進行預(yù)測分析，同時，它也是鑒定礦井煤與瓦斯突出危險性的重要依據(jù)[7]。采用常壓解吸法對古城煤礦3 號煤層的瓦斯含量進行測定，在井下進行鉆孔取芯及收集煤屑，通過對樣本實驗確定出煤體實際的瓦斯解析量，并以此來確定煤層瓦斯含量。煤樣瓦斯含量包括損失瓦斯含量W1、粉碎前常壓解吸瓦斯含量W2、粉碎解吸瓦斯含量W3及殘存瓦斯含量Wc。其中粉碎前常壓解吸瓦斯含量由井下瓦斯解吸含量和實驗室瓦斯解吸含量組成。

2.3.1 損失瓦斯含量的計算

測定煤層瓦斯含量的測定原理：一般認(rèn)為鉆孔煤樣在剛開始暴露的一段時間內(nèi)，累計解吸的瓦斯量與煤樣解吸時間的平方根成正比例，即：

式中：Vz為煤樣自暴露時起至解吸測定進行時間t時的瓦斯總解吸體積，ml；k為比例常數(shù)，cm3/min1/2；t0為煤樣在解吸測定前的暴露時間，min；t為煤樣解吸測定的時間，min。 解吸測定出的瓦斯解吸量V僅為煤樣總解吸量的一部分，僅是t0到t那部分解吸量，因此：

2.3.2 損失瓦斯含量的計算

在井下鉆取煤屑，裝入罐中密封。將煤樣罐與解吸儀連接（見圖2）進行現(xiàn)場解吸，每隔一定時間記錄量管讀數(shù)及測定時間，連續(xù)60～120 min 或解吸量小于2 cm3/min 為止。開始觀測前30 min 內(nèi)間隔1 min讀一次數(shù)，以后每隔2～5 min 讀一次數(shù)。將井下自然解吸后的煤樣罐與地面解吸裝置連接，進行實驗室常壓解吸瓦斯量測定，并進行煤樣稱重。將井下解吸瓦斯量與實驗室常壓瓦斯解吸量相加，并除以煤樣重量，所得數(shù)據(jù)為粉碎前常壓解吸瓦斯含量W2。

圖2 煤樣瓦斯解吸速度測定儀

2.3.3 粉碎解吸瓦斯含量和殘存瓦斯含量的測定

將煤樣罐進行實驗室常壓解吸瓦斯量測定之后，取兩份相等量的二次煤樣，進行粉碎后常壓解吸量測定，取2 份煤樣解吸的平均值為粉碎后的解吸量，除以煤樣重量即可得到粉碎解吸瓦斯含量。最后，殘存瓦斯含量（常壓不可解吸瓦斯含量）按下式計算。

式中：Xb為煤體不可解析的瓦斯量，m3/t；a、b為煤的瓦斯吸附常數(shù)，單位分別為m3/t 及MPa-1；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤所含水分，%；K1位煤體孔隙率，%；ARD為煤的視相對密度，t/m3。

殘存瓦斯含量計算過程中需要使用煤的灰分、水分、孔隙體積、相對視密度及吸附常數(shù)a、b 值等參數(shù)見表1、表2。

表1 煤樣吸附常數(shù)a、b 值測試結(jié)果

表2 煤樣工業(yè)分析結(jié)果（僅列出與殘存瓦斯含量計算相關(guān)的參數(shù)）

根據(jù)上述步驟得到古城煤礦3 號煤層粉碎解吸瓦斯含量W3 為1.55～8.12 m3/t，殘存瓦斯含量Wc為1.85～2.35 m3/t。

2.3.4 煤層瓦斯含量測定結(jié)果

最終，將上述方法計算出的井下瓦斯解吸量、瓦斯損失量、粉碎前自然解吸瓦斯量、粉碎后解吸瓦斯量及不可解吸瓦斯量等相加，其和即為煤層瓦斯含量。綜上所述，古城煤礦3 號煤層本次測試的瓦斯含量為4.64～14.97 m3/t，結(jié)果詳見表3。

2.4 煤層瓦斯壓力測試

由于煤體的孔隙發(fā)育度較高，因此有較多游離態(tài)的瓦斯賦存在這些孔隙中并形成一定的氣體壓力，稱之為煤層瓦斯壓力，它是預(yù)測煤與瓦斯突出及防突措施制定的重要依據(jù)[8]。

表3 煤層瓦斯含量測定一覽表

2.4.1 測壓鉆孔布置方案

煤層瓦斯壓力的測試主要是通過打鉆孔測壓的方式進行，為了使得測試結(jié)果更加真實準(zhǔn)確，在制定測壓鉆孔布置及施工方案時，應(yīng)結(jié)合古城煤礦3 號煤層的實際賦存條件、礦井生產(chǎn)接續(xù)情況、鉆機設(shè)備及封孔工藝等情況，同時鉆孔應(yīng)盡量布置在采動影響范圍之外的穩(wěn)定巖巷內(nèi)。

綜合考慮下，確定了古城煤礦3 號煤層測壓鉆孔布置方案：3 號煤層本次基礎(chǔ)參數(shù)測試共布置9 個測點、18 個鉆孔，測壓鉆孔布置示意圖如圖3 所示，鉆孔竣工參數(shù)見表4。

2.4.2 鉆孔封孔工藝與方法

封孔方法：均采用水泥漿封孔法。

封孔工藝：將測壓表裝入孔內(nèi)終孔處，測壓表與測壓管連接，測壓管長度為3 m 每根，測壓管下方安置注漿泵及φ15 mm 的注漿鐵管。為保證封孔嚴(yán)密，測壓表與測壓管連接處用生料帶纏繞，測壓管及注漿管末端用聚氨酯進行封堵，然后按照水灰比為2∶1 的比例將硅酸鹽水泥及添加劑進行混合攪拌，并泵送乳孔內(nèi)進行封孔，當(dāng)泥漿從測壓管返流時停止注漿，并對注漿管進行處理，開始測定瓦斯壓力。封孔工藝見圖3。

表4 古城煤礦3 號煤層瓦斯壓力測定鉆孔技術(shù)參數(shù)表

圖3 上向孔測壓封孔工藝示意圖

封孔深度：封孔深度一般由鉆孔長度來確定，還需保證測壓氣室布置于圍巖松動圈以外的穩(wěn)定巖層中，測壓氣室的長度應(yīng)大于1.5 m。由于3 號煤層賦存深度較大、圍巖周圍應(yīng)力較集中，在鉆孔施工過程中容易發(fā)生塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，導(dǎo)致測壓管在鉆孔內(nèi)只能延伸至30～35 m 的深度，考慮到測壓氣室的長度，測壓管至孔底還需存在一定的空間。因此，綜合考慮實際條件及鉆孔施工情況，確定出3 號煤層瓦斯測壓鉆孔的封孔深度應(yīng)不小于30 m。

2.4.3 測壓結(jié)果

本次鑒定現(xiàn)場測定采用的測壓方法為被動測壓法。完成測壓鉆孔封孔施工后，封堵水泥漿需經(jīng)過24 h 固結(jié)才可達(dá)到預(yù)期強度，待其完全固結(jié)后，將壓力表及閥門安裝在孔口測壓管上，并用肥皂水嚴(yán)格檢查各連接口處的密實情況，檢查是否漏氣，隨后讀取壓力表數(shù)值。被動測壓的觀測時間主要與煤層內(nèi)部瓦斯壓力及煤層透氣性有關(guān)，一般情況下的觀測時長為25 d 以上。測試終止原則為：達(dá)到觀測時長后，若壓力變數(shù)值小于0.015 MPa 并持續(xù)3 d 左右，則終止壓力測定，否則，繼續(xù)進行壓力觀測。

經(jīng)過測試，古城煤礦3 號煤層部分鉆孔直接測得的煤層相對瓦斯壓力變化曲線如圖4～圖7 所示，相對瓦斯壓力測得結(jié)果為0.17～0.55 MPa。

圖4 GCP2021-1 號測點瓦斯壓力測試曲線

圖5 GCP2021-2 號測點瓦斯壓力測試曲線

圖6 GCP2021-3 號測點瓦斯壓力測試曲線

圖7 GCP2021-4 號測點瓦斯壓力測試曲線

3 結(jié) 論

通過對山西潞安礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司古城煤礦3 號煤層現(xiàn)場測試與實驗室實驗工作的綜合，得出以下主要結(jié)論：

1）3 號煤層的堅固性系數(shù)f為0.54～0.72，煤層瓦斯放散初速度△p 為9.6～11.6。

2）3 號煤層本次采用直接法測試得到的煤層瓦斯含量為4.64～14.97 m3/t，煤層瓦斯壓力為0.17～0.55 MPa。

3）從本次瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試結(jié)果來看，3 號煤層瓦斯壓力和煤層瓦斯含量相對較高，隨著礦井向深部開拓，礦井瓦斯賦存和瓦斯涌出勢必進一步增大，所以，在以后的生產(chǎn)過程中要加強對瓦斯賦存和瓦斯異常涌出的監(jiān)控力度，保證礦井安全生產(chǎn)。