杜家沟矿煤层瓦斯赋存规律及防治技术研究

胡武红

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司，山西 运城 043300）

引言

煤与瓦斯突出是煤矿最严重的灾害之一，长期以来严重威胁着矿井的安全生产。现阶段，我国大部分矿井在采掘过程中均遇到瓦斯异常涌出，瓦斯含量超标的现象，为保证矿井的安全生产，对瓦斯突出矿井的瓦斯及时的进行抽排。为此，诸多学者开展相关研究，韩江伟，董达[1]对鹤煤五矿开采煤层的瓦斯分布规律进行研究，根据现场实测瓦斯数据，给出了影响瓦斯赋存的因素，并构建了开采煤层瓦斯压力的预测方程，为煤矿防治瓦斯提供了依据。冯彬、周爱桃[2]通过分析了东周窑煤矿现开采煤层瓦斯赋存规律，并给出了区域防突措施的设计。经过验证表明，相邻工作面瓦斯含量变化规律类似，呈现出在停采线至切眼走向平均值上下起伏，但总体呈下降趋势。本文以杜家沟矿2-102 工作面为研究背景，对煤层瓦斯覆存规律及防突技术进行研究。

1 矿井概况及瓦斯覆存规律研究

杜家沟矿位于山西河津市清涧镇西北3 km，井田面积9.89 km2，矿井设计生产能力60 万t/a，井田结构相对简单，主要构造形式为单斜延伸构造，2-105 工作面主要开采2#、10#煤层，其中2#煤层为矿井的主采煤层，煤层厚度3.2 m～15.7 m，煤层的平均厚度为9.1 m。

影响瓦斯覆存的因素有许多，首先地质条件会直接影响瓦斯的覆存规律，褶曲结构是在高应力或者高气压的区域形成的，由于其变形较大，释放的能量也多，使得瓦斯在褶曲区域内含量较高。当煤层存在断层时，由于断层的存在使得瓦斯能够较好的扩散，此时煤层的瓦斯浓度含量相对较低。

杜家沟矿顶板物理特性对瓦斯的覆存也十分重要，当煤层顶板多为高渗透性岩体时，此时瓦斯的运移扩散效果极佳，此时的瓦斯的含量相对较低，而当巷道顶板岩层属于低渗透性岩体时，此时由于瓦斯扩散十分困难，使得瓦斯聚集现象严重，据统计2#煤层的顶板为泥岩，其对瓦斯覆存影响较小。研究分析发现瓦斯含量与巷道顶板的厚度有着直接的关系，巷道顶板越厚，此时巷道的瓦斯含量越高，拟合曲线类似于直线，杜家沟矿2#煤层的巷道顶板越厚，此时巷道顶板的瓦斯含量越高，所以可以看出，2#煤层顶板厚度与瓦斯含量有着密切的关系。

对瓦斯覆存影响的主要因素进行分析，选定灰色关联理论进行研究，灰色关联理论是根据各自因素间的差异及相似程度从而给出关系方法，当不同因素的变化趋势类似时此时关联度高，当变化趋势不一致时则相反。进行灰色关联分析首先对分析数列进行确定，分析数列包括煤层的埋深、煤层的厚度、覆岩的厚度、砂岩的厚度，通过对比分析数列与比较数列的差值从而给出影响程度。完成分析数列的建立后对原始数据矩阵进行设置，本文仅选定6 组钻孔进行检测，所以矩阵为6 阶矩阵。对数据进行无量钢化处理后计算差值矩阵和最值，最后计算灰色关联度，根据计算2#煤层瓦斯影响因子检测数据，如表1 所示。

表1 2#煤层瓦斯影响因子检测数据

根据检测样本的数据进行灰色关联度分析，利用matla 软件进行矩阵的计算，给出不同影响因素的关联度，灰色关联度值，如表2 所示。

表2 灰色关联度表

从表2 可以看出，四种影响因素中对瓦斯覆存影响最大的为覆岩的厚度，而煤层厚度及煤层的埋深对杜家沟矿瓦斯覆存影响差距不大，对瓦斯覆存影响最小的因素为砂岩的厚度，所以在进行防突设计时，可充分对覆岩厚度、煤层厚度进行防突设计，保证杜家沟矿2#煤层的正常开采。

杜家沟矿2#煤层瓦斯压力大，含量高，在收集现场数据后对其进行防突治理研究，对瓦斯的运移进行研究，利用COMSOL 软件进行模拟，首先建立长宽高分别为10 m×10 m×7 m 的模型，在模型的中心布置钻孔，对模型进行物理参数设定，材料的弹性模量为3.5 MPa，初始瓦斯压力为1 MPa，煤岩的密度设定为1 360 kg/m3，泊松比为0.32，完成 设定后对模型进行计算，给出100 天时瓦斯压力的切面图，如图1 所示。

图1 瓦斯压力的切面图

从图1 可以看出，瓦斯压力沿着钻孔中心轴向外呈现增大的趋势，在钻孔中心轴附近瓦斯压力最小，压力最大值为0.52 MPa，随着距离中心钻孔距离的增加，瓦斯压力呈现增大的趋势，瓦斯压力呈现逐步增加的趋势，颜色由蓝到红，瓦斯压力值由小变大，这是由于瓦斯由模型四周扩散至钻孔周边，使得钻孔附近瓦斯压力降低[3]。

2 防突措施研究

对矿井进行防突设计，目前我国最为常见的防突措施有煤层保护层开采和钻孔抽采瓦斯技术，杜家沟矿选定钻孔预抽采技术，在工作面距离煤层20 m 的位置布置底板岩巷，在底板岩巷上布置钻场，钻场的间距40 m，在每个钻场上布置穿层钻孔对巷道的瓦斯进行抽采，钻孔的直径为94 mm，钻孔的封孔深度为12 m，钻孔间距为6 m×6 m，对钻孔的瓦斯进行抽采，钻场的抽采参数变化趋势图，如图2 所示。

图2 钻场抽采参数变化曲线图

从图2 可以看出，钻场瓦斯抽采期间内，随着工作面的推进整个工作面的瓦斯抽采混合流量和纯流量的变化趋势大致呈现相同的趋势，混合流量抽采均值为50 m3/min，纯量的抽采均值为0.8 m3/min，随着工作面的推进瓦斯抽采的浓度呈现先增大后减小的趋势，抽采的瓦斯浓度最大值为2.03%，经过测量瓦斯浓度得到了有效的控制，保障矿井的安全回采。

3 结论

杜家沟矿为防治2-1-2 工作面开采煤层瓦斯异常涌出的问题，采用灰色关联法对矿井瓦斯覆存影响因素进行分析，经过研究发现对瓦斯覆存影响因素由大至小依次为覆岩厚度、煤层厚度、煤层埋深、砂岩厚度，为矿井瓦斯防治提供依据。同时，利用数值模拟软件对瓦斯压力分别进行研究发现，瓦斯压力沿着钻孔中心轴向外呈现增大的趋势，在钻孔中心轴附近瓦斯压力最小，压力最大值为0.52 MPa。现场实践，通过钻孔抽排对瓦斯进行防治，经过抽排后，有效控制矿井瓦斯含量。