杉林井瓦斯參數測定及瓦斯賦存規律分析

陳 寶

（1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2.江西省煤炭工業科學研究所，江西 南昌 330029）

礦井隨著埋深的增加，不僅因地應力增高而使煤層及圍巖的透氣性變差，而且瓦斯向地表運移的距離也增加，二者都有利于封存瓦斯，煤層瓦斯基本參數也將隨之改變，為了在瓦斯綜合治理工作中避免盲目性，做到有效、可靠和有預見性，更好地指導礦井安全生產，需要對煤層瓦斯基礎參數進行測定和瓦斯賦存規律相關因素進行分析。

1 礦井簡介

江西省八景煤礦杉林井屬國有企業，為煤與瓦斯突出礦井，隸屬江西省煤炭集團公司新余礦業公司，1985年10月建井，1992年12月投產，設計生產能力210kt／a，核定生產能力90kt／a，礦井面積7.1189km2，開采深度由-100m～-500m 標高，開采B4煤層，傾角8°～25°。采用斜井、立井多水平聯合開拓，一、二、三水平標高分別為-185m、-320m、-450m，其中一、二水平已開采完畢，現生產水平為三水平，回風水平-320m。礦井自1988年3月29日發生第一次煤與瓦斯突出以來，至今共發生突出12次，累計突出煤量1910t，最大突出強度430t，平均147 t，始突深度185m。B4煤層的自燃傾向性等級為自燃，煤塵有爆炸危險性。

2 煤層瓦斯參數測定

2.1 試驗地點的確定

根據杉林井目前生產水平的采掘工作面布置情況進行煤層瓦斯參數的測定，選定的具體測定地點為3111措施巷（測定瓦斯含量、瓦斯壓力、透氣性系數）和2112機巷（測定瓦斯含量）。

2.2 煤層瓦斯含量測定

根據杉林井現有條件，采用直接法對煤層的原始瓦斯含量進行測定，在3111措施巷和2112機巷，共采集2個煤樣進行瓦斯含量測定。

通過對井下自然解吸瓦斯含量（X1）、損失瓦斯量（X2）（采用法）、殘存瓦斯含量（粉碎前自然瓦斯解吸量X3和粉碎后自然瓦斯解吸量X4）（采用常壓自然解吸法）和常壓不可解吸瓦斯量（X5）計算，得到各階段的煤樣瓦斯含量結果見表1。由于3111措施巷和2112機巷煤樣性質相同，煤樣工業分析與吸附常數測定試驗數據取同一數據。通過稱重，3111措施巷煤樣干燥無灰基總重量為359.57g；二次煤樣干燥無灰基重量為87.7g；2112機巷煤樣干燥無灰基總重量為368.34g；二次煤樣干燥無灰基重量為87.7 g。

表1 標準狀態下的各階段瓦斯含量

將以上計算結果累加，3111 措施巷煤樣瓦斯含量為9.95cm3／g；2112機巷煤樣瓦斯含量為8.51cm3／g。

2.3 煤層瓦斯壓力測定

根據煤層原始瓦斯壓力直接測定方法，按測壓時是否向測壓孔內注入補償氣體分主動測壓法和被動測壓法。測壓裝置包括測壓管（Φ12 mm 無縫鋼管）、管接頭、注漿管、壓力表等，注漿設備為注漿泵，同一測壓地點以最高瓦斯壓力測定值作為測定結果，具體直接測壓注漿封孔示意（見圖1），本次測定采用被動測壓法。

結合杉林井目前的生產布局可知，符合測壓要求可以布置鉆孔的地點非常有限。根據開采現狀和測壓要求，項目組經過比較分析確定測壓鉆孔布置在3111措施巷進行煤層原始瓦斯壓力測定工作。2010年8月8日～11日進行鉆孔施工，2010年8月11日進行了封孔，8月13日裝好了壓力表，其測定結果曲線見圖2。

圖1 注漿封孔示意

圖2 3111措施巷瓦斯壓力測定結果曲線

分析實測壓力先快速上升→緩慢上升→突然下降的主要原因，是由于測定使用的測壓管為普通鐵管，沒有采用無縫鋼管，由圖可知，8月19日開始出現少量漏氣，相對壓力上升至1.40 MPa時漏氣明顯，致使表壓不能反映實際瓦斯壓力。

根據現場測壓經驗，煤層瓦斯壓力曲線一般呈現：快速上升→緩慢上升→趨于平衡。因此本次測定工作采用了擬合趨勢線對瓦斯壓力大小進行擬合，由擬合趨勢線得到杉林井（-370m）瓦斯絕對壓力為1.70 MPa。

2.4 煤層透氣性系數測定

煤層透氣性就是煤層對于瓦斯流動的阻力，通常用透氣性系數（λ）表示，它是衡量煤層中瓦斯流動難易程度的重要指標，是評價煤層瓦斯能否實行預抽的基本參數。

本文根據瓦斯壓力增長曲線來測定煤層透氣性系數。這一方法是以徑向穩定流動為基礎，其具體做法是：垂直煤層打一鉆孔，穿過煤層，按照一般方法堵孔測壓（最好堵到煤巖交界處）。當鉆孔中壓力達到最大值P0時，取下壓力表（或打開閥門），使瓦斯壓力下降到1個大氣壓，而后再擰上壓力表使壓力重新上升，并記錄下每次改變0.5個大氣壓時瓦斯壓力的增長時間，畫出第二次的瓦斯壓力增長曲線。最后利用下面公式計算出煤層透氣性系數。

式中：λ為煤層透氣性系數，m2／大氣壓.d；γ0為鉆孔半徑，m；P0為煤層原始瓦斯壓力，大氣壓；t為瓦斯壓力上升到0.1P0、0.2P0、0.3P0、0.4P0、0.5P0、0.6P0、0.7P0、0.8P0、0.9P0的時間、日。

根據井下實測數據，采用上述方法計算得到的杉林井B4煤層透氣性系數，并進行單位換算，具體見表2。

表2 B4煤層透氣性系數測算結果

2.5 煤的工業分析

按《煤的工業分析方法》（GB／T212-2008）等相關標準所規定的方法測定煤的空氣干燥基灰分Aad為11.32%，空氣干燥基水分Mad為0.98%，干燥無灰基揮發分Vdaf為16.59%，真相對密度TRDd為1.45%，視相對密度ARDad（記為γ）為1.31%、煤的孔隙率π為0.097（取樣地點為3111措施巷測壓鉆孔）。

2.6 煤的堅固性系數、瓦斯放散初速度△P、瓦斯吸附常數測定

煤的堅固性系數、瓦斯放散初速度△P、瓦斯吸附常數測定結果具體見表3（取樣地點為3111措施巷測壓鉆孔）。

表3 B4煤層主要實驗數據匯總

3 瓦斯賦存規律相關因素分析

1）煤系地層、煤層頂底板巖性對瓦斯賦存的影響

該礦區煤層的埋藏深度較深，不利于瓦斯的排放，含煤地層為二迭系上統樂平組，一般厚度為350m，為一套過渡相為主的海陸交互相巖系。

B4煤層位于老山下亞段中下部，偽頂、偽底為薄層狀、鱗片狀炭質泥巖，直接頂為深灰色薄層狀泥質粉砂巖，厚5～10m；老頂為灰色、深灰色細砂巖、粉砂巖互層；直接底為褐灰色團塊狀泥巖；老底為灰色粉砂巖、灰色厚層狀細砂巖。礦區地層、煤層頂底板大多以泥巖、粘土巖、粉砂巖等透氣性差的巖層組成，煤層與圍巖的透氣性較差，易于形成高瓦斯壓力，因此該礦區瓦斯含量相對較大。

2）地質構造對瓦斯賦存的影響

杉林井地處杉林勘探區蛟溪背斜軸部、F5隱伏逆斷層上盤，東邊界接近F5隱伏逆斷層上盤，煤巖層變陡、直立、局部倒轉部位。礦井煤巖層總體為一走向NNE 傾向SEE、傾角平緩（除接近F5隱伏逆斷層上盤斷煤交線處實測44°外，一般都是13°左右）的單斜構造，在后期構造變動過程中，煤層沉積的原始結構遭受破壞、變形，一些泥巖、炭質泥巖及部分細粉砂巖進入煤層內，形如夾矸。在形成斷層、褶曲的同時，形成一些區域性的或局部的應力集中帶，應力集中影響瓦斯的富集：首先，應力造成煤體發生動力變質效應，導致瓦斯增生和局部瓦斯富集（如峨七井、峨六井北翼就是這種性質）；其次，構造應力還破壞煤體原生結構，形成低硬度的構造煤包或較大范圍的厚煤帶（如F5上盤）。在同等的逸散條件下，煤厚增加，會形成滯留性局部瓦斯富集，許多突出都發生在煤層增厚處。

斷層的性質、大小、數量成為該區控制瓦斯富集分區的通道性因素，-185m 東二采區小斷層密度大，瓦斯逸散條件好，地應力釋放較徹底，沒有發生過突出，預測指標也很小。

3）煤層厚度及其變化對瓦斯賦存的影響

B4煤層在該礦范圍內賦存較穩定，厚度普遍較大，煤層厚0～8.2m，平均1.5m 左右，煤層傾角15°左右。礦井處在特定的煤層“塑流”聚集變厚區，該礦井內煤層厚度大。

由于原始沉積條件較差，加之后期構造的作用，煤層厚度變化較大，煤厚的變化有利于瓦斯的富集。煤層厚度大，儲集的瓦斯越大，煤層的瓦斯含量也愈高。

4）煤體結構的影響

B4煤層結構簡單，屬于單一煤層結構，破壞類型以Ⅳ類為主，Ⅲ類次之。由于構造煤的存在，使煤層中存在大量的微孔隙，有利于瓦斯的賦存。

以上分析表明，地質構造不僅控制著該礦區B4煤層的賦存規律，而且控制著B4煤層的瓦斯分布規律，礦區含煤地層含煤性、煤層厚度、煤層結構、頂底板巖性特征對瓦斯賦存有一定的影響。

4 結語

從礦井瓦斯參數測定及賦存規律相關因素分析可以看出：

1）杉林井-370m 標高B4煤層瓦斯含量為8.51～9.95m3／t，煤層瓦斯絕對壓力為1.70 MPa，透氣性系數λ為2.48×10-4m2／MPa2.d。

2）根據有關標準，該礦B4煤層在未卸壓原始狀態下屬于瓦斯較難抽采煤層。

3）礦井瓦斯賦存不均，局部地段瓦斯含量和涌出量較大，有些地段瓦斯很小，煤層瓦斯賦存由淺至深有逐漸增加的趨勢，且存在局部瓦斯富集區，富集區位置受構造控制。

4）煤與瓦斯突出與煤層厚度變化密切相關，大部分突出發生在煤層變厚處或煤包部位。

5）通過瓦斯參數測定，可以確定煤層的瓦斯壓力、瓦斯含量、煤的相關物理性質以及煤吸附瓦斯的一些特性，從而為防突措施的制定、瓦斯綜合治理方案的確定，以及為瓦斯抽采和綜合利用提供依據和基礎。

〔1〕國家安監總局、國家煤監局.煤礦安全規程〔M〕.北京：煤炭工業出版社，2011.

〔2〕AQ1066-2008，煤層瓦斯含量井下直接測定方法〔S〕.

〔3〕AQ／T1047-2007，煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法〔S〕.

〔4〕AQ1027-2006，煤礦瓦斯抽放規范〔S〕.

〔5〕俞啟香.礦井瓦斯防治〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，1992.