平煤天安十矿二2煤层24080工作面瓦斯可抽采性分析

张孟浩,乔 伟,薛凯隆,寇 杰

(山西大同大学 煤炭工程学院,山西 大同 037003)

随着煤矿开采深度以及煤层开采强度的增加,瓦斯事故概率逐渐增大,给煤矿工人生命安全带来了巨大的威胁[1]。抽采瓦斯不仅可以减少瓦斯涌出量、防止瓦斯超限积聚、瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故的发生,也是化害为利的重要措施。矿井瓦斯抽采前需要对矿井煤层、瓦斯各个相关抽采参数进行计算分析,确定该矿井的瓦斯抽采难易程度以及抽采的可行性,从而有效避免因盲目作业而引发的施工事故[2]。

1 工程概况

平煤天安十矿位于平顶山市东北部,距市中心约6 km,行政区划属平顶山市卫东区。井田内可采煤层8层(一4、二1、二2、四1、四2、四3、五1、五2),赋存于太原组、山西组及下石盒子组的四、五煤段;其中二1、二2、四2、五2煤层为全区可采煤层。煤层总厚度36.30 m,含煤系数4.62%。可采煤层总厚度19.61 m,可采煤层含煤系数2.5%。现主要针对平煤天安十矿二2煤层24080工作面的煤层瓦斯参数进行瓦斯抽采可行性分析。二2煤层位于山西组(二煤段)中下部,煤层平均厚度2.11 m,结构较为简单,属于中厚程度煤层,可采性指数为1,煤厚的变异系数为30%,属于较稳定全区可采煤层,在井田东部和北部与二1煤层合层。矿区范围内二2煤层底板标高为-190～-770 m,埋深为280～950 m;北部扩大区二2煤层底板标高为-775～-1 100 m,埋深为950～1 230 m。

2 瓦斯性质与参数计算分析

2.1 煤层瓦斯的含量测定

煤层中储存的气体含量越高,开采过程中从煤矿排出的气体就越多[3]。当煤层气含量超过10 m3/t时,生产矿井存在潜在风险。因此,控制和预防瓦斯突出灾害需要准确测定煤层中的瓦斯含量。

2.1.1瓦斯含量测定

在己15-24080机巷高抽巷,共采集3个煤样。经测定,二2煤层CH4平均含量为6.19 m3/t,二2煤层平均瓦斯含量为6.17 m3/t。具体测定结果见表1所示。

表1 瓦斯含量测定结果Table 1 Results of gas content measurement

2.1.2煤的工业分析

采用工业分析仪测定己15-24080工作面煤样基本参数,测定过程遵循国标GB212-91。具体测试结果如表2所示。经分析可知,煤层的孔隙率为真密度减去视密度的差除以真密度,由此可得己15-24080工作面煤层的孔隙率为0.083。

表2 煤样的工业分析Table 2 Proximate analysis of coal samples

2.2 煤层瓦斯压力测定与计算

煤层瓦斯压力测定地点为十矿二2煤层24080工作面,利用垂直煤壁打正交钻孔法,对压力表进行直观读数后,加上0.1 MPa即为测定地点的瓦斯绝对压力参数。工作面附近共设有5个测点、5个钻孔,每个钻孔之间相距50 m。各个测点瓦斯压力的测定结果如表3所示。

表3 煤层瓦斯压力测定结果Table 3 Results of gas pressure measurement

从表3可以得出,煤层的瓦斯平均压力为1.07 MPa。当煤层瓦斯压力大于0.74 MPa时,有必要预防和控制煤的突出[4]。同一煤层中气体的压力越高,气体含量高的概率就越大。煤层瓦斯气体压力随埋深的增加而增加,总体呈线性关系。将煤层瓦斯压力的测量结果进行线性拟合分析可得出瓦斯压力与煤层埋深的关系:

p=0.221 6h-11.968 89.

(1)

式中:p为瓦斯压力,MPa;h为埋深,m。

十矿二2煤层实测瓦斯压力p与煤层埋深h的离散点分布及回归直线图,如图1所示。该线性拟合的回归平方和与总离差平方和的比值R0为0.860 26,一般认为超过0.8的模型拟合优度比较高,回归拟合效果越显著。说明二2煤层的瓦斯压力与煤层埋深具有良好的相关性。

图1 瓦斯压力与埋深线性拟合图Fig.1 Linear fitting of gas pressure and burial depth

线性回归图能够清楚地探究煤层瓦斯赋存的规律特征。气体以自由吸附的状态存在于煤的微孔和裂缝中,瓦斯压力越大,煤层的含气量就越大。线性拟合图显示,气压与埋藏深度、局部构造应力等因素有关,但与煤的形成年龄和变质作用无关。浅层气体压力较小,随着开采深度的增加,压力将近似线性增加。在地质构造带中,强烈的构造应力可以使煤体中的孔隙和裂缝变小,甚至闭合,气体流动性大大减弱,气体占据的孔隙减少,局部出现气体增压带[5]。开放构造带煤层孔隙度较大。随着开采深度的增加,同时受开采应力的影响,瓦斯运移会导致瓦斯压力下降。因此,瓦斯压力与埋深之间具有一定的线性相关性和局部不均匀性。

2.3 工作面瓦斯相对涌出量预测

根据矿井目前的生产状况,对计划开采的二2煤层(本煤层)24080工作面进行瓦斯相对涌出量预测。瓦斯相对涌出量预测公式为:

q=q1+q2.

(2)

式中:q为工作面相对瓦斯涌出量,m3/t;q1为本煤层相对瓦斯涌出量,m3/t;q2为邻近煤层相对瓦斯涌出量,m3/t。

q1=K1·K2·K3·(w0-wc).

(3)

式中:K1为围岩瓦斯涌出系数,取1.3;K2为丢煤瓦斯涌出系数,取回采率95%的倒数1.053;K3为采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出的影响系数;w0为煤层原始瓦斯含量,经实测取20.04 m3/t;wc为运出矿井后煤的残存瓦斯量,经实测取2 m3/t。

根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》,本矿为长壁后退式回采,K3=(L-2b1)/L,L为工作面走向长度(根据矿方提供矿井接替计划),取150 m;b1为掘进巷道预排等值宽度,本矿二煤组属高变质煤,按《矿井瓦斯涌出量预测方法》,巷道煤壁暴露时间取200 d,b1取15.4 m,故K3经计算为0.795。

根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018-2006)中的附录C.1可知,wc取2 m3/t;经计算,q1=19.63 m3/t。而q2的计算公式为:

(4)

式中:w0i为第i个邻近煤层的原始瓦斯含量,因属同一煤组,均取20.04 m3/t;wci为第i邻近煤层残存瓦斯含量,因属同一煤组,均取2 m3/t;di为第i个邻近煤层的厚度,均取1 m;h为工作面采高,m。因采用全部陷落法,故d/h=1;ηi为第i个邻近层瓦斯排放率,%。

表4 瓦斯相对涌出量预测Table 4 Prediction of relative gas emission

2.4 钻孔瓦斯流量衰减系数计算

试验场地为24080工作面高抽巷道。分别设计1号和2号两个顺层钻孔,钻孔长度为50 m,直径为75 mm,封孔长度为6.66 m。使用流量计,在每个相同的时间间隔测量钻孔内瓦斯的自然涌出量,其自然涌出量随着时间的延长而逐渐减少,衰减规律如下:

qt=q0e-at.

(5)

式中:qt为时间为t时的钻孔自然瓦斯涌出量,L/min;t为排放瓦斯时间,d;a为瓦斯涌出量衰减系数,d-1;q0为初始瓦斯涌出量,L/min。

1号和2号钻孔瓦斯流量数据统计如表5所示。

表5 钻孔瓦斯流量数据统计Table 5 Statistics of gas flow data of boreholes

将表所测得的数据进行整理,经过线性拟合处理可分别得到1、2号钻孔的瓦斯流量衰减曲线,如图2、图3所示。

图2 1号钻孔瓦斯流量与观测时间线性拟合Fig.2 Linear fitting of gas flow of borehole 1 and observation time

图3 2号钻孔瓦斯流量与观测时间线性拟合Fig.3 Linear fitting of gas flow of borehole 2 and observation time

根据1号孔和2号孔的瓦斯流量与观测时间的线性拟合结果可以得到瓦斯流量的涌出规律,其分别是qt1=7.546 62e-0.014t和qt2=8.983 25e-0.028t,线性拟合的回归平方和与总离差平方和的比值R1和R2分别为0.982 54和0.901 39,两个模型拟合优度都比较高,回归拟合效果显著,说明瓦斯流量随着观测时间的变化呈规律性变化。由拟合公式推算工作面的瓦斯流量衰减系数为0.014～0.028 d-1,平均瓦斯流量衰减系数为0.021 d-1。

2.5 煤层透气性系数计算分析

煤层透气性是评价煤层能否实现预抽的重要指标,对衡量煤层中瓦斯流动的难易程度具有重要意义[7]。对煤层透气性系数采用钻孔试验计算分析。试验布孔具体参数如下:钻孔直径为75 mm,钻孔倾角为+5°,钻孔深度为50 m,封孔深度为6.66 m。当测得的钻孔压力稳定并达到最大值时,拆除压力表,同时测量气体流速。透气性计算的具体参数见表6所示。

表6 透气性计算基础参数Table 6 Basic parameters of permeability calculation

表中:F0为时间准数;a、b分别为系数与指数;p0为原始绝对瓦斯压力,MPa;p1为排放瓦斯压力,MPa;α为煤层瓦斯含量系数,m3/(m3·MPa0.5);t为时间间隔,d;q为排放瓦斯时间t时的钻孔煤壁单位面积瓦斯流量,m3/(m2·d);r1为钻孔孔径,mm。计算公式如下:

q=Q/2πr1l.

(6)

式中:Q为时间为t时钻孔的总流量,m3/d;l为煤孔长度,m。

测得钻孔的原始数据如表7所示。由表7可得公式:

α=w·γ/p1/2.

(7)

式中:w为瓦斯含量,m3/t;γ为煤容重,t/m3。

经计算3个钻孔的瓦斯含量系数分别为:

α1=6.956 0 m3/(m3·MPa0.5);

α2=11.081 2 m3/(m3·MPa0.5);

α3=6.617 0 m3/(m3·MPa0.5)。

表7 测得钻孔的原始数据Table 7 Raw data of boreholes

钻孔与煤壁结合处的总面积S计算公式为:

S=2πr1l.

(8)

求得钻孔与煤壁结合处总面积为3.138 5 m2。

排放时间t0内,钻孔的比流量计算公式为:

qb=q′/S.

(9)

式中:qb为比流量,m3/(m2⋅d);q′为时间t0时的流量,m3/d。

经计算可知3个钻孔的比流量分别为:

qb1=8.255 5 m3/(m2·d);

qb2=8.619 6 m3/(m2·d);

qb3=14.851 7 m3/(m2·d)。

经过计算可得A和B的值:

λ1= 1.83×0.4331.14×134.969 41/7.3=1.38 m2/(MPa2·d)

同理计算可得:

A2=0.627 4,B2=66.109 4,λ2=1.91 m2/(MPa2·d);

A3=0.891 1,B3=91.757 2,λ3=2.98 m2/(MPa2·d)。

将计算结果代入公式F0=Bλ中,皆满足时间准数所限定的区间,证明选取计算公式准确。将计算得到的煤层透气性系数各项数据汇总,如表8所示。

表8 煤层透气性系数的各项参数Table 8 Parameters of permeability coefficient

由表8可知,煤层透气性系数取所有结果的平均值为2.09。根据《矿井瓦斯抽放管理规范》,当煤层透气性系数小于0.1时,鉴定为难抽采煤层;当煤层透气性系数大于30时,鉴定为易抽采煤层;介于两数值中间的煤层为可抽采煤层。由计算结果分析可知,平煤天安十矿二2煤层具有抽采的必要性且为可抽采煤层。

3 结论

1)对十矿二2煤层24080工作面瓦斯含量和瓦斯压力分别测定分析,计算得到二2煤层平均瓦斯含量为6.17 m3/t,平均瓦斯压力为1.07 MPa;对工作面瓦斯涌出量进行预测分析,得到相对瓦斯涌出量为37.67 m3/t,本煤层瓦斯相对涌出量为19.63 m3/t,邻近煤层瓦斯相对涌出量为18.04 m3/t,本煤层瓦斯相对涌出量占比52.11%,邻近煤层瓦斯相对涌出量占比47.89%。对判定煤层抽采难易程度的重要指标钻孔瓦斯流量衰减系数进行测定,测得衰减系数为0.021 d-1;对反映瓦斯抽采难易程度的指标进行测定,测得煤层透气性系数为2.09。

2)根据煤层瓦斯压力安全标准以及矿井数据划分,煤层平均瓦斯压力为1.07 MPa,大于0.74 MPa,应立即对煤层实施突出鉴定工作。测得24080工作面瓦斯相对涌出量高达37.67 m3/t,超过10 m3/t的鉴定界限,确定矿井属于高瓦斯矿井且随时具有突出危险,瓦斯抽采工作具有必要性。根据煤层抽采难易程度的分类标准,该矿井煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.021 d-1,介于0.003～0.050 d-1之间,且煤层透气性系数为2.09,介于0.1～10.0之间时,煤层属于可抽采瓦斯煤层。