突出煤层区域措施效检指标残余瓦斯含量临界值研究

2022-05-28韩承强

中国煤炭地质 2022年5期

韩承强

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

0 引言

残余瓦斯含量测试过程快捷，受现场因素影响较少，数据准确度高，是煤矿现场检验瓦斯防治效果的首选指标，相关标准规范要求针对不同煤层需实际考察该指标的临界值。而目前我国的多数矿井未开展对该指标的系统、准确、科学的考察工作，仅以《防治煤与瓦斯突出细则》推荐的临界值8m3/t作为瓦斯防治效果检验的依据。未考虑不同性质的煤层具有不同瓦斯吸附能力的特点会导致区域防突措施效果检验残余瓦斯含量临界值差异较大的情况。因此，实际的生产过程中会产生两个方面的问题。一是若指标临界值偏经济，安全可靠性会降低，为矿井的安全生产带来隐患；二是若指标临界值偏安全，会导致防突工程量增加，经济上不合理。因此，研究确定一套系统、科学、合理的针对不同性质煤层的残余瓦斯含量临界值考察方法，有助于煤矿瓦斯的精准防治。

以中岭煤矿一井3号煤层为背景，在以往研究成果的基础上，归纳并采取了一种基于煤层突出资料、历史数据、瓦斯基本参数及经验公式等的临界值初值确定方法，基于钻屑瓦斯解吸指标、瓦斯涌出、突出预兆等于残余瓦斯含量关系的现场考察及修正方法，并通过现场在不同工作面扩大应用最终确定残余瓦斯含量临界值确定方法。

1 临界值考察方法

所采用方法主要分三个阶段。第一阶段：通过对所考察煤层突出资料和历史校检数据统计分析、瓦斯基本参数测试，并综合前人研究成果、经验公式，分析确定残余瓦斯含量临界值初值。第二阶段:在所考察煤层采掘工作面测定残余瓦斯含量指标的同时，测定钻屑瓦斯解吸指标K1值，现场考察工作面采掘过程中的瓦斯涌出、煤层赋存及突出预兆等资料，分析第一阶段所确定的初值的合理性，并对其进行进一步的修正。第三阶段：将修正后的残余瓦斯含量临界值应用于不同的采掘工作面，验证其可靠性、合理性，并最终确定残余瓦斯含量临界值及适用条件。

2 残余瓦斯含量临界值初值确定

2.1 根据历史资料分析

2.1.1 区域防突措施效果检验数据分析

中岭一井3号煤层以往煤巷条带掘进期间，采用的残余瓦斯含量临界值为8m3/t，对3号煤层11034 工作面和12033 工作面煤巷掘进过程中测定的136个残余瓦斯含量数据所处范围进行了分析，如表 1所示。

表1 3号煤层残余瓦斯含量历史数据统计分析

由表1可知，中岭煤矿一井3号煤层以往残余瓦斯含量超过8m3/t的占90%，超过9m3/t的占73%，超过10m3/t的占49%，超过11m3/t的占30%，超过12m3/t的占18%，而未超过8m3/t的仅占10%。且在仅在残余瓦斯含量超过9m3/t时出现过喷孔、顶钻等突出预兆和区域验证钻屑瓦斯解吸指标K1值超标的显现，因此以8m3/t作为3号煤层区域防突措施效果指标临界值有待商榷。

2.1.2 根据突出资料分析

中岭煤矿一井自建井以来3号煤层分别在11033东段工作面和12031回采工作面发生过以此突出，突出地点基本资料如表2所示。

表2 中岭煤矿一井3号煤层突出数据

两处突出地点及邻近区域均无实测的瓦斯压力和瓦斯含量资料，但掌握突出点的始突瓦斯压力或瓦斯含量，对准确确定残余瓦斯含量临界值非常关键，因此，本文根据中岭煤矿一井3号煤层瓦斯赋存规律研究中所测定的瓦斯参数，计算确定突出点瓦斯含量。以往实测瓦斯参数如表3所示。

表3 中岭煤矿一井3号煤层瓦斯参数测定数据

对表3中3号煤层瓦斯含量和对应埋深进行线性回归，得出3号煤层瓦斯含量与埋深相关关系如图1所示。

图1 3号煤层瓦斯含量随埋深变化曲线

中岭煤矿一井3号煤层的瓦斯含量与埋深符合关系式(1)：

y=0.024x+1.103 8

(1)

根据式(1)计算的11033东段工作面突出点处瓦斯含量为12.86m3/t、12031回采工作面突出点处瓦斯含量为9.14m3/t。

2.2 根据实验室测试数据分析

2.2.1 实验室测试数据

通过实验室参数的测定，能掌握3号煤层的物理力学性质、瓦斯吸附性能等。从现场取得3号煤层煤样9份，在实验室进行了相关参数的测试，其测试数据见表4所示。

表4 3号煤层煤体结构参数及瓦斯参数

2.2.2 防突工作对相关参数的要求

我国煤矿防治煤与瓦斯突出过程中，取残余瓦斯压力临界值未0.74 MPa。根据以往对瓦斯赋存一般规律研究发现，瓦斯压力与瓦斯含量呈对应关系，且符合朗格缪尔方程，为此，利用表4中测得的3号煤层的瓦斯基本参数及瓦斯压力临界值，可以计算得到9处采样地点煤层的瓦斯含量为12.14 m3/t、12.03 m3/t、11.56 m3/t、10.91 m3/t、9.67 m3/t、11.08 m3/t、10.41 m3/t、11.20 m3/t、10.29 m3/t，最小值为9.67 m3/t。

以往的研究成果表明，煤体抵抗突出的能力取决于坚固性系数，即煤层越软，发生突出时的瓦斯压力就越小，反之则发生突出时的瓦斯压力就越大。因此，国内外学者和研究就够根据煤层的坚固性系数推导出了计算发生突出时所需最小瓦斯压力的经验公式。

苏联学者认为煤层突出最小瓦斯压力与其最小坚固性系数的平方成正比，其经验公式如下：

(2)

原煤炭科学研究总院和原北票矿务局对煤科总院和北票矿务局对北票矿区采掘过程的历史资料进行了统计分析，认为煤层突出时所需的最小瓦斯压力最小值与煤层最小坚固系数成线性关系，其经验公式如下：

pmin=Nfmin+0.39

(3)

原中国煤炭科学研究院重庆分院在对我国突出事故及突出煤层大量研究的基础上，得出煤层突出时所需最小瓦斯压力经验公式如下：

pmin=Nfmin

(4)

式(2)、(3)和(4)中：pmin为煤层突出所需最小瓦斯压力，MPa；fmin为煤层最小坚固性系数；N为常数。

将3号煤层所测得不同地点的坚固性系数值代入上述3个公式，计算得到3号煤层突出所需的最小瓦斯压力为0.66MPa，根据此临界值，通过朗格缪尔方程并利用表4中3号煤层工业分析指标及瓦斯吸附常数测算得出瓦斯含量临界值分别为11.50 m3/t、11.41 m3/t、10.95 m3/t、10.30 m3/t、9.20 m3/t、10.49 m3/t、9.85 m3/t、10.71m3/t、9.80 m3/t，最小值为9.20 m3/t。

2.3 综合分析确定初值

根据上述对历史资料统计、对实验室测试数据的测试以及对相关规定、以往研究成果及经验公司的综合分析，几种方法所得到的残余瓦斯含量最小值分别为9.14m3/t，9.67m3/t和9.20m3/t。考虑到煤与瓦斯突出突出机理的复杂性，往往还与地应力等因素有关，瓦斯含量或瓦斯压力不是导致煤与瓦斯突出的唯一指标，因此，要谨慎确定残余瓦斯含量临界值，要略小于突出煤层的实际临界值。因此，选择9.14 m3/t作为区域防突措施效果检验指标残余瓦斯含量临界值初值，以此为基础开展下一步的现场考察。

3 现场考察及修正

3.1 考察地点

现场考察地点选取3号煤层12033工作面，该工作面走向长约1 500m，倾斜长约205m，工作面标高+1 750～+1 810m，对应地面标高+2 250～+2 100m，工作面埋深290～503m。最大瓦斯含量约14.21m3/t。该工作面部分处于上部1号煤层12013工作面采空区保护范围。而未受1号煤层保护的3号煤层采用了顺层钻孔和穿层钻孔预抽相结合的措施预抽煤层瓦斯。

水库大坝除险加固体制机制问题与对策思考…………………………………………… 张大伟，李雷(10.31)

3.2 考察方案

3.2.1 工作面瓦斯赋存规律

根据《防治煤与瓦斯突出细则》要求，对防突措施的效果检验钻孔应当尽量布置在抽采效果薄弱的区域，为了提高残余瓦斯含量考察结果可靠程度，应首先研究分析12033工作面瓦斯抽采后的瓦斯分布规律情况，对工作面正常回采期间区域验证指标K1值进行统计分析。

12033工作面每循环施工16个区域验证钻孔，间距12m，深度10m，考虑煤层瓦斯赋存的不均匀性和测定过程中存在的客观数据误差，统计每个钻孔所测得最大值K1值。以运输巷为起始点，沿工作面倾向方向上区域验证指标K1值平均值分布情况如图2所示。

通过图2中数据分析，可以总结得出12033工作面采取区域防突措施后瓦斯赋存规律：12033工作面实施过抽采措施后，工作面中部瓦斯抽采效果弱于工作面两点段抽采效果，主要是受抽采钻孔内负压损失及钻孔轨迹偏移引起，其瓦斯赋存为由工作面两巷位置向中间位置逐渐升高，工作面倾向瓦斯较高的区域位于距运输巷70～140m区域。

图2 12033工作面区域验证指标K1值分布曲线

3.2.2 考察方案制定

根据工作面瓦斯赋存规律考察的基础上设计残余瓦斯含量考察钻孔，即在12033工作面区域验证测定K1值，并统计每个钻孔最大值的基础上，当区域验证钻孔钻进至10m时，选取3个钻孔取心测定煤层残余瓦斯含量，3个钻孔应位于工作面距运输巷70～140m范围。

3.3 考察结果

现场考察期间工作面已经实施了瓦斯抽采措施，当考察的K1值或S值大于超标时采取排放措施。现场考察跟踪工作面回采长度240m，跟踪考察区域验证循环30个，其中测定残余瓦斯含量90个，测定钻屑瓦斯解吸指标K1值450个，实测残余瓦斯含量最大值及钻屑瓦斯指标最大值变化趋势如图3所示。

图3 12033工作面残余瓦斯含量和K1值分布曲线

据图3可知，12033工作面测定3号煤层的90个残余瓦斯含量中，最大值为11.34m3/t，最小值为2.89m3/t，有3个测试钻孔所测残余瓦斯含量为10.93m3/t，11.34m3/t，9.32m3/t，超过了临界值初值9.14m3/t，其对应位置所测得最大钻屑瓦斯解析指标K1值为0.55mL/g·min1/2、0.61mL/g·min1/2、0.51mL/g·min1/2，超过了区域验证指标临界值，且残余瓦斯含量为10.93m3/t，11.34m3/t的钻孔出现顶钻、喷孔的突出预兆。

对上述3个循环补充执行抽放措施后进行二次检验，其残余瓦斯含量分别降至6.87 m3/t、8.25 m3/t和7.01 m3/t，对应位置最大钻屑瓦斯解析指标K1值分别降至0.38mL/g·min1/2、0.40mL/g·min1/2和0.35mL/g·min1/2。其余钻孔施工期间没有出现指标超标及喷孔、顶钻等突出预兆和瓦斯涌出异常的情况。

3.4 瓦斯含量临界值确定

通过对12033工作面考察试验指参数屑瓦斯解吸指标K1值与残余瓦斯含量W的统计分析，可以确定残余瓦斯含量临界初值。

根据12033工作面现场考察试验数据统计分析及图3现场考察实测指标分布曲线可知，当瓦斯含量W<9 m3/t时其区域验证指标均未超标，其中最大残余瓦斯含量8.952 2m3/t对应的最大K1为0.46mL/g·min1/2，且未出现过顶钻、喷孔等突出预兆；当瓦斯含量9.0≤W<10 m3/t时对应的区域验证指标均高于临界值0.5mL/g·min1/2，实测残余瓦斯含量9.82m3/t对应最大K1为0.51mL/g·min1/2，但打钻过程中未出现过顶钻、喷孔等突出预兆；当残余瓦斯含量W≥10m3/t时不仅区域验证指标超标，且出现顶钻和微喷孔的突出预兆。实测残余瓦斯含量10.93m3/t和11.34m3/t对应的K1值分别为0.55 mL/g·min1/2和0.61 mL/g·min1/2。

根据现场考察测试钻孔施工情况分析，12033工作面考察试验区域煤层赋存稳定，无地质构造等异常带。在综合分析指标测试现状并考虑矿井预测管理水平和操作水平等的基础上，从安全保险的角度考虑，瓦斯含量9～10 m3/t存在一定安全区间，而残余瓦斯含量临界值取9m3/t是比较安全的。综合以上分析，将中岭煤矿一井3号煤层残余瓦斯含量临界值修正为9m3/t。并以此为基础在其他工作面开展扩大应用。

4 扩大应用

4.1 扩大应用地点

11034工作面位于11采区井筒西翼，走向长845m，倾斜长160m。11034工作面对应地形东高西低，对应地表最高标高为2 175m，最低标高1 975m。11034工作面3号煤层呈黑色块状，半亮至半暗型，煤层厚度1.2～2.0m。煤层走向70°～74°，平均72°；煤层倾角8°～14°，平均12°。直接顶板为深灰色粉沙质泥岩；老顶为灰色粉砂岩。直接底板为灰色泥岩，厚度0.2m，向下为泥质粉砂岩，含菱铁矿结核。工作面区域防突措施为顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯。

4.2 扩大应用方案

扩大应用方案同现场考察时方案基本一致，主要时在不同工作面对确定的残余瓦斯含量临界值进行验证，在11034工作面区域验证期间对钻屑瓦斯解吸指标K1值和残余瓦斯含量进行规范考察，取验证钻孔中最大值作为该钻孔K1值；当钻孔钻进至10m时，选取3个钻孔取心测定煤层残余瓦斯含量，3个钻孔应尽量布置在工作面距运输巷70～140m范围。

4.3 扩大应用实验数据

扩大应用期间跟踪考察11034工作面回采长度为240m，跟踪考察区域验证循环30个，实测残余瓦斯含量90个，统计最大钻屑解析指标K1值450个，各循环实测瓦斯含量及最大钻屑瓦斯指标分布情况如图4所示。

图4 11034工作面残余瓦斯含量和K1值分布曲线

根据图4实测残余瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标K1值分布曲线可知，12033工作面考察测定3号煤层残余瓦斯含量数据90个，最大值为8.81m3/t，最小值为3.15m3/t，相应钻孔钻屑瓦斯解吸指标K1值为0.48mL/g·min1/2和0.15mL/g·min1/2，期间未出现喷孔、顶钻和等突出预兆或瓦斯异常涌出情况。

4.4 瓦斯含量临界值确定

本次残余瓦斯含量临界值考察，在中岭煤矿一井3号煤层12033、11034工作面共考察了约480m，跟踪测试了60个区域验证循环，共获得残余瓦斯含量值180个，获得钻屑瓦斯解吸指标K1值900个，实验数据表明确定的残余瓦斯含量临界值符合3号煤层瓦斯赋存特点，最终确定的中岭煤矿一井3号煤层残余瓦斯含量指标临界值为9m3/t。