四棵樹二號井煤層瓦斯賦存及涌出規(guī)律研究

王正帥，楊 周

（1.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400037;2.烏蘇四棵樹煤炭有限責(zé)任公司，新疆 維吾爾 833300）

0 引 言

新疆煤炭資源豐富，預(yù)測資源量2.19 萬億t，居全國之首[1]。近年來煤炭產(chǎn)量逐漸提升，已居全國第四，2021 年原煤產(chǎn)量3.19 億t。已逐漸由低強(qiáng)度開發(fā)向高強(qiáng)度開發(fā)轉(zhuǎn)變，由淺埋深向大埋深轉(zhuǎn)變，由機(jī)械化向智能化轉(zhuǎn)變，但不利的是近些年很多礦井瓦斯等級提高，由低瓦斯升級為高瓦斯、高瓦斯升級為突出礦井，甚至個別礦井在兩三年內(nèi)由低瓦斯升級為了突出礦井。艾維爾溝[2-4]、庫拜[5]等礦區(qū)瓦斯災(zāi)害已成為制約安全生產(chǎn)的第一災(zāi)害。其他礦區(qū)瓦斯災(zāi)害也日漸突顯，普通鉆孔抽采[6]、定向長鉆孔抽采[7]、地面井抽采[8]、水力化增透措施[9-10]等也逐漸得到引進(jìn)與應(yīng)用。

但目前不少礦井仍存在瓦斯基本參數(shù)不全、瓦斯賦存規(guī)律不清、瓦斯涌出規(guī)律不明，低瓦斯、高瓦斯礦井瓦斯超限時常發(fā)生。本文對四棵樹二號井A5 煤層的瓦斯氣體組分進(jìn)行測試確定了瓦斯分帶，測定了原始瓦斯壓力和瓦斯含量，現(xiàn)場考察研究了工作面產(chǎn)量和風(fēng)量對工作面絕對瓦斯涌出量、上隅角瓦斯?jié)舛燃盎仫L(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，為礦井掌握煤層瓦斯賦存及涌出規(guī)律，制定瓦斯治理和管理措施、確定生產(chǎn)任務(wù)提供參考。

1 礦井概況

四棵樹煤炭公司二號井位于烏蘇市西南約41 km，屬烏蘇市吉爾格勒特蒙古自治鄉(xiāng)管轄，交通較為便利。井田走向長1 200～2 000 m，寬600～800 m，面積1.175 4 km2。井田含煤地層為下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b），共含煤3 層，自上而下編號為A5、A4、A3，平均可采總厚度為8.64 m。A5 煤層為厚—特厚煤層，是井田內(nèi)主采煤層，煤厚3.4～5.4 m，平均厚度為4.39 m，為較穩(wěn)定煤層。礦井采用斜井開拓單水平（+1 170 m）上下山開采，采區(qū)在A5 煤層中布置了3 條下山，上山階段垂高約180 m，下山階段垂高約49 m。

A5 煤層呈黑色，條痕顯黑色—褐黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，煤的容重A5 為1.33 t/m3，屬長焰煤，屬特低灰—中灰、特低磷—中磷、特低硫、高熔灰分、中高強(qiáng)度富油—高油煤，是良好的工業(yè)動力用煤，也是較好的煉油煤和氣化用煤。煤塵具有爆炸性。煤層自燃傾向性為易—很易自燃。

2 瓦斯賦存規(guī)律

研究區(qū)域為二號井A5 煤層的未采范圍，其范圍為走向上西以A5 煤層停采線為界，東以井田邊界為界；傾向范圍為+1 170～+1 130 m，距地表深度約300～400 m，該范圍北部、西部、南部均為采空區(qū)，研究區(qū)域如圖1 中虛線所示。

圖1 研究區(qū)域及瓦斯含量、壓力、氣樣測點示意Fig.1 Research area and gas content,pressure,gas sample measuring point diagram

2.1 瓦斯氣體組分與瓦斯分帶

根據(jù)煤化過程生成瓦斯特點，煤層瓦斯組分沿賦存深度表現(xiàn)為帶狀分布。煤層瓦斯自上向下分為4 個帶：CO2-N2帶、N2帶、N2-CH4帶、CH4帶。其中，前3 個帶通常稱為瓦斯風(fēng)化帶，各瓦斯分帶依據(jù)氣體組分的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 煤層瓦斯垂向各帶主要氣體組分Table 1 Main gas components in vertical zones of coal seam gas

采集3 個A5 煤層氣樣，其采集方法為施工上向鉆孔，并于鉆孔底部抽取氣樣。施工地點為A508 軌道順槽里程約350 m、A508 運輸順槽里程約290 m、A507 運輸順槽里程約190 m 處，具體位置如圖1 所示。鉆孔施工完畢后立即送入鐵管（管內(nèi)固定膠皮管）至孔底，并用聚氨酯封孔8 m；然后用抽氣泵將孔內(nèi)氣體抽出采樣并送實驗室測定氣體組分，其測定結(jié)果見表2。根據(jù)實驗室測定數(shù)據(jù)，氣體組成中CO2小于10%、N2介于20%～80%、CH4介于20%～ 80%。因此，研究區(qū)域A5煤層瓦斯分帶屬于N2-CH4帶。

表2 A5 煤層瓦斯氣樣組分Table 2 Gas sample components of A5 coal seam

2.2 瓦斯參數(shù)賦存規(guī)律

2.2.1 瓦斯壓力

對研究區(qū)域內(nèi)A5 煤層進(jìn)行了瓦斯壓力測定，在選擇測壓孔位置時，避開了斷層、地質(zhì)構(gòu)造裂隙帶、采動、瓦斯抽采及其他人為卸壓等影響范圍，并保證測壓鉆孔與上述影響范圍間距不小于50 m。同一地點設(shè)2 個測壓鉆孔，2 個鉆孔見煤點或者測壓氣室的距離應(yīng)大于20 m。鉆孔布置如圖1 所示，測壓情況見表3。

表3 瓦斯壓力測定結(jié)果Table 3 Gas pressure measurement results

瓦斯壓力測定結(jié)束后，拆卸壓力表時5-1 鉆孔內(nèi)有水涌出且拆表后數(shù)天有水流出，5-2 鉆孔無水涌出，5-1 和5-2 號鉆孔測壓室較近，分析認(rèn)為5-1 號鉆孔見頂板含水層。鉆孔5-2 封孔效果較好，封孔長度滿足要求。綜合分析后取5-2 號鉆孔壓力（0.62 MPa）為該測點煤層瓦斯壓力。

2.2.2 瓦斯含量

對研究區(qū)域內(nèi)A5 煤層進(jìn)行瓦斯含量測定，其鉆孔布置如圖1 所示，測定結(jié)果見表4。A5 煤層最大原始瓦斯含量2.72 m3/t，可解吸瓦斯含量最大2.28 m3/t。

表4 瓦斯含量測定結(jié)果Table 4 Determination results of gas content

2.3 瓦斯涌出規(guī)律分析

采煤工作面為A507 綜放采煤工作面，其采煤方法為走向長壁后退式綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板?？疾煅芯科跒?0 d，期間內(nèi)采煤過程中每天3 個班分別統(tǒng)計監(jiān)測統(tǒng)計工作面產(chǎn)量、工作面風(fēng)量、工作面絕對瓦斯涌出量、上隅角瓦斯?jié)舛?、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛惹闆r。工作面每班產(chǎn)量共設(shè)計4 個區(qū)間，其中，第一區(qū)間300 t 左右，第二區(qū)間600 t 左右，第三區(qū)間700 t 左右，第四區(qū)間900 t 左右，每個區(qū)間大約生產(chǎn)15～20 d。

對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到工作面絕對瓦斯涌出量與班產(chǎn)量的關(guān)系，如圖2 所示，工作面絕對瓦斯涌出量為1.12～8.48 m3/min，最大值是最小值的約8 倍，反映出工作面瓦斯賦存不均勻，存在局部異常區(qū)域，但整體上呈現(xiàn)出工作面產(chǎn)量越大工作面絕對瓦斯涌出量越大的規(guī)律，較大的幾個絕對瓦斯涌出量均出現(xiàn)在班產(chǎn)量900 t 左右時。同時得出，工作面絕對瓦斯涌出量5 m3/min 對應(yīng)的班產(chǎn)量約為600 t，其日產(chǎn)量約為1 800 t。

圖3 為上隅角瓦斯?jié)舛扰c班產(chǎn)量的關(guān)系，當(dāng)工作面班產(chǎn)量超過605 t 時易出現(xiàn)上隅角超限，監(jiān)測期間的5 次超限均發(fā)生在班產(chǎn)量605 t 以上，班產(chǎn)量290～ 370 t（第一區(qū)間）時，上隅角瓦斯?jié)舛?.1%～0.58%；班產(chǎn)量545～625 t（第二區(qū)間）時，上隅角瓦斯?jié)舛?.16%～1.29%；班產(chǎn)量695～790 t（第三區(qū)間）時，上隅角瓦斯?jié)舛?.19%～1.06%；班產(chǎn)量825～905 t（第四區(qū)間）時，上隅角瓦斯?jié)舛?.25%～1.51%。整體上呈現(xiàn)上隅角瓦斯?jié)舛入S日產(chǎn)量增加而增大的規(guī)律，而且產(chǎn)量越大上隅角瓦斯?jié)舛确植荚桨l(fā)散，越不易控制。

圖3 A507 采煤工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c產(chǎn)量Fig.3 Gas concentration and yield in upper corner of A507 coal mining face

圖4 為回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扰c班產(chǎn)量的關(guān)系，產(chǎn)量由第一區(qū)間提高到第四區(qū)間時，回風(fēng)流最小瓦斯?jié)舛葟?.08%增加到了0.16%，其中第一區(qū)間到第二區(qū)間增幅最大，此后雖最小瓦斯?jié)舛热杂性龃?，但增加幅度不大，具體見表5。

表5 不同產(chǎn)量區(qū)間瓦斯?jié)舛萒able 5 Gas concentration in different production intervals

圖4 A507 采煤工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扰c產(chǎn)量Fig.4 Gas concentration and yield of return air flowin A507 coal mining face

圖5 為工作面絕對瓦斯涌出量與工作面風(fēng)量的關(guān)系，工作面回采期間風(fēng)量控制較穩(wěn)定，基本在892～912 m3/min。從圖5 也可以看出風(fēng)量基本穩(wěn)定的情況下，工作面的絕對瓦斯涌出量差別很大，如風(fēng)量892 m3/min 時，絕對瓦斯涌出量最小為3.39 m3/min，最大為7.94 m3/min；風(fēng)量908 m3/min 時，絕對瓦斯涌出量最小為2.92 m3/min，最大為8.48 m3/min，相差近3 倍，同樣說明工作面瓦斯賦存不穩(wěn)定、差異較大。另外，隨著風(fēng)量的變化絕對瓦斯涌出量沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，也說明風(fēng)量對工作面絕對瓦斯涌出量不構(gòu)成影響。

圖5 A507 采煤工作面絕對瓦斯涌出量與風(fēng)量Fig.5 Absolute gas emission and air volume of A507 coal mining face

3 結(jié) 論

（1）A5 煤層瓦斯氣體組成中CO2小于10%、N2介于20%～ 80%、CH4介于20%～ 80%，A5 煤層瓦斯分帶屬于N2-CH4帶。

（2）研究區(qū)域內(nèi)A5 煤層最大相對瓦斯壓力0.62 MPa，最大原始瓦斯含量2.72 m3/t，最大可解吸瓦斯含量2.28 m3/t。

（3）區(qū)域內(nèi)瓦斯賦存不穩(wěn)定、差異較大，存在局部異常區(qū)，工作面絕對瓦斯涌出量及上隅角瓦斯?jié)舛日w上呈現(xiàn)出隨產(chǎn)量增加而增大的規(guī)律，工作面絕對瓦斯涌出量5 m3/min 對應(yīng)的班產(chǎn)量約為600 t，產(chǎn)量越大上隅角瓦斯?jié)舛确植技s發(fā)散，越不易控制。

（4）回風(fēng)流瓦斯?jié)舛入S班產(chǎn)量從300 t 左右提升至600 t 左右時增加幅度較大，但從600 t 左右提升到900 t 左右時增加不明顯。工作面絕對瓦斯涌出量差別很大，但風(fēng)量對其不構(gòu)成影響。