四棵树二号井煤层瓦斯赋存及涌出规律研究

2023-11-15王正帅

煤炭与化工 2023年9期

王正帅，杨周

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037;2.乌苏四棵树煤炭有限责任公司，新疆维吾尔 833300）

0 引言

新疆煤炭资源丰富，预测资源量2.19 万亿t，居全国之首[1]。近年来煤炭产量逐渐提升，已居全国第四，2021 年原煤产量3.19 亿t。已逐渐由低强度开发向高强度开发转变，由浅埋深向大埋深转变，由机械化向智能化转变，但不利的是近些年很多矿井瓦斯等级提高，由低瓦斯升级为高瓦斯、高瓦斯升级为突出矿井，甚至个别矿井在两三年内由低瓦斯升级为了突出矿井。艾维尔沟[2-4]、库拜[5]等矿区瓦斯灾害已成为制约安全生产的第一灾害。其他矿区瓦斯灾害也日渐突显，普通钻孔抽采[6]、定向长钻孔抽采[7]、地面井抽采[8]、水力化增透措施[9-10]等也逐渐得到引进与应用。

但目前不少矿井仍存在瓦斯基本参数不全、瓦斯赋存规律不清、瓦斯涌出规律不明，低瓦斯、高瓦斯矿井瓦斯超限时常发生。本文对四棵树二号井A5 煤层的瓦斯气体组分进行测试确定了瓦斯分带，测定了原始瓦斯压力和瓦斯含量，现场考察研究了工作面产量和风量对工作面绝对瓦斯涌出量、上隅角瓦斯浓度及回风流瓦斯浓度的影响，为矿井掌握煤层瓦斯赋存及涌出规律，制定瓦斯治理和管理措施、确定生产任务提供参考。

1 矿井概况

四棵树煤炭公司二号井位于乌苏市西南约41 km，属乌苏市吉尔格勒特蒙古自治乡管辖，交通较为便利。井田走向长1 200～2 000 m，宽600～800 m，面积1.175 4 km2。井田含煤地层为下侏罗统八道湾组（J1b），共含煤3 层，自上而下编号为A5、A4、A3，平均可采总厚度为8.64 m。A5 煤层为厚—特厚煤层，是井田内主采煤层，煤厚3.4～5.4 m，平均厚度为4.39 m，为较稳定煤层。矿井采用斜井开拓单水平（+1 170 m）上下山开采，采区在A5 煤层中布置了3 条下山，上山阶段垂高约180 m，下山阶段垂高约49 m。

A5 煤层呈黑色，条痕显黑色—褐黑色，条带状结构，煤的容重A5 为1.33 t/m3，属长焰煤，属特低灰—中灰、特低磷—中磷、特低硫、高熔灰分、中高强度富油—高油煤，是良好的工业动力用煤，也是较好的炼油煤和气化用煤。煤尘具有爆炸性。煤层自燃倾向性为易—很易自燃。

2 瓦斯赋存规律

研究区域为二号井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+1 170～+1 130 m，距地表深度约300～400 m，该范围北部、西部、南部均为采空区，研究区域如图1 中虚线所示。

图1 研究区域及瓦斯含量、压力、气样测点示意Fig.1 Research area and gas content,pressure,gas sample measuring point diagram

2.1 瓦斯气体组分与瓦斯分带

根据煤化过程生成瓦斯特点，煤层瓦斯组分沿赋存深度表现为带状分布。煤层瓦斯自上向下分为4 个带：CO2-N2带、N2带、N2-CH4带、CH4带。其中，前3 个带通常称为瓦斯风化带，各瓦斯分带依据气体组分的划分标准见表1。

表1 煤层瓦斯垂向各带主要气体组分Table 1 Main gas components in vertical zones of coal seam gas

采集3 个A5 煤层气样，其采集方法为施工上向钻孔，并于钻孔底部抽取气样。施工地点为A508 轨道顺槽里程约350 m、A508 运输顺槽里程约290 m、A507 运输顺槽里程约190 m 处，具体位置如图1 所示。钻孔施工完毕后立即送入铁管（管内固定胶皮管）至孔底，并用聚氨酯封孔8 m；然后用抽气泵将孔内气体抽出采样并送实验室测定气体组分，其测定结果见表2。根据实验室测定数据，气体组成中CO2小于10%、N2介于20%～80%、CH4介于20%～ 80%。因此，研究区域A5煤层瓦斯分带属于N2-CH4带。

表2 A5 煤层瓦斯气样组分Table 2 Gas sample components of A5 coal seam

2.2 瓦斯参数赋存规律

2.2.1 瓦斯压力

对研究区域内A5 煤层进行了瓦斯压力测定，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50 m。同一地点设2 个测压钻孔，2 个钻孔见煤点或者测压气室的距离应大于20 m。钻孔布置如图1 所示，测压情况见表3。

表3 瓦斯压力测定结果Table 3 Gas pressure measurement results

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数天有水流出，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 号钻孔见顶板含水层。钻孔5-2 封孔效果较好，封孔长度满足要求。综合分析后取5-2 号钻孔压力（0.62 MPa）为该测点煤层瓦斯压力。

2.2.2 瓦斯含量

对研究区域内A5 煤层进行瓦斯含量测定，其钻孔布置如图1 所示，测定结果见表4。A5 煤层最大原始瓦斯含量2.72 m3/t，可解吸瓦斯含量最大2.28 m3/t。

表4 瓦斯含量测定结果Table 4 Determination results of gas content

2.3 瓦斯涌出规律分析

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。考察研究期为80 d，期间内采煤过程中每天3 个班分别统计监测统计工作面产量、工作面风量、工作面绝对瓦斯涌出量、上隅角瓦斯浓度、回风流瓦斯浓度情况。工作面每班产量共设计4 个区间，其中，第一区间300 t 左右，第二区间600 t 左右，第三区间700 t 左右，第四区间900 t 左右，每个区间大约生产15～20 d。

对统计的数据进行分析，得到工作面绝对瓦斯涌出量与班产量的关系，如图2 所示，工作面绝对瓦斯涌出量为1.12～8.48 m3/min，最大值是最小值的约8 倍，反映出工作面瓦斯赋存不均匀，存在局部异常区域，但整体上呈现出工作面产量越大工作面绝对瓦斯涌出量越大的规律，较大的几个绝对瓦斯涌出量均出现在班产量900 t 左右时。同时得出，工作面绝对瓦斯涌出量5 m3/min 对应的班产量约为600 t，其日产量约为1 800 t。

图3 为上隅角瓦斯浓度与班产量的关系，当工作面班产量超过605 t 时易出现上隅角超限，监测期间的5 次超限均发生在班产量605 t 以上，班产量290～ 370 t（第一区间）时，上隅角瓦斯浓度0.1%～0.58%；班产量545～625 t（第二区间）时，上隅角瓦斯浓度0.16%～1.29%；班产量695～790 t（第三区间）时，上隅角瓦斯浓度0.19%～1.06%；班产量825～905 t（第四区间）时，上隅角瓦斯浓度0.25%～1.51%。整体上呈现上隅角瓦斯浓度随日产量增加而增大的规律，而且产量越大上隅角瓦斯浓度分布越发散，越不易控制。

图3 A507 采煤工作面上隅角瓦斯浓度与产量Fig.3 Gas concentration and yield in upper corner of A507 coal mining face

图4 为回风流瓦斯浓度与班产量的关系，产量由第一区间提高到第四区间时，回风流最小瓦斯浓度从0.08%增加到了0.16%，其中第一区间到第二区间增幅最大，此后虽最小瓦斯浓度仍有增大，但增加幅度不大，具体见表5。

表5 不同产量区间瓦斯浓度Table 5 Gas concentration in different production intervals

图4 A507 采煤工作面回风流瓦斯浓度与产量Fig.4 Gas concentration and yield of return air flowin A507 coal mining face

图5 为工作面绝对瓦斯涌出量与工作面风量的关系，工作面回采期间风量控制较稳定，基本在892～912 m3/min。从图5 也可以看出风量基本稳定的情况下，工作面的绝对瓦斯涌出量差别很大，如风量892 m3/min 时，绝对瓦斯涌出量最小为3.39 m3/min，最大为7.94 m3/min；风量908 m3/min 时，绝对瓦斯涌出量最小为2.92 m3/min，最大为8.48 m3/min，相差近3 倍，同样说明工作面瓦斯赋存不稳定、差异较大。另外，随着风量的变化绝对瓦斯涌出量没有呈现出规律性变化，也说明风量对工作面绝对瓦斯涌出量不构成影响。