強礦壓綜放工作面瓦斯參數合理確定及涌出規律研究

史春德

(華亭煤業集團有限責任公司華亭煤礦,甘肅華亭 744100)

強礦壓綜放工作面瓦斯參數合理確定及涌出規律研究

史春德

(華亭煤業集團有限責任公司華亭煤礦,甘肅華亭 744100)

通過開采工作面可采煤層的基礎數據,采用直接法、間接法、現場測定、實驗室分析相結合合理的方法,計算得出特厚煤層綜放工作面的瓦斯參數,通過對測的瓦斯參數基礎數據的分析,確定了工作面可采煤層瓦斯抽放的可行性。通過對開采工作面正常回采和強礦壓條件下的瓦斯涌出量進行統計、對比分析,并對強礦壓條件下工作面瓦斯涌出規律做了研究,得出了強礦壓條件下瓦斯涌出的一般規律,為礦井瓦斯抽放的可行性奠定了基礎,為礦井今后瓦斯治理提供了理論依據,為礦井的安全高效生產提供了有力保障。

強礦壓 綜放 瓦斯 煤礦安全

華亭煤礦為一井一面開采，走向長度2600m左右，傾向長度200m，核定生產能力400萬噸/年。工作面傾斜布置，俯斜開采，采煤方法為走向長壁傾斜分層綜采放頂煤。井田構造簡單，可采煤層為煤5層，煤層傾角一般為0°-8°，為特厚煤層，厚度變化于17.58m-48.01m，平均厚37.505m。

華亭煤礦礦井瓦斯等級鑒定，絕對瓦斯涌出量11.57m3/min，相對瓦斯涌出量1.39m3/t;相對涌出量0.70m3/t。屬于低瓦斯礦井，Ⅰ類易自燃煤層。在生產過程中，強礦壓顯現頻繁，其中最嚴重的強礦壓曾使工作面下隅角前運輸順槽200多米巷道嚴重變形，瓦斯涌出量達32m3/min。

1 煤5層瓦斯參數測定

1.1 煤層瓦斯含量測定

根據華亭煤礦煤5層礦井目前的生產及巷道布置情況，測定方法采用直接法測定煤層瓦斯含量。根據煤樣損失瓦斯量、解吸瓦斯量及殘存瓦斯量和煤中可燃質重量，即可求出煤樣的瓦斯含量:

根據華亭煤礦煤5層目前的生產及巷道布置情況，參照測定煤層瓦斯含量地點的要求，確定3個煤層瓦斯含量測定鉆孔地點，表1所示。

表1 華亭煤礦煤5層瓦斯含量測點選擇匯總表

直接法測得的煤層瓦斯含量由解吸儀測得的解吸量、煤樣從開始暴露到裝罐時間的損失量、實驗室測得的殘余量三部分組成。

實驗室測定的煤樣殘余瓦斯量及煤樣工業分析指標詳見表2所示。

根據井下現場測試結果，煤樣最初幾分鐘瓦斯解吸量與解吸時間的關系，得到各組煤樣最初幾分鐘的瓦斯解吸速度曲線，經過線性回歸分析，得出各測點煤樣在瓦斯解吸最初幾分鐘瓦斯解吸量與解吸時間的關系，即煤樣從開始暴露到裝罐時間的瓦斯解吸損失量的擬合計算公式可得出各煤樣從開始暴露到裝罐時間的瓦斯解吸損失量，見表3。

從測量結果可以看出，華亭煤礦煤5層瓦斯含量為1.63～2.27 m3/t。

1.2 煤5層瓦斯壓力測定

表2 華亭煤礦各煤樣殘余瓦斯量測定及煤樣工業分析結果

表3 華亭煤礦煤5層瓦斯含量測定結果

(1)根據華亭煤礦目前的生產及巷道布置情況，主要采用間接測定法確定煤層瓦斯壓力，而實際進行的測定方案中采用了直接測定法[1-2]，直接測壓孔共3個，分別選在煤5層250102工作面回風順槽1500m處(1號取樣孔)、250103運輸順槽600～800m處(2號取樣孔)、2501采區膠運大巷1號材料到下山口(3號取樣孔)，每個直接測壓孔鉆入煤體后分3段選取新煤樣，各采樣點采樣深度及其煤層賦存情況如表4所示。

直接法測定的瓦斯壓力見表5。

(2)實驗室測定。實驗室測定采用高壓容量吸附實驗法，實驗室設備為WY-98A吸附常數測定儀。華亭煤礦各工作面所采煤5層孔隙率最大24.05%，最小8.5%，平均孔隙率為18.20%，其煤的極限瓦斯吸附常數a值最大為33.159m3/t，最小為27.885m3/t，平均a= 32.341m3/t;b值最大為2.330MPa-1，最小1.008MPa-1，平均b=1.453MPa-1。

因此，通過瓦斯壓力的測定，華亭煤礦煤5層瓦斯壓力最大為0.204MPa，最小為0.129Mpa，即華亭煤礦煤5層瓦斯壓力變化范圍為0.129～0.204MPa。

1.3 煤層透氣性系數的測定[3]

華亭煤礦煤5層煤層透氣性系數的測定是在直接法瓦斯壓力的測定之后進行，即利用直接法測壓的1、2、3號鉆孔在測定瓦斯壓力后再直接進行煤5層煤層透氣性系數的測定工作。測量計算出的透氣性系數是華亭煤礦煤5層流動場煤層透氣性系數的平均值。其具體測算步驟和程序如下:

表4 華亭煤礦煤5層瓦斯壓力測定地點選擇匯總表

表5 直接法瓦斯壓力法測定結果

表6 鉆孔瓦斯流量測定結果

表7 不同風量下的通風、瓦斯情況統計表

(1)卸壓測定鉆孔瓦斯流量。打開卸壓閥門，卸除瓦斯壓力，記下卸壓時間，開始排放瓦斯。測定鉆孔瓦斯流量的時間，是在卸壓1d后進行。測定中，經過8d后，其讀數基本穩定無變化，因此可認為這個讀數即為所測鉆孔的瓦斯流量。表6即為各鉆孔卸壓表測得的鉆孔瓦斯流量。

(2)確定煤層瓦斯含量系數。

煤層瓦斯含量系數按式(4)，通過間接測定法得出。

式中:W—煤層瓦斯含量，通過實測華亭煤礦煤5層煤層平均瓦斯含量為2.04m3/t;

P—煤層瓦斯壓力，本次實測華亭煤礦煤5層最大瓦斯壓力為0.204MPa。

(3)透氣性系數的計算。

煤層透氣性系數根據下列公式進行計算:根據測算，華亭煤礦煤5層的煤層透氣性系數為1.672m2/ (MPa2·d)。

1.4 鉆孔瓦斯流量衰減系數

鉆孔瓦斯流量隨著時間延續呈衰減變化關系的系數(a)，可作為評估開采層預抽瓦斯難易程度的一個指標。

測算方法:3＃鉆孔測壓后，打開卸壓閥門，卸除瓦斯壓力，開始排放瓦斯。首先測量其初始瓦斯流量0q，經過時間t后，再測量其瓦斯流量tq，然后按下式計算鉆孔瓦斯流量衰減系數。

式中:a——鉆孔自然瓦斯流量衰減系數，d-1;

q0——折合成100m鉆孔自然初始瓦斯涌出量，m3/min·hm;

qt——經t時間下折合100m鉆孔自然瓦斯涌出量，m3/min· hm;

t——鉆孔自然涌出瓦斯時間，d。

3＃鉆孔卸壓排放瓦斯經過8天后，其鉆孔瓦斯流量基本穩定無變化，因此，本報告取鉆孔自然涌出瓦斯時間t=8，據此測算，華亭煤礦5煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0126d-1。

表8 工作面11月初有關地點瓦斯含量

表9 工作面3月初有關地點瓦斯含量

綜上所述，華亭煤礦煤5層的瓦斯含量為1.63m3/t～2.27m3/t，平均瓦斯含量2.25m3/t;瓦斯壓力變化范圍為0.129MPa～0.204MPa，煤5層實測最大瓦斯壓力為0.204MPa;實測鉆孔瓦斯流量為3.08m3/d～3.63m3/d;鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0126d-1;煤層透氣性系數:0.1672m2/(MPa2·d)。

2 工作面瓦斯涌出量統計

對礦井歷史上的瓦斯涌出量進行現了統計和分析，其結果如下:

緩傾斜長綜放面250101工作面初采時瓦斯涌出量見表7，250101工作面中期推進200m多m后瓦斯涌出量急劇增加表8，強礦壓顯現250102綜放面瓦斯涌出量表9。

3 工作面瓦斯涌出量分析

工作面回采中期和初期瓦斯涌出量對比為:工作面在2006年11月初瓦斯急劇增加，上隅角瓦斯濃度平均比回采初期上隅角瓦斯濃度要高0.5～1個百分點，使工作面經常停產處理瓦斯;工作面絕對瓦斯涌出量達到了12.5m3/min～19.6m3/min，比回采初期增加了近10倍。在工作面回采中期雖仍然屬于低瓦斯工作面，但局部瓦斯的積聚影響工作面的生產。

礦井回采250102工作面期間，由于工作面強礦壓顯現頻繁，當工作面強礦壓來臨時，采空區、下分層原始煤層、工作面前方煤層和巷道高頂及煤柱瓦斯大量涌出，使工作面瓦斯比正常涌出增加1倍多，工作面最大絕對瓦斯涌出量達到了32m3/min，無論是工作面回風流，還是工作面上隅角的瓦斯濃度均比平常高1倍多。礦井從深部緩傾傾斜初采，到深部緩傾斜回采，再到深部緩傾斜強礦壓回采，其工作面絕對瓦斯涌出量呈幾何級上升(圖1)，對工作面的安全造成了嚴重威脅。

4 影響華亭煤礦瓦斯涌出量增大的主要原因

瓦斯涌出量變化受多因素影響[4-8]，主要表現在以下幾個方面:

(1)煤層埋藏深度的影響。一般而言，煤層瓦斯含量及其壓力是隨著煤層埋藏的深度增加而增加，這是瓦斯規律挮度法預測的立足點。250101工作面煤層埋藏深度為700m，這個深度在國內開采工作面煤層中也屬較深的，所以煤層瓦斯含量必然增加。

圖1 礦井不同開采時期工作面絕對瓦斯涌出量變化

表10 煤層瓦斯抽放難易程度表

(2)煤層厚度及其結構的影響。煤層是含煤巖系中具有較多各類空隙的有機巖層，對瓦斯有較強的吸附能力，并且吸附能力隨著煤化程度的加深而呈進規律性的增加。250101工作面開采煤層厚度達到40m，屬于特厚煤層，因此瓦斯含量有所增加。

(3)煤質的影響。煤質是影響煤的產氣量及吸附性能的重要方面。一般煤的灰份越小，對瓦斯的吸附能力較強，越有利于瓦斯的吸附和保存。250101工作面所采的長焰煤灰份較少，對瓦斯的吸咐能力較強，我國東北地區的遼寧省阜新、鐵法[9]，吉林省的羊草溝，河南省的義馬等局回采長焰煤，均屬高瓦斯礦井。

(4)煤層的賦存狀態。華亭煤礦煤層的賦存呈鍋底狀況，使瓦斯容易在煤層中積聚，因而使煤層中瓦斯含量增加。

(5)開采強度大。綜放面長度為200m、采、放煤層厚度為18.6m，為超長綜放面，綜放面開采強度達到了日產13600t/d，雖然煤層瓦斯含量不太大，但由于產量大、工作面長，積少成多，特別容易在上隅角積聚瓦斯。瓦斯涌出分為普通涌出和異常涌出。工作面落煤的破碎程度及瓦斯發散初速度指標越大，初期涌出量也就越大。250101工作面在采煤機割煤時由于煤較碎，所以瓦斯涌出量較大，產量越高，瓦斯涌出越大。

(6)采空區溫度較高。華亭煤礦綜放面溫度較高，一般為28℃，由此推斷綜放面采空區溫度高于30℃，采空區溫度過高，使氣體易于澎漲，采空區瓦斯容易涌入到工作面。

(7)綜放面為上分層工作面。綜放面所采煤層的總厚度為36m，250102綜放面為上分層綜放面，相當于開采解放層，因此開采中瓦斯涌出較大。

(8)綜放面強礦壓顯現頻繁。250102綜放面強礦壓顯現頻繁，采空區空間大，壓力大，在開采時經常能聽到煤炮聲，使采空區瓦斯容易涌出到工作面，特別是當下分層原始煤層受大的動壓影響后，會產生裂隙，大量的瓦斯能從煤層中涌入上分層采空區，使采空區瓦斯含量增大。

5 華亭煤礦綜采面強礦壓發生時瓦斯涌出規律及危害

華亭煤礦煤5層雖然瓦斯含量較低，但是由于工作面為特大型工作面，瓦斯積少成多，工作面局部地方瓦斯涌出較高，工作面絕對瓦斯涌出量一般為19m3/min，當工作面強礦顯現時，工作面絕對瓦斯涌出量增大到32m3/min，其瓦斯涌出的特點為:①強礦壓造成采空區下分層煤體松動，大量瓦斯從下分層煤體裂隙涌出，再加上采空區內窒息帶的瓦斯也被強礦壓壓出，使采空區瓦斯大量涌出，工作面風流中瓦斯濃度增加2～3個百分點;②工作面上隅角瓦斯瞬間急劇增加，若治理措施不到位，上隅角瓦斯濃度易出現超限狀態;③強礦壓形成的巷道高冒區瓦斯濃度上升很快，給安全生產造成了較大隱患;④當強礦壓造成工作面回風順槽巷道變形后，巷道內風流中瓦斯會嚴重超限，而由于巷道風阻的增大，又使巷道風量不能有效地增加，使回風順槽的瓦斯濃度不易降低，給維修巷道工作造成安全隱患，嚴重的影響了工作面的安全生產。綜放面回采易自燃發火特厚煤層，強礦壓造成工作面停止推進或推進度變慢后，工作面易自發火，使工作面瓦斯與火災共存，給工作面造成了巨大的安全隱患。

6 煤5層瓦斯抽放可行性及必要性分析

瓦斯抽放的可行性應以是否能抽出瓦斯或能否獲得較好地抽放效果來評價。而抽放方式則應根據煤層的賦存和開采條件來選擇。

開采層瓦斯抽放的可行性是指在原始透氣性條件進行預抽的可能性。最常用的用來衡量煤層瓦斯抽放難易程度的指標是煤層透氣性系數和鉆孔瓦斯流量衰減系數。《礦井瓦斯抽放管理規范》中對瓦斯抽放的難易程度劃分為三類[10]，詳見表10所示。

根據測算結果，華亭煤礦煤5層的煤層透氣性系數為0.1672m2/ (MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0126d-1。結合表11可以看出，華亭煤礦煤5層的煤層透氣性系數、鉆孔瓦斯流量衰減系數均顯示煤5層瓦斯屬于可以抽放類別，即對煤5層瓦斯進行抽放是可行的。

此外，華亭煤礦隨著煤層瓦斯含量的增大，瓦斯涌出異常，掘進面和采煤面瓦斯超限現象必將時有發生。對煤5層進行瓦斯預抽不僅可以有效降低煤5層的瓦斯含量，減小工作面的瓦斯涌出量，節省通風電力費用，而且還可以解決局部瓦斯超限問題。因此，對煤5層開展瓦斯抽放工作也是非常必要的。

7 結語

(1)實際檢測表明，華亭煤礦煤5層瓦斯含量為1.63～2.27m3/ t，開采區域內煤5層的平均瓦斯含量為2.25m3/t。

(2)華亭煤礦煤5層，煤層孔隙率最大24.05%，最小8.5%，平均孔隙率為18.20%，其煤的極限瓦斯吸附常數a值最大為33.159m3/t，最小為27.885m3/t，平均a=32.341m3/t;b值最大為2.330MPa-1，最小1.008MPa-1，平均b=1.453MPa-1。

(3)華亭煤礦煤5層瓦斯壓力變化范圍為0.129～0.204MPa，其煤層瓦斯最大壓力為0.204MPa，最小為0.129Mpa;實測鉆孔瓦斯流量為3.08m3/d～3.63m3/d;鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0126d-1;煤層透氣性系數為0.1672m2/(MPa2·d)。

(4)根據現場所測瓦斯涌出量資料，通過對比分析發現，華亭煤礦煤5層，礦井(或回采工作面)的相對瓦斯瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量存在有明顯的線性關系，其線性系數變化范圍為0.40～0.55，其中，回采工作面相對瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量的線性系數變化范圍為0.40～0.51;礦井相對瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量的線性系數變化范圍為0.48～0.55。

(5)綜放工作面在強礦壓條件下與正常回采時煤層瓦斯涌出規律不同。瓦斯涌出量瞬間增大，并伴有發火隱患。

(6)對華亭煤礦煤5層的煤層透氣性系數、鉆孔瓦斯流量衰減系數的測定結果均表明煤5層瓦斯屬于可以抽放類別，即對煤5層瓦斯進行抽放是可行的。

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史春德(1976—),男,采礦工程師,2000年畢業于太原理工大學采礦工程專業,現任華亭煤礦副礦長職務。