杉林井瓦斯参数测定及瓦斯赋存规律分析

陈 宝

（1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2.江西省煤炭工业科学研究所，江西 南昌 330029）

矿井随着埋深的增加，不仅因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差，而且瓦斯向地表运移的距离也增加，二者都有利于封存瓦斯，煤层瓦斯基本参数也将随之改变，为了在瓦斯综合治理工作中避免盲目性，做到有效、可靠和有预见性，更好地指导矿井安全生产，需要对煤层瓦斯基础参数进行测定和瓦斯赋存规律相关因素进行分析。

1 矿井简介

江西省八景煤矿杉林井属国有企业，为煤与瓦斯突出矿井，隶属江西省煤炭集团公司新余矿业公司，1985年10月建井，1992年12月投产，设计生产能力210kt／a，核定生产能力90kt／a，矿井面积7.1189km2，开采深度由-100m～-500m 标高，开采B4煤层，倾角8°～25°。采用斜井、立井多水平联合开拓，一、二、三水平标高分别为-185m、-320m、-450m，其中一、二水平已开采完毕，现生产水平为三水平，回风水平-320m。矿井自1988年3月29日发生第一次煤与瓦斯突出以来，至今共发生突出12次，累计突出煤量1910t，最大突出强度430t，平均147 t，始突深度185m。B4煤层的自燃倾向性等级为自燃，煤尘有爆炸危险性。

2 煤层瓦斯参数测定

2.1 试验地点的确定

根据杉林井目前生产水平的采掘工作面布置情况进行煤层瓦斯参数的测定，选定的具体测定地点为3111措施巷（测定瓦斯含量、瓦斯压力、透气性系数）和2112机巷（测定瓦斯含量）。

2.2 煤层瓦斯含量测定

根据杉林井现有条件，采用直接法对煤层的原始瓦斯含量进行测定，在3111措施巷和2112机巷，共采集2个煤样进行瓦斯含量测定。

通过对井下自然解吸瓦斯含量（X1）、损失瓦斯量（X2）（采用法）、残存瓦斯含量（粉碎前自然瓦斯解吸量X3和粉碎后自然瓦斯解吸量X4）（采用常压自然解吸法）和常压不可解吸瓦斯量（X5）计算，得到各阶段的煤样瓦斯含量结果见表1。由于3111措施巷和2112机巷煤样性质相同，煤样工业分析与吸附常数测定试验数据取同一数据。通过称重，3111措施巷煤样干燥无灰基总重量为359.57g；二次煤样干燥无灰基重量为87.7g；2112机巷煤样干燥无灰基总重量为368.34g；二次煤样干燥无灰基重量为87.7 g。

表1 标准状态下的各阶段瓦斯含量

将以上计算结果累加，3111 措施巷煤样瓦斯含量为9.95cm3／g；2112机巷煤样瓦斯含量为8.51cm3／g。

2.3 煤层瓦斯压力测定

根据煤层原始瓦斯压力直接测定方法，按测压时是否向测压孔内注入补偿气体分主动测压法和被动测压法。测压装置包括测压管（Φ12 mm 无缝钢管）、管接头、注浆管、压力表等，注浆设备为注浆泵，同一测压地点以最高瓦斯压力测定值作为测定结果，具体直接测压注浆封孔示意（见图1），本次测定采用被动测压法。

结合杉林井目前的生产布局可知，符合测压要求可以布置钻孔的地点非常有限。根据开采现状和测压要求，项目组经过比较分析确定测压钻孔布置在3111措施巷进行煤层原始瓦斯压力测定工作。2010年8月8日～11日进行钻孔施工，2010年8月11日进行了封孔，8月13日装好了压力表，其测定结果曲线见图2。

图1 注浆封孔示意

图2 3111措施巷瓦斯压力测定结果曲线

分析实测压力先快速上升→缓慢上升→突然下降的主要原因，是由于测定使用的测压管为普通铁管，没有采用无缝钢管，由图可知，8月19日开始出现少量漏气，相对压力上升至1.40 MPa时漏气明显，致使表压不能反映实际瓦斯压力。

根据现场测压经验，煤层瓦斯压力曲线一般呈现：快速上升→缓慢上升→趋于平衡。因此本次测定工作采用了拟合趋势线对瓦斯压力大小进行拟合，由拟合趋势线得到杉林井（-370m）瓦斯绝对压力为1.70 MPa。

2.4 煤层透气性系数测定

煤层透气性就是煤层对于瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数（λ）表示，它是衡量煤层中瓦斯流动难易程度的重要指标，是评价煤层瓦斯能否实行预抽的基本参数。

本文根据瓦斯压力增长曲线来测定煤层透气性系数。这一方法是以径向稳定流动为基础，其具体做法是：垂直煤层打一钻孔，穿过煤层，按照一般方法堵孔测压（最好堵到煤岩交界处）。当钻孔中压力达到最大值P0时，取下压力表（或打开阀门），使瓦斯压力下降到1个大气压，而后再拧上压力表使压力重新上升，并记录下每次改变0.5个大气压时瓦斯压力的增长时间，画出第二次的瓦斯压力增长曲线。最后利用下面公式计算出煤层透气性系数。

式中：λ为煤层透气性系数，m2／大气压.d；γ0为钻孔半径，m；P0为煤层原始瓦斯压力，大气压；t为瓦斯压力上升到0.1P0、0.2P0、0.3P0、0.4P0、0.5P0、0.6P0、0.7P0、0.8P0、0.9P0的时间、日。

根据井下实测数据，采用上述方法计算得到的杉林井B4煤层透气性系数，并进行单位换算，具体见表2。

表2 B4煤层透气性系数测算结果

2.5 煤的工业分析

按《煤的工业分析方法》（GB／T212-2008）等相关标准所规定的方法测定煤的空气干燥基灰分Aad为11.32%，空气干燥基水分Mad为0.98%，干燥无灰基挥发分Vdaf为16.59%，真相对密度TRDd为1.45%，视相对密度ARDad（记为γ）为1.31%、煤的孔隙率π为0.097（取样地点为3111措施巷测压钻孔）。

2.6 煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度△P、瓦斯吸附常数测定

煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度△P、瓦斯吸附常数测定结果具体见表3（取样地点为3111措施巷测压钻孔）。

表3 B4煤层主要实验数据汇总

3 瓦斯赋存规律相关因素分析

1）煤系地层、煤层顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

该矿区煤层的埋藏深度较深，不利于瓦斯的排放，含煤地层为二迭系上统乐平组，一般厚度为350m，为一套过渡相为主的海陆交互相岩系。

B4煤层位于老山下亚段中下部，伪顶、伪底为薄层状、鳞片状炭质泥岩，直接顶为深灰色薄层状泥质粉砂岩，厚5～10m；老顶为灰色、深灰色细砂岩、粉砂岩互层；直接底为褐灰色团块状泥岩；老底为灰色粉砂岩、灰色厚层状细砂岩。矿区地层、煤层顶底板大多以泥岩、粘土岩、粉砂岩等透气性差的岩层组成，煤层与围岩的透气性较差，易于形成高瓦斯压力，因此该矿区瓦斯含量相对较大。

2）地质构造对瓦斯赋存的影响

杉林井地处杉林勘探区蛟溪背斜轴部、F5隐伏逆断层上盘，东边界接近F5隐伏逆断层上盘，煤岩层变陡、直立、局部倒转部位。矿井煤岩层总体为一走向NNE 倾向SEE、倾角平缓（除接近F5隐伏逆断层上盘断煤交线处实测44°外，一般都是13°左右）的单斜构造，在后期构造变动过程中，煤层沉积的原始结构遭受破坏、变形，一些泥岩、炭质泥岩及部分细粉砂岩进入煤层内，形如夹矸。在形成断层、褶曲的同时，形成一些区域性的或局部的应力集中带，应力集中影响瓦斯的富集：首先，应力造成煤体发生动力变质效应，导致瓦斯增生和局部瓦斯富集（如峨七井、峨六井北翼就是这种性质）；其次，构造应力还破坏煤体原生结构，形成低硬度的构造煤包或较大范围的厚煤带（如F5上盘）。在同等的逸散条件下，煤厚增加，会形成滞留性局部瓦斯富集，许多突出都发生在煤层增厚处。

断层的性质、大小、数量成为该区控制瓦斯富集分区的通道性因素，-185m 东二采区小断层密度大，瓦斯逸散条件好，地应力释放较彻底，没有发生过突出，预测指标也很小。

3）煤层厚度及其变化对瓦斯赋存的影响

B4煤层在该矿范围内赋存较稳定，厚度普遍较大，煤层厚0～8.2m，平均1.5m 左右，煤层倾角15°左右。矿井处在特定的煤层“塑流”聚集变厚区，该矿井内煤层厚度大。

由于原始沉积条件较差，加之后期构造的作用，煤层厚度变化较大，煤厚的变化有利于瓦斯的富集。煤层厚度大，储集的瓦斯越大，煤层的瓦斯含量也愈高。

4）煤体结构的影响

B4煤层结构简单，属于单一煤层结构，破坏类型以Ⅳ类为主，Ⅲ类次之。由于构造煤的存在，使煤层中存在大量的微孔隙，有利于瓦斯的赋存。

以上分析表明，地质构造不仅控制着该矿区B4煤层的赋存规律，而且控制着B4煤层的瓦斯分布规律，矿区含煤地层含煤性、煤层厚度、煤层结构、顶底板岩性特征对瓦斯赋存有一定的影响。

4 结语

从矿井瓦斯参数测定及赋存规律相关因素分析可以看出：

1）杉林井-370m 标高B4煤层瓦斯含量为8.51～9.95m3／t，煤层瓦斯绝对压力为1.70 MPa，透气性系数λ为2.48×10-4m2／MPa2.d。

2）根据有关标准，该矿B4煤层在未卸压原始状态下属于瓦斯较难抽采煤层。

3）矿井瓦斯赋存不均，局部地段瓦斯含量和涌出量较大，有些地段瓦斯很小，煤层瓦斯赋存由浅至深有逐渐增加的趋势，且存在局部瓦斯富集区，富集区位置受构造控制。

4）煤与瓦斯突出与煤层厚度变化密切相关，大部分突出发生在煤层变厚处或煤包部位。

5）通过瓦斯参数测定，可以确定煤层的瓦斯压力、瓦斯含量、煤的相关物理性质以及煤吸附瓦斯的一些特性，从而为防突措施的制定、瓦斯综合治理方案的确定，以及为瓦斯抽采和综合利用提供依据和基础。

〔1〕国家安监总局、国家煤监局.煤矿安全规程〔M〕.北京：煤炭工业出版社，2011.

〔2〕AQ1066-2008，煤层瓦斯含量井下直接测定方法〔S〕.

〔3〕AQ／T1047-2007，煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法〔S〕.

〔4〕AQ1027-2006，煤矿瓦斯抽放规范〔S〕.

〔5〕俞启香.矿井瓦斯防治〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，1992.