吉寧礦2103工作面殘余瓦斯含量與鉆孔取樣深度影響分析

鄭亮

摘要：為了在工作面開采前能準確評判吉寧礦煤層瓦斯抽采達標，以2103工作面為研究對象，采用DGC型瓦斯含量直接測定裝置，研究了吉寧礦2103工作面同一鉆孔不同的取樣深度對殘余瓦斯含量值結果影響，以便找出吉寧礦準確、科學取樣深度，降低取樣誤差。結果表明，準確的取樣深度對工作面的瓦斯抽采達標評判以及礦井工作面安全生產具有重要意義。

關鍵詞：工作面；瓦斯；含量；抽采

DOI：10.12433/zgkjtz.20232139

一、井下測定瓦斯含量的測定方法

目前，煤層瓦斯含量測定一般采用間接法和直接法。間接法是在等溫吸附線計算法的基礎上，根據井下煤層原始瓦斯壓力和實驗室測定的煤吸附常數及工業(yè)分析綜合結果，運用朗格繆爾方程計算。該方法存在煤層原始瓦斯壓力測定工藝較為復雜、成本偏高等缺點。間接法測定時需實測煤層瓦斯壓力，在煤壁中打孔進行封孔，但在本煤層封孔時密封性差，測定值誤差大。直接法具有操作簡便、時間影響小、流程科學合理等優(yōu)點，測定的數值真實客觀把握現場安全指標需求，因而在條件具備時首選瓦斯含量直接測定方法。但是，直接法在保證氣密性方面等不佳。這就要求在工作面現場實施及操作過程中找出全流程、各步驟影響因素并提出切實有效的解決措施，提高直接法測定瓦斯含量的精準性。

二、 概況

（一）吉寧礦概況

井田位于山西省鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)樊家原村一帶。整合區(qū)地理坐標為：東經110°33′34″～110°37′46″，北緯35°48′05″～35°50′36″。

井田面積17.6843km2，批準開采2#～10#煤層，生產規(guī)模為300萬噸/年。整合后井田呈不規(guī)則多邊形，東西長3.5～6.3km，南北寬2.9～4.7km，面積為17.6843km2。

吉寧礦開采2#、10#煤層（現開采2#煤），2#煤位于山西組中下部，全區(qū)穩(wěn)定可采，上距K8砂巖24.56～45.34m，平均厚度32.47m。煤層厚度5.69～

7.20m，平均厚度6.22m，屬于厚煤層。含0～2層夾矸，一般含一層夾石，夾矸厚度0～0.70m，平均厚度0.36m。頂底板一般為泥巖或粉砂巖。井田內及附近所有鉆孔均見到該煤層，且為厚煤層，厚度變化較大，井田內自南向東北厚度逐漸變大，至Jn1-2號孔厚度最大。該煤層屬于穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。10#煤層位于太原組下段的頂部K2灰?guī)r下，上距2#煤層為35.02～48.70m，平均為43.77m。煤層厚度為0.78～4.05m，平均為2.37m。含0-1層夾矸，結構簡單。頂板為石灰?guī)r、泥巖，底板為泥巖、鋁質泥巖、粉砂巖，屬于全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

（二）2103工作面概況

2103工作面可采走向長度為1855m，傾斜長240m，工作面基礎儲量為3873240t，可采儲量為3602113.2t，工作面井下位置北面為未開拓區(qū)域，與F5斷層防隔水煤柱平均相距142m，2103切眼東面平均留設153m保護煤柱與天潤德通煤礦礦界相隔，南面0～1000m段留設25m保護煤柱與已開采的2101工作面相隔，西面為2#回風大巷。該工作面煤層整體向北西傾斜，工作面標高為275～308m，地面標高為587～798m，傾角為-2°～+6°，一般為+2°。工作面內2#煤層局部節(jié)理發(fā)育，煤層普氏硬度約為1.6。在煤層中下部夾一層泥巖矸石，厚度0.1～0.3m，煤層厚度變化不大，區(qū)域內無河流沖刷帶及巖漿侵入體影響，屬于穩(wěn)定煤層。

2#煤層原始瓦斯含量平均為8.23m3/t，透氣性系數為0.023008～0.085813m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.059d-1，屬較難抽放煤層。原始瓦斯壓力0.41MPa，煤層堅固性系數0.61，瓦斯放散初速度8.8mmHg，吸附常數a值為29.786m3/t、b值為0.651MPa-1。煤塵具有爆炸危險性，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量35%。自燃傾向性為自燃，自燃等級為Ⅱ級，煤層自燃發(fā)火期3～6個月。

（三） 2103工作面瓦斯抽采情況

2103膠帶順槽里程200～963m，位于2101膠帶區(qū)域預抽鉆孔覆蓋范圍內，該段預抽鉆孔間距3m，鉆孔長度為300m，鉆孔開工日期2013年4月20日，結束日期2013年8月23日，共施工200個鉆孔，累計進尺49563m，傾角為-5°～+1°，在施工過程中未出現瓦斯、水異?，F象。最短預抽時間33個月，累計抽放量為7068131m?。

2103膠帶順槽本煤層預抽鉆孔從里程963m開始施工至切眼，鉆孔長度為260m。鉆孔開工日期2016年11月，結束日期2017年12月，共計施工278個鉆孔，累計進尺62030m，傾角從-7°～+7°，在施工過程中未出現瓦斯、水異?，F象，累計抽放量為4492800m?。

2103膠帶順槽本煤層部分鉆孔在施工過程中，遇到復雜地質構造，深度未能達到設計要求，因此在2103軌道順槽補打鉆孔。鉆孔開工日期為2017年11月，結束日期為2018年3月，共施工194個鉆孔，累計進尺23346m，鉆孔傾角為-5°～+5°，在施工過程中未出現瓦斯、水異常現象，累計抽放量為3110400m?。

（四）瓦斯預抽時間

2103工作面主要通過施工本煤層鉆孔提前抽采以降低煤體瓦斯含量，輔以高位鉆孔以及上隅角鉆孔，用于回采期間對采空區(qū)裂隙帶及上隅角瓦斯進行抽采，以有效降低工作面瓦斯涌出量，確保安全。

2103工作面本煤層鉆孔于2017年12月施工完畢，抽采濃度平均40%，抽采純量17～14m3/min。按照礦銜接計劃，2103工作面計劃在2018年9月份開始初采，本煤層鉆孔最短預抽時間在8個月以上。

三、 工作面瓦斯含量測定

（一）測定原理

直接法測定瓦斯含量是應用瓦斯解吸儀測定煤樣瓦斯解吸量，根據其解吸規(guī)律和煤樣暴露時間計算損失瓦斯量，實驗室得到瓦斯殘存量和粉碎瓦斯解吸量，通過瓦斯解吸量、損失量、粉碎瓦斯解吸量和殘存瓦斯量之和等數據得到工作面殘余瓦斯含量。本次測定使用中煤科工重慶院生產的DGC型瓦斯含量直接測定裝置，主要研究殘余瓦斯含量與鉆孔取樣深度的關系，其目的是給出解決取樣過程中殘余瓦斯含量的相關影響因素，為礦井工作面瓦斯抽采達標提供精準的瓦斯含量參數。

（二）工作面測定方法

打鉆：在2103軌道、膠帶巷雙向每隔100m垂直煤壁施工1個孔徑75mm、孔深12～58m的鉆孔。

采樣：當鉆頭鉆進到預定位置時，用備好的煤樣罐接取550g煤屑。

現場測定：煤樣取出后，選取煤樣粒徑較大且質量大于500g，快速封入煤樣筒并擰緊密封，然后將煤樣筒與瓦斯解吸測定儀快速連接，開始井下現場瓦斯解析。

井下解吸儀連接前進行準確讀初值，氣體涌出后迅速讀取液面刻度并打開秒表計時，并實施全過程記錄好暴露時間、解吸時間，每一個階段時間量管讀取相關必要數據。每隔1min讀取量管的1次數據，時間達到 30min時停止解吸。解吸完畢后，將煤樣筒密封，待升井時一同帶入實驗室。

（三）測定結果

本次測定選取了2103工作面共7個鉆孔測點，每個測點孔深均不同，測定結果如表1所示。

根據2103工作面瓦斯含量測定結果，繪制了2103工作面各個鉆孔瓦斯含量與取樣深度擬合曲線、2103工作面瓦斯含量與取樣深度擬合函數、2103工作面所有鉆孔瓦斯含量與取樣深度擬合曲線，如圖1、表2、圖2所示。

四、不同取樣深度的瓦斯含量分析

通過圖1、圖2可以看出鉆孔孔深最深為58m，但是瓦斯含量值不高。鉆孔取樣深度在12～20m時，可能由于兩端巷道瓦斯預排在等值寬度范圍的影響，瓦斯含量較小。深度在20～30m時，瓦斯含量有增高的趨勢，但還不是最高。深度在30～40m時，瓦斯解吸量大，瓦斯含量最高。深度在40～50m和50m～60m時，隨著取樣深度的增加，風排瓦斯大，瓦斯損失大，井下解吸在1～30min內瓦斯解吸量小，瓦斯含量有下降的趨勢。

隨著工作面鉆孔取樣深度的增加，鉆機在施工鉆孔時受煤層瓦斯壓力及構造煤因素，出現夾鉆、偏移等影響因素，造成取出的煤樣誤差較大。

隨著工作面鉆孔取樣深度的增加，取樣時間也相應增加，煤在長時間摩擦下，煤樣的粒度變小或呈粉碎狀，造成殘余瓦斯含量值變小，其結果不能反映工作面真實參數。

五、結論

測定結果表明，吉寧礦2103工作面在殘余瓦斯量煤樣取樣過程中深度在30～40m時，測得殘余瓦斯含量曲線結果達到最佳值。實驗證明，鉆孔取樣深度在30～40m時，是取樣鉆孔設計合理依據，也是優(yōu)化取樣鉆孔施工工程量和取樣時間最優(yōu)措施，成果為礦井采掘工作面瓦斯涌出量預測、瓦斯抽采達標提供了重要的瓦斯治理技術參數支撐。

通過對吉寧礦2103工作面的實際取樣結果分析，取樣結果非常準確，能夠客觀地反映2103工作面各地點的瓦斯含量情況。在今后吉寧礦的瓦斯基礎參數測定及工作面瓦斯抽采達標評判中，能夠為礦井節(jié)省大量人力、物力并縮短取樣時間，確保取樣工作順利開展。

參考文獻：

[1]金新，管強盛.高轉速干式螺旋鉆進篩管完孔技術在新景礦瓦斯治理中的應用[J].煤炭技術，2022，41（10）：115-118.

[2]劉程，孫東玲，武文賓，等.我國煤礦瓦斯災害超前大區(qū)域精準防控技術體系及展望[J].煤田地質與勘探，2022，50（08）：82-92.

[3]武沛武.瓦斯抽采鉆孔機械造穴的實踐與認識[J].煤炭科技，2021，42（05）：110-113.

[4]劉巖.高突礦井大采高工作面瓦斯抽采實踐研究[J].能源與節(jié)能，2022（06）：102-105.