四棵树二号井瓦斯基本参数测定及涌出分析

刘震

摘要：煤矿瓦斯基本参数对矿井瓦斯治理工作有很大的指导意义。通过间接和直接法对四棵树二号井5#煤层瓦斯参数进行测定，得出分析区内A5煤层瓦斯压力最大值为0.62MPa，A5煤层瓦斯含量最大值为2.72m3/t。煤层瓦斯随着深度的增加而增加。分析区域采掘区域瓦斯涌出在走向上分布不均匀。

Abstract： The basic parameters of coal mine gas have great guiding significance to the work of mine gas control. Through the indirect and direct method to measure the gas parameters of No. 5 coal seam in Sikeshu No. 2 well， the maximum gas pressure of A5 coal seam in the analysis area is 0.62 MPa and the maximum gas content of A5 coal seam is 2.72m3/t. Coal bed gas increases with depth. The uneven distribution of gas emission in the mining area is analyzed.

關键词：瓦斯压力;瓦斯含量;基本参数;瓦斯涌出量

Key words： gas pressure;gas content;basic parameters;gas emission

中图分类号：TD712                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）28-0278-04

0  引言

煤炭作为我国的主体能源，对我国经济的发展起了极其重要的作用。目前，我国煤炭年产量达到30亿t，产量和消费量达到世界总量的40%[1-4]。同时，在煤炭开采过程中，矿井瓦斯问题频繁发生，给矿井的安全高效生产带来了很大影响，并且随着矿井开采深度的增加煤层瓦斯含量呈现出线性增长的趋势，很多浅部为低瓦斯矿井的煤矿转到深部开采后变成高瓦斯矿井，瓦斯成为影响煤矿安全生产的主要因素。因此，该问题是我国煤炭生产过程中亟需解决的关键问题。

1  矿井概况

1.1 分析区域的范围

本次分析区域为四棵树煤炭公司二号斜井A5煤层的未采范围，其范围为：走向上西以A5煤层停采线为界，东以井田边界为界;倾向范围为+1170m～+1130m，距地表深度约300～400m，该范围北部、西部、南部均为采空区（如图1所示）。

1.2 煤层

分析区域所采煤层为A5煤层，该煤层是井田内主采煤层。全层煤厚3.4～5.4m，平均厚度为4.39m，煤层结构简单，为较稳定煤层。区内煤层呈黑色，条痕显黑色～褐黑色，条带状结构，主要为油脂光泽，断口平坦，少数为贝壳状及参差状，易燃，无膨胀发泡现象;煤体破坏类型为III类，碎裂结构。下伏煤层为A4煤层，该煤层为薄～中厚煤层，煤厚0.7～1.8m，平均厚1.28m，与A5煤层的层间距为2.1～36.5m，平均层间距为4.39m。

1.3 顶底板

据地质资料知，二号斜井西、北侧A5煤层工作面回采过程中矿压显现明显，围岩移近量较大，区段煤柱受力变形。其中，A504工作面的顶底板岩层及煤层相关力学参数测试结果为：A5煤层中硬煤层;其顶板岩层为粉砂岩，节理较为发育的复合型顶板;底板岩性为泥质粉砂岩，遇水变得松软易发生底鼓。在较大的水平应力和垂直应力作用下，顶板容易发生屈曲变形和剪切破坏。

1.4 开采现状

目前，矿井掘进工作面2个，分别为A508轨道顺槽和A508运输顺槽，掘进方法为综掘机掘进，皮带运输;其中，A508运输顺槽掘进约300m，A508轨道顺槽掘进约356m。A507综放采煤工作面斜长约为90m，剩余走向长约为308m;其采煤方法为走向长壁后退式综采放顶煤，全部垮落法管理顶板。

2  瓦斯参数测定

瓦斯基本参数通常有瓦斯含量、瓦斯压力、真密度、视密度和空隙率等，充分掌握矿井煤层瓦斯基本参数对瓦斯治理工作有一定的指导意义。本次以现场实测A5煤层瓦斯压力、瓦斯含量及相关瓦斯参数为主，并统计分析采掘工作面瓦斯涌出情况。

2.1 瓦斯压力测定

瓦斯压力采用被动法测压，注浆封孔法进行封孔，封孔材料采用425#水泥及膨胀剂。测压装置包括测压管、管接头、注浆管、压力表等，注浆设备为注浆泵（扬程需要大于50m）。通常采用上向注浆封孔测压，如图2所示。

2014年1～3月，通过对分析区域A5煤层进行了瓦斯压力测定，根据要求[5]，在选择测压孔位置时，避开了断层、地质构造裂隙带、采动、瓦斯抽采及其他人为卸压等影响范围，并保证测压钻孔与上述影响范围间距不小于50m。同一地点设2个测压钻孔，两个钻孔见煤点或者测压气室的距离应大于20m。钻孔布置见图3，测压情况见表1。

井下瓦斯测压5-1钻孔卸压后涌水量达到2m3且其后有水涌出，测压钻孔流出的水量大于钻孔预留气室和测压管管内空间的体积，钻孔中充满水。监测结果显示，5-1钻孔的水样中钠离子毫克当量百分比达90.2%，碳酸氢根离子毫克当量百分比85.7%，水质类型属于Na+-HCO3-，具有典型的砂岩水的特征。砂岩由于含有钠长石，含水层水中钠离子含量相对较高。判断井下瓦斯钻孔出水为砂岩含水层水。

A5煤层位于八道湾组，八道湾上部直接为三工河组隔水层，隔水性能较好。根据水质化验结果、水文地质条件及钻孔涌水量分析，卸表前水充满钻孔并在卸表时流出，卸表后水流较弱，无较大的断层及裂隙密集带导通上部含水层和地表裂隙水，初步可以判断瓦斯孔出水主要为八道湾组含水层水。根据《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》（AQ/T 1047-2007）8.4.2条要求（“如果钻孔与含水层、溶洞导通，则此测压钻孔作废并按有关规定进行封堵。”），5-1钻孔测定结果作废。

瓦斯压力测定结束后，拆卸压力表时5-1钻孔内有水涌出且拆表后數天有水流出，5-2钻孔无水涌出，5-1和5-2号钻孔测压室较近，分析认为5-1号钻孔见煤层顶板。钻孔5-2封孔效果较好，封孔长度满足《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》（AQ/T 1047-2007）的要求。综合分析，取5-2号钻孔压力为该测点煤层瓦斯压力（0.62MPa）。

2.2 实验室参数测定

本次采用“全断面煤样采集法”在井下采取了1个煤样，并将煤样送到实验室，按照相关技术规范进行了瓦斯相关参数测定，其内容有：水分、灰分、挥发份、真视密度、孔隙率、吸附常数（a、b）值等，具体数值如表2所示。

2.3 瓦斯含量测定

瓦斯含量是指单位质量煤体中所含瓦斯的体积，单位m3/min。采用直接法测定瓦斯含量，在《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》的基础上，通过中煤科工集团重庆研究院有限公司研制的“DGC”直接测定装置测定煤层瓦斯含量。DGC型瓦斯含量直接测定装置是一套井下和实验室结合使用的直接测定煤层瓦斯含量的装置，装置可在8小时内完成煤层瓦斯含量测定。DGC瓦斯含量测定实物图如4所示。

2.3.1 直接法测定

根据井下现场测定数据和实验室测定数据得出瓦斯含量，对分析区域A5煤层进行了瓦斯含量测定，其钻孔布置见图3，测压情况见表1。

2.3.2 间接法计算瓦斯含量

采用间接法计算煤层瓦斯含量。具体计算方法是：取煤样送实验室做煤的吸附性能实验，求出瓦斯吸附常数a、b值，并在井下相应地点测定煤层的瓦斯压力，再应用朗格缪尔公式进行计算。（表3）

根据表4-1煤的工业分析及瓦斯吸附常数等参数，计算得A5煤层各测点瓦斯含量（原煤），A5煤层瓦斯含量结果见表4。

根据上述测定与计算结果可知：直接法测得A5煤层在分析区域内瓦斯含量为1.20～2.72m3/t，当煤吸附含多种气体成分的瓦斯时且CH4组分较低时，用以吸附常数来确定煤的瓦斯含量将会导致较大的误差，造成本次间接法计算得到煤层瓦斯含量普遍偏小，为使分析结果更具指导意义，采用直接法测得的结果作为分析区域煤层瓦斯含量。

2.4 瓦斯参数分析

根据测定的瓦斯压力及含量分布情况知：

未受采动影响范围内的煤层瓦斯较高，走向上煤层瓦斯表现为西低东高，且煤层瓦斯随着深度的增加而增加。

分析区内布置瓦斯压力测试钻场6个，每个钻场布置钻孔2个。本次测定的6个钻场分布沿分析区走向和倾向均匀分布，其中4个钻场瓦斯压力≤0.30MPa、1个钻场瓦斯压力为0.37MPa、1个钻场瓦斯压力为0.62MPa。对比瓦斯压力和瓦斯含量测定区域及测定结果，分析区内瓦斯总体较小，但存在瓦斯异常区。

考察瓦斯参数测定结果：分析区内A5煤层瓦斯压力最大值为0.62MPa，A5煤层瓦斯含量最大值为2.72m3/t。

3  瓦斯涌出规律分析

煤层被开采时，煤体受到破坏或采动影响，贮存在煤体内的部份瓦斯就会离开煤体而涌入采掘空间。因瓦斯源及规模等因素的影响，涌入采掘空间的瓦斯规律有一定程度的差别。本次综合评价了A5煤层分析区域内的掘进工作面及采煤工作面的瓦斯涌出规律，以便指导后期生产。

采煤工作面为A507综放采煤工作面，其采煤方法为走向长壁后退式综采放顶煤，全部垮落法管理顶板。采煤期间，该工作面进行了回采区域预抽、采空区埋管抽放、走向长钻孔抽放采空区瓦斯的工作。A508轨道顺槽采用综掘方式掘进，局部通风机供风。在巷道掘进期间，未进行瓦斯抽采工作。

针对掘进、采煤过程中的瓦斯涌出情况，分别统计分析了2013年5月20～2013年8月19日矿井正常生产期间的瓦斯涌出数据，包括A507综放采煤工作面和A508轨道顺槽综掘工作面。回采工作面瓦斯涌出数据包括日产量、配风量、抽采量、回风流瓦斯浓度、瓦斯抽采浓度、上隅角瓦斯浓度等，掘进工作面瓦斯涌出数据包括日进尺、累计进尺、配风量、工作面瓦斯浓度、回风流瓦斯浓度等。在A507工作面巷道掘进期间，掘进工作面及回风流瓦斯浓度在0～0.6%之间波动，未出现瓦斯超限现象，绝对瓦斯涌出量波动范围为0～0.26m3/min。在A507综放采煤工作面回采期间，上隅角瓦斯浓度一般在0～0.8%之间波动，出现零星瓦斯超限现象;回风流瓦斯浓度一般在0～0.55%之间波动，绝对瓦斯涌出量波动范围为0～8.48m3/min，平均绝对瓦斯涌出量为3.30m3/t，相对瓦斯涌出量波动范围为0～6.10m3/t，平均相对瓦斯涌出量为2.75m3/t。根据矿井前期生产期间瓦斯涌出量统计，采煤工作面生产期间，邻近层瓦斯涌出量占回采工作面瓦斯涌出量比例为40%左右。

回采工作面生产期间日产量与相对瓦斯涌出量如图5所示。

本次分析主要对采掘活动期间的瓦斯浓度、绝对及相对瓦斯涌出量进行了分析，该分析排除瓦斯断电实验等特殊状态时瓦斯超限值的影响。通过上述图表分析，得出以下结论：①根据采煤及掘进工作面的瓦斯涌出数据分析，四棵树煤炭公司二号斜井A5煤层分析区域采掘区域瓦斯涌出在走向上分布不均匀。②由于分析区域A5煤层回采工作面采用放顶煤工艺，以及A5煤层有邻近煤层存在，A5煤层A507工作面在回采过程中上隅角有瓦斯超限现象。

4  结论

通过对分析区域瓦斯参数测定结果和瓦斯涌出规律的综合分析，得出如下结论和建议：

①实测分析区内瓦斯压力为0～0.62MPa、瓦斯含量为1.20～2.72m3/t;②分析区内气体组成中CO2小于10%、N2介于20～80%之间、CH4介于20～80%之间，分析区域为氮气-甲烷带，但存在局部瓦斯富集区域;③分析区内未受采动影响范围内的煤层瓦斯较高，走向上煤层瓦斯表现为西低东高，且煤层瓦斯随着深度的增加而增加;④通过对瓦斯压力、瓦斯含量以及瓦斯组分测定结果，分析区内“走向上煤层瓦斯表现为西低东高，煤层瓦斯随着深度的增加而增加”的瓦斯赋存规律较为明显，瓦斯含量与瓦斯压力总体较低，在A508工作面轨道顺槽东翼存在瓦斯富集区，在后续A508工作面采掘过程中加强瓦斯测定工作;⑤根据现场瓦斯参数实测情况，建议矿井在采掘过程中应密切监测瓦斯涌出情况，一旦出现瓦斯涌出异常应立即采取相应的瓦斯防治措施;⑥分析区域A505工作面采空区与在当前A507工作面之间的煤柱形成的孤岛，可能存在应力集中现象，建议矿井应合理的进行采掘部署调整，以防止出现应力集中显现引发的次生灾害。

参考文献：

[1]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[2]俞启香，王凯，杨胜强.中国采煤工作面瓦斯涌出规律及其控制研究[J].中国矿业大学学报，2000.

[3]何利文，施式亮，宋译，等.回采工作面瓦斯涌出的复杂性及其度量[J].煤炭学报，2008，33（5）：547.

[4]周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京：煤炭工业出版社，1998.

[5]煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法[S].