贺西矿高瓦斯综采工作面瓦斯参数测定①

胡斌刘海忠张景钢寇德瑞

(1.西山煤电集团镇城底矿，山西太原 030203;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601;3.甘肃靖远煤业集团公司大水头煤矿，甘肃白银 730913)

贺西矿高瓦斯综采工作面瓦斯参数测定①

胡斌1②刘海忠1张景钢2寇德瑞3

(1.西山煤电集团镇城底矿，山西太原 030203;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601;3.甘肃靖远煤业集团公司大水头煤矿，甘肃白银 730913)

对贺西矿高瓦斯综采工作面煤层瓦斯基础参数测定过程，测定方法和计算方法进行阐述，并确定贺西矿3#煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数、钻孔瓦斯衰减系数等参数，这些基础数据是煤矿进行防治瓦斯和防突工作的重要依据。

煤层瓦斯压力;参数测定;瓦斯基础参数。

0 引言

贺西煤矿位于山西省柳林县境内东南方向。井田位于河东煤田离柳矿区青东城勘探区内。井用东西走向长约1.7～4.2km，南北倾斜宽2.4～4.6km。井田面积约15.83km2。该矿为高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量为101.97m3/min，相对瓦斯涌出量为25.95m3/t。瓦斯涌出量大一直是矿井开采的显著特点。随着开采深度的增加，开采规模的扩大，瓦斯涌出量也逐年增加。综采工作面瓦斯的涌出几乎全部来自采过的煤层。由于上下邻近煤层的裂隙与大片采空区联通，从邻近煤层涌出大量瓦斯。同时由于综采面采高大、工作面倾向和走向长度大，因而采空区面积大，常造成回风流和局部瓦斯(尤其是上隅角)超限，对安全生产构成了极大威胁。

煤层瓦斯基础参数包括瓦斯压力及瓦斯含量、煤层透气性系数、钻孔自然瓦斯流量和衰减系数等指标。煤层瓦斯基础参数是矿井采取何种瓦斯治理方式的基本依据，通过对主采煤层瓦斯基础参数的分析研究，可以为主采煤层工作面瓦斯综合治理提供针对性较强的措施，对确保安全生产，实现高产、高效、高安全的目标，具有重大的经济、社会效益和深远的现实意义。

1 3303综采工作面的情况分析

根据该矿矿山压力与瓦斯状态试验表明，在3#煤层布置工作面时，对于150～200m长的工作面，岩层应力释放范围由工作面上邻近层向下延伸至采空区，4#煤层和3#至4#煤层之间的岩层瓦斯向上方工作面采空区释放。应力释放的结果使开采煤层的工作面有大量的邻近层瓦斯涌向采空区，这就大大增加了回风流的瓦斯浓度。

1.1 位置及煤层赋存情况

3303 工作面位于贺西煤矿三采区，东北为330l工作面实体煤，西北为金家庄井田，南为3305回采工作面已采空。地面地形复杂，地表切割剧烈，地貌类型属梁状黄土丘陵。3303工作面开采系山西组之3#煤层，为低灰、低硫主焦煤，容重为1.39t/m3。煤厚1.45～2.0m，平均厚度1.76m。工作面煤层倾角2°～8°，平均倾角5°，煤层结构简单，稳定可采。3303工作面地质构造比较简单，基本上是一单斜构造。

1.2 通风、瓦斯情况

3303 工作面采用“两进一回”通风方式，其材料巷、运输巷为进风，尾巷为回风。从3303工作面运输巷、材料巷和尾巷掘进时瓦斯涌出情况看，瓦斯绝对涌出量：3303尾巷为3.1m3/ min，3303材料巷2.8m3/min，3303运输巷2.7m3/min，工作面切眼2.5m3/min，瓦斯涌出无异常现象。3303工作面瓦斯的主要来源为本煤层、邻近层及围岩。

表1 工作面围岩瓦斯涌出实测情况

2 瓦斯参数测定

2.1 测定方案

(1)在所选定的巷道中通过测压钻孔现场实测煤层的原始瓦斯压力、钻孔瓦斯自然流量及钻孔瓦斯涌出衰减系数;(2)在实验室对煤样进行工业分析，测定瓦斯吸附常数;(3)在现场及实验室测定的基础上，通过分析、计算，确定煤层的瓦斯含量及煤层透气性系数。

2.2 瓦斯压力测定

煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯气体的压力，即气体作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量的一个主要因素，当煤的吸附能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤中所含的瓦斯量也就越大。

2.2.1 测定方法

1)选择未受采动影响或影响较小的并且区域中历史瓦斯压力显现比较大新鲜煤巷掘进工作面中进行。

2)现场测定煤层瓦斯压力，实验室测定煤的吸附常数a、b值。施工两个平行测压钻孔，钻孔间距间隔3～8m，孔深分别为12m，φ42(成孔直径46～50左右)。要求钻孔平直，钻孔倾角3°～10°，采用测压仪测试。打钻过程中取钻孔煤样送实验室测定a、b值、分析化验气样成分及相关煤结构特征参数。

3)观察钻孔瓦斯排放量和瓦斯压力。(1)封孔完成后，测试15min钻孔瓦斯自然排放量，然后安装压力表，观察压力变化。(2)给1号钻孔的瓦斯室进行快速补气升压，2号钻孔的瓦斯室保持自然升压，当两个钻孔瓦斯压力稳定超过24小时，瓦斯压力测定完成。(3)将补偿气体N2通过测压三通阀注入钻孔，注气压力应略高于预计的煤层瓦斯压力。(4)观测记录钻孔的压力值，直到观测值基本稳定。

2.2.2 测压钻孔布置

根据3303回采工作面的特点，煤层瓦斯压力测定选在3303尾巷内进行。共布置2个钻孔对煤层的瓦斯基本参数进行测定，钻孔编号分别为1#和2#。钻孔布置如图1所示，钻孔参数见表1。

图1 测压钻孔布置图

表1 煤层瓦斯压力测定一览表

2.3 百米钻孔瓦斯流量

首先测定煤层钻孔瓦斯流量。测定方法为：利用煤层的瓦斯压力测定钻孔，在测压完毕后卸下压力表，接上流量计测定钻孔的自然瓦斯流量及其随时间的变化。根据测定结果的初始瓦斯流量和钻孔的煤孔长度确定百米钻孔瓦斯流量，根据瓦斯流量的变化确定钻孔的瓦斯涌出衰减系数。钻孔瓦斯流量的测定用煤气表或浮子流量计。对于小流量的钻孔使用浮子流量计，大流量的钻孔则使用煤气表。

煤层百米钻孔瓦斯流量的测定结果如表2所示。从表中可以看出，矿井测定范围内2个瓦斯测定钻孔中，百米钻孔初始瓦斯流量为0.111317～0.661765m3/min·hm。

表2 煤层瓦斯涌出测定一览表

2.4 钻孔瓦斯流量衰减系数

钻孔瓦斯流量衰减系数根据钻孔的瓦斯流量变化按如下公式确定：

qt=q0·e－at(1)

式中：qt—经过t时间后的钻孔瓦斯流量，m3/min; q0—钻孔初始瓦斯流量，m3/min;t—时间，d;a—钻孔瓦斯流量衰减系数，d－1。其结果见表3。

2.5 钻孔瓦斯流量及衰减系数测定结果评价

钻孔瓦斯流量测定方法利用煤层瓦斯压力测定钻孔，在测压完毕后卸下压力表，用流量计测定钻孔的自然瓦斯流量及其随时间的变化关系。测定所用的流量计均为法定流量测定工具，其精度满足测定要求，因此可以认为测定结果是准确可靠的。

表3 钻孔瓦斯涌出规律与瓦斯涌出衰减系数

2.6 煤层瓦斯基本参数实验室测定

煤层瓦斯基本参数实验室测定包括煤的工业分析、瓦斯吸附常数、煤的孔隙率、钻孔瓦斯组分及瓦斯解吸特性等参数的测定。煤样分别取自3303尾巷的测压打钻钻孔。2.6.1煤的工业分析及瓦斯吸附常数

对所取煤层的4个煤样进行了煤的工业分析及瓦斯吸附常数的测定，测定结果见表4。从表4可以看出，所取煤样的a、b值较大，煤层对瓦斯的吸附能力很强。

表4 煤层工业分析及瓦斯吸附试验测定表

2.6.2 孔隙率

煤中孔隙分为微孔、小孔、中孔及大孔，小孔以上的体积称为渗透容积，微孔容积称为吸附容积，两者之和为总孔隙容积。孔隙率是指煤中总空隙体积占相应煤的体积的百分比，是决定煤对瓦斯的渗透、吸附性能的重要因素。如表3.4所示3303工作面煤的孔隙率为7.4%～8.5%。

2.6.3 煤层瓦斯含量

煤层瓦斯含量是指每吨煤或每立方米煤体中所含的瓦斯量。采用间接法确定3#煤层的瓦斯含量，其中吸附瓦斯量的多少，决定于煤对瓦斯的吸附能力和瓦斯压力、温度等条件，可根据朗缪尔方程确定;游离瓦斯由煤的孔隙率及煤层瓦斯压力决定。

煤层瓦斯含量的计算公式为：

式中：W—煤层瓦斯含量，m3/t;a、b—吸附常数;P—煤层绝对瓦斯压力，MPa;Ad—煤的灰分，%; Mad—煤的水分，%;fn—煤的孔隙率，m3/m3;r—煤的视密度，t/m3。将表3中的数据以及相应的绝对瓦斯压力代入(2)式计算，其结果见表3.5。

表5 煤层瓦斯含量计算结果表

2.6.3 煤层的透气性系数

煤层透气性是煤层对于瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数表示。煤层透气性系数代表着煤层瓦斯流动的难易程度。透气性系数越大，瓦斯在煤层中流动越容易。本次测定是采用井下直接测定煤层透气性系数法。其计算基础是径向不稳定流动理论。在煤层的瓦斯压力测定完成后，卸掉压力表，测定钻孔瓦斯自然涌出量，根据煤层径向流动理论，结合瓦斯的原始压力、煤层瓦斯含量确定其透气性系数。计算公式为：

表6 F，λ对照表

式中：P—测压钻孔绝对瓦斯压力，MPa;P0—测流量时钻孔内的绝对瓦斯压力，通常取0.1MPa;q—在排放时间T时钻孔的煤层单位暴露面积上的瓦斯流量，m3/m2·d，q=Q/(2πrl);Q—T时刻瓦斯流量，m3/d;L—钻孔测量段煤孔长度，m;r—钻孔半径，m;T—钻孔开始发生瓦斯流动到测流量时的总时间，d;a—瓦斯含量系数，W=aP1/2，m3/ m3，MPa1/2;λ—透气性系数，m2/MPa2·d。

计算过程为：先计算A、B，然后选择一F值，根据其相应公式计算λ，最后根据λ、B计算F。若F值在原定范围内，则λ为其计算的透气性系数，否则重新进行计算。煤层透气性系数的计算结果如表2所示。

3 结论

瓦斯基本参数测定的目的是为进行瓦斯防治提供基础数据.通过对贺西矿3303工作面的瓦斯基本参数的现场与实验室测定，得出了工作面的瓦斯基本情况。从这些基本数据可以来分析煤层瓦斯赋存特点和规律性及工作面瓦斯抽放的可行性，得出了以下主要结论：

1)3303 工作面瓦斯压力为1.248－1.232MPa，3303工作面原煤瓦斯含量值为9.41－10.55m3/t。这些参数表明为保证工作安全、顺利的进行，在工作面回采的时候，必须对矿井瓦斯进行治理。

2)利用测算原理得出，3303工作面3号煤层瓦斯透气性系数为0.128995－0.126537m2/MPa2· d;3303工作面煤的孔隙率为7.4～8.5%。钻孔瓦斯衰减系数0.018241－0.023892d－1参数。由此可知，煤的透气系数都小于0.1m2/MPa2·d，所以贺西矿3#煤属于可以抽放煤层。这些参数表明该工作面煤层已经具备了瓦斯抽采的条件，可以采用抽采的方法对瓦斯进行治理。

［1］王大曾．瓦斯地质［M］．北京：煤炭工业出版社，1992

［2］俞启香．矿井瓦斯防治［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1992

［3］陈金玉．唐口煤矿瓦斯基础参数测试及治理方案研究报告［R］．北京安全技术研究所，2006

［4］《煤炭工业标准汇编》编委会．煤炭工业标准汇编煤矿安全卷［S］．北京：中国标准出版社，1999

［5］黄书翔，王坚志，等.瓦斯参数测定及赋存规律研究［J］.煤矿开采，2006，11(5)：61－63，89

［6］黄金，杨胜强，等.石港煤矿15101综放面瓦斯抽采技术优化研究［J］.煤矿技术，2009，28(9)：97－99

Analysis of High Gas Workface Gas Parameters in Hexi Coalmine

HU bin1，LIU haizhong1，ZHANG Jinggang2，KANG huaiyu2
(1.Zhenchengdi mine Xishan Coal Electricity Group Co.，Ltd.Taiyuan Shanxi030203;2.College of Safety Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

For Hexi mine on High Gas Workface basic parameters of gas determination process，determination and calculation methods was described，and determine gas pressure，gas content，coal permeability coefficient，attenuation coefficient of gas drilling parameters of the Hexi Mine 3#coal seam，these basic data are important basis to coal gas and the outburst prevention work，but also for escorting safety production in Hexi coal mine.

gas pressure;parameter determination;basic parameters of gas

TD713

A

1672－7169(2011)01－0001－04

2010－11－26

胡斌(1984－)，男，内蒙古丰镇人，西山煤电集团镇城底矿通风科主管工程师，从事煤矿企业通风安全管理工作。