强矿压综放工作面瓦斯参数合理确定及涌出规律研究

2015-12-01史春德

中国科技纵横 2015年7期

关键词：华亭矿压透气性

史春德

(华亭煤业集团有限责任公司华亭煤矿,甘肃华亭 744100)

强矿压综放工作面瓦斯参数合理确定及涌出规律研究

史春德

(华亭煤业集团有限责任公司华亭煤矿,甘肃华亭 744100)

通过开采工作面可采煤层的基础数据,采用直接法、间接法、现场测定、实验室分析相结合合理的方法,计算得出特厚煤层综放工作面的瓦斯参数,通过对测的瓦斯参数基础数据的分析,确定了工作面可采煤层瓦斯抽放的可行性。通过对开采工作面正常回采和强矿压条件下的瓦斯涌出量进行统计、对比分析,并对强矿压条件下工作面瓦斯涌出规律做了研究,得出了强矿压条件下瓦斯涌出的一般规律,为矿井瓦斯抽放的可行性奠定了基础,为矿井今后瓦斯治理提供了理论依据,为矿井的安全高效生产提供了有力保障。

强矿压综放瓦斯煤矿安全

华亭煤矿为一井一面开采，走向长度2600m左右，倾向长度200m，核定生产能力400万吨/年。工作面倾斜布置，俯斜开采，采煤方法为走向长壁倾斜分层综采放顶煤。井田构造简单，可采煤层为煤5层，煤层倾角一般为0°-8°，为特厚煤层，厚度变化于17.58m-48.01m，平均厚37.505m。

华亭煤矿矿井瓦斯等级鉴定，绝对瓦斯涌出量11.57m3/min，相对瓦斯涌出量1.39m3/t;相对涌出量0.70m3/t。属于低瓦斯矿井，Ⅰ类易自燃煤层。在生产过程中，强矿压显现频繁，其中最严重的强矿压曾使工作面下隅角前运输顺槽200多米巷道严重变形，瓦斯涌出量达32m3/min。

1 煤5层瓦斯参数测定

1.1 煤层瓦斯含量测定

根据华亭煤矿煤5层矿井目前的生产及巷道布置情况，测定方法采用直接法测定煤层瓦斯含量。根据煤样损失瓦斯量、解吸瓦斯量及残存瓦斯量和煤中可燃质重量，即可求出煤样的瓦斯含量:

根据华亭煤矿煤5层目前的生产及巷道布置情况，参照测定煤层瓦斯含量地点的要求，确定3个煤层瓦斯含量测定钻孔地点，表1所示。

表1 华亭煤矿煤5层瓦斯含量测点选择汇总表

直接法测得的煤层瓦斯含量由解吸仪测得的解吸量、煤样从开始暴露到装罐时间的损失量、实验室测得的残余量三部分组成。

实验室测定的煤样残余瓦斯量及煤样工业分析指标详见表2所示。

根据井下现场测试结果，煤样最初几分钟瓦斯解吸量与解吸时间的关系，得到各组煤样最初几分钟的瓦斯解吸速度曲线，经过线性回归分析，得出各测点煤样在瓦斯解吸最初几分钟瓦斯解吸量与解吸时间的关系，即煤样从开始暴露到装罐时间的瓦斯解吸损失量的拟合计算公式可得出各煤样从开始暴露到装罐时间的瓦斯解吸损失量，见表3。

从测量结果可以看出，华亭煤矿煤5层瓦斯含量为1.63～2.27 m3/t。

1.2 煤5层瓦斯压力测定

表2 华亭煤矿各煤样残余瓦斯量测定及煤样工业分析结果

表3 华亭煤矿煤5层瓦斯含量测定结果

(1)根据华亭煤矿目前的生产及巷道布置情况，主要采用间接测定法确定煤层瓦斯压力，而实际进行的测定方案中采用了直接测定法[1-2]，直接测压孔共3个，分别选在煤5层250102工作面回风顺槽1500m处(1号取样孔)、250103运输顺槽600～800m处(2号取样孔)、2501采区胶运大巷1号材料到下山口(3号取样孔)，每个直接测压孔钻入煤体后分3段选取新煤样，各采样点采样深度及其煤层赋存情况如表4所示。

直接法测定的瓦斯压力见表5。

(2)实验室测定。实验室测定采用高压容量吸附实验法，实验室设备为WY-98A吸附常数测定仪。华亭煤矿各工作面所采煤5层孔隙率最大24.05%，最小8.5%，平均孔隙率为18.20%，其煤的极限瓦斯吸附常数a值最大为33.159m3/t，最小为27.885m3/t，平均a= 32.341m3/t;b值最大为2.330MPa-1，最小1.008MPa-1，平均b=1.453MPa-1。

因此，通过瓦斯压力的测定，华亭煤矿煤5层瓦斯压力最大为0.204MPa，最小为0.129Mpa，即华亭煤矿煤5层瓦斯压力变化范围为0.129～0.204MPa。

1.3 煤层透气性系数的测定[3]

华亭煤矿煤5层煤层透气性系数的测定是在直接法瓦斯压力的测定之后进行，即利用直接法测压的1、2、3号钻孔在测定瓦斯压力后再直接进行煤5层煤层透气性系数的测定工作。测量计算出的透气性系数是华亭煤矿煤5层流动场煤层透气性系数的平均值。其具体测算步骤和程序如下:

表4 华亭煤矿煤5层瓦斯压力测定地点选择汇总表

表5 直接法瓦斯压力法测定结果

表6 钻孔瓦斯流量测定结果

表7 不同风量下的通风、瓦斯情况统计表

(1)卸压测定钻孔瓦斯流量。打开卸压阀门，卸除瓦斯压力，记下卸压时间，开始排放瓦斯。测定钻孔瓦斯流量的时间，是在卸压1d后进行。测定中，经过8d后，其读数基本稳定无变化，因此可认为这个读数即为所测钻孔的瓦斯流量。表6即为各钻孔卸压表测得的钻孔瓦斯流量。

(2)确定煤层瓦斯含量系数。

煤层瓦斯含量系数按式(4)，通过间接测定法得出。

式中:W—煤层瓦斯含量，通过实测华亭煤矿煤5层煤层平均瓦斯含量为2.04m3/t;

P—煤层瓦斯压力，本次实测华亭煤矿煤5层最大瓦斯压力为0.204MPa。

(3)透气性系数的计算。

煤层透气性系数根据下列公式进行计算:根据测算，华亭煤矿煤5层的煤层透气性系数为1.672m2/ (MPa2·d)。

1.4 钻孔瓦斯流量衰减系数

钻孔瓦斯流量随着时间延续呈衰减变化关系的系数(a)，可作为评估开采层预抽瓦斯难易程度的一个指标。

测算方法:3＃钻孔测压后，打开卸压阀门，卸除瓦斯压力，开始排放瓦斯。首先测量其初始瓦斯流量0q，经过时间t后，再测量其瓦斯流量tq，然后按下式计算钻孔瓦斯流量衰减系数。

式中:a——钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d-1;

q0——折合成100m钻孔自然初始瓦斯涌出量，m3/min·hm;

qt——经t时间下折合100m钻孔自然瓦斯涌出量，m3/min· hm;

t——钻孔自然涌出瓦斯时间，d。

3＃钻孔卸压排放瓦斯经过8天后，其钻孔瓦斯流量基本稳定无变化，因此，本报告取钻孔自然涌出瓦斯时间t=8，据此测算，华亭煤矿5煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0126d-1。

表8 工作面11月初有关地点瓦斯含量

表9 工作面3月初有关地点瓦斯含量

综上所述，华亭煤矿煤5层的瓦斯含量为1.63m3/t～2.27m3/t，平均瓦斯含量2.25m3/t;瓦斯压力变化范围为0.129MPa～0.204MPa，煤5层实测最大瓦斯压力为0.204MPa;实测钻孔瓦斯流量为3.08m3/d～3.63m3/d;钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0126d-1;煤层透气性系数:0.1672m2/(MPa2·d)。

2 工作面瓦斯涌出量统计

对矿井历史上的瓦斯涌出量进行现了统计和分析，其结果如下:

缓倾斜长综放面250101工作面初采时瓦斯涌出量见表7，250101工作面中期推进200m多m后瓦斯涌出量急剧增加表8，强矿压显现250102综放面瓦斯涌出量表9。

3 工作面瓦斯涌出量分析

工作面回采中期和初期瓦斯涌出量对比为:工作面在2006年11月初瓦斯急剧增加，上隅角瓦斯浓度平均比回采初期上隅角瓦斯浓度要高0.5～1个百分点，使工作面经常停产处理瓦斯;工作面绝对瓦斯涌出量达到了12.5m3/min～19.6m3/min，比回采初期增加了近10倍。在工作面回采中期虽仍然属于低瓦斯工作面，但局部瓦斯的积聚影响工作面的生产。

矿井回采250102工作面期间，由于工作面强矿压显现频繁，当工作面强矿压来临时，采空区、下分层原始煤层、工作面前方煤层和巷道高顶及煤柱瓦斯大量涌出，使工作面瓦斯比正常涌出增加1倍多，工作面最大绝对瓦斯涌出量达到了32m3/min，无论是工作面回风流，还是工作面上隅角的瓦斯浓度均比平常高1倍多。矿井从深部缓倾倾斜初采，到深部缓倾斜回采，再到深部缓倾斜强矿压回采，其工作面绝对瓦斯涌出量呈几何级上升(图1)，对工作面的安全造成了严重威胁。

4 影响华亭煤矿瓦斯涌出量增大的主要原因

瓦斯涌出量变化受多因素影响[4-8]，主要表现在以下几个方面:

(1)煤层埋藏深度的影响。一般而言，煤层瓦斯含量及其压力是随着煤层埋藏的深度增加而增加，这是瓦斯规律挮度法预测的立足点。250101工作面煤层埋藏深度为700m，这个深度在国内开采工作面煤层中也属较深的，所以煤层瓦斯含量必然增加。

图1 矿井不同开采时期工作面绝对瓦斯涌出量变化

表10 煤层瓦斯抽放难易程度表

(2)煤层厚度及其结构的影响。煤层是含煤岩系中具有较多各类空隙的有机岩层，对瓦斯有较强的吸附能力，并且吸附能力随着煤化程度的加深而呈进规律性的增加。250101工作面开采煤层厚度达到40m，属于特厚煤层，因此瓦斯含量有所增加。

(3)煤质的影响。煤质是影响煤的产气量及吸附性能的重要方面。一般煤的灰份越小，对瓦斯的吸附能力较强，越有利于瓦斯的吸附和保存。250101工作面所采的长焰煤灰份较少，对瓦斯的吸咐能力较强，我国东北地区的辽宁省阜新、铁法[9]，吉林省的羊草沟，河南省的义马等局回采长焰煤，均属高瓦斯矿井。

(4)煤层的赋存状态。华亭煤矿煤层的赋存呈锅底状况，使瓦斯容易在煤层中积聚，因而使煤层中瓦斯含量增加。

(5)开采强度大。综放面长度为200m、采、放煤层厚度为18.6m，为超长综放面，综放面开采强度达到了日产13600t/d，虽然煤层瓦斯含量不太大，但由于产量大、工作面长，积少成多，特别容易在上隅角积聚瓦斯。瓦斯涌出分为普通涌出和异常涌出。工作面落煤的破碎程度及瓦斯发散初速度指标越大，初期涌出量也就越大。250101工作面在采煤机割煤时由于煤较碎，所以瓦斯涌出量较大，产量越高，瓦斯涌出越大。

(6)采空区温度较高。华亭煤矿综放面温度较高，一般为28℃，由此推断综放面采空区温度高于30℃，采空区温度过高，使气体易于澎涨，采空区瓦斯容易涌入到工作面。

(7)综放面为上分层工作面。综放面所采煤层的总厚度为36m，250102综放面为上分层综放面，相当于开采解放层，因此开采中瓦斯涌出较大。

(8)综放面强矿压显现频繁。250102综放面强矿压显现频繁，采空区空间大，压力大，在开采时经常能听到煤炮声，使采空区瓦斯容易涌出到工作面，特别是当下分层原始煤层受大的动压影响后，会产生裂隙，大量的瓦斯能从煤层中涌入上分层采空区，使采空区瓦斯含量增大。

5 华亭煤矿综采面强矿压发生时瓦斯涌出规律及危害

华亭煤矿煤5层虽然瓦斯含量较低，但是由于工作面为特大型工作面，瓦斯积少成多，工作面局部地方瓦斯涌出较高，工作面绝对瓦斯涌出量一般为19m3/min，当工作面强矿显现时，工作面绝对瓦斯涌出量增大到32m3/min，其瓦斯涌出的特点为:①强矿压造成采空区下分层煤体松动，大量瓦斯从下分层煤体裂隙涌出，再加上采空区内窒息带的瓦斯也被强矿压压出，使采空区瓦斯大量涌出，工作面风流中瓦斯浓度增加2～3个百分点;②工作面上隅角瓦斯瞬间急剧增加，若治理措施不到位，上隅角瓦斯浓度易出现超限状态;③强矿压形成的巷道高冒区瓦斯浓度上升很快，给安全生产造成了较大隐患;④当强矿压造成工作面回风顺槽巷道变形后，巷道内风流中瓦斯会严重超限，而由于巷道风阻的增大，又使巷道风量不能有效地增加，使回风顺槽的瓦斯浓度不易降低，给维修巷道工作造成安全隐患，严重的影响了工作面的安全生产。综放面回采易自燃发火特厚煤层，强矿压造成工作面停止推进或推进度变慢后，工作面易自发火，使工作面瓦斯与火灾共存，给工作面造成了巨大的安全隐患。

6 煤5层瓦斯抽放可行性及必要性分析

瓦斯抽放的可行性应以是否能抽出瓦斯或能否获得较好地抽放效果来评价。而抽放方式则应根据煤层的赋存和开采条件来选择。

开采层瓦斯抽放的可行性是指在原始透气性条件进行预抽的可能性。最常用的用来衡量煤层瓦斯抽放难易程度的指标是煤层透气性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数。《矿井瓦斯抽放管理规范》中对瓦斯抽放的难易程度划分为三类[10]，详见表10所示。

根据测算结果，华亭煤矿煤5层的煤层透气性系数为0.1672m2/ (MPa2·d)，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0126d-1。结合表11可以看出，华亭煤矿煤5层的煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数均显示煤5层瓦斯属于可以抽放类别，即对煤5层瓦斯进行抽放是可行的。

此外，华亭煤矿随着煤层瓦斯含量的增大，瓦斯涌出异常，掘进面和采煤面瓦斯超限现象必将时有发生。对煤5层进行瓦斯预抽不仅可以有效降低煤5层的瓦斯含量，减小工作面的瓦斯涌出量，节省通风电力费用，而且还可以解决局部瓦斯超限问题。因此，对煤5层开展瓦斯抽放工作也是非常必要的。

7 结语

(1)实际检测表明，华亭煤矿煤5层瓦斯含量为1.63～2.27m3/ t，开采区域内煤5层的平均瓦斯含量为2.25m3/t。

(2)华亭煤矿煤5层，煤层孔隙率最大24.05%，最小8.5%，平均孔隙率为18.20%，其煤的极限瓦斯吸附常数a值最大为33.159m3/t，最小为27.885m3/t，平均a=32.341m3/t;b值最大为2.330MPa-1，最小1.008MPa-1，平均b=1.453MPa-1。

(3)华亭煤矿煤5层瓦斯压力变化范围为0.129～0.204MPa，其煤层瓦斯最大压力为0.204MPa，最小为0.129Mpa;实测钻孔瓦斯流量为3.08m3/d～3.63m3/d;钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0126d-1;煤层透气性系数为0.1672m2/(MPa2·d)。

(4)根据现场所测瓦斯涌出量资料，通过对比分析发现，华亭煤矿煤5层，矿井(或回采工作面)的相对瓦斯瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量存在有明显的线性关系，其线性系数变化范围为0.40～0.55，其中，回采工作面相对瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量的线性系数变化范围为0.40～0.51;矿井相对瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量的线性系数变化范围为0.48～0.55。

(5)综放工作面在强矿压条件下与正常回采时煤层瓦斯涌出规律不同。瓦斯涌出量瞬间增大，并伴有发火隐患。

(6)对华亭煤矿煤5层的煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数的测定结果均表明煤5层瓦斯属于可以抽放类别，即对煤5层瓦斯进行抽放是可行的。

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