新元煤礦區域預測瓦斯含量臨界值研究

李炎濤王兆豐楊宏民（山西煤炭運銷集團陽泉有限公司,山西陽泉04500；河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作454003）

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新元煤礦區域預測瓦斯含量臨界值研究

李炎濤1王兆豐2楊宏民2
（1山西煤炭運銷集團陽泉有限公司,山西陽泉04500；
2河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作454003）

摘要在實驗室對3#煤層的堅固性系數進行了測定，結果表明：新元煤礦3#煤層的最小堅固性系數為0.18，將其代入經驗公式，得出了新元煤礦最小突出瓦斯壓力為0.74 MPa，并結合不同水分條件下的原煤瓦斯含量與瓦斯壓力對應關系，確定出了新元煤礦區域預測瓦斯含量臨界值為8.21 m3/t。在新元煤礦31003巷、西七中間巷進行了現場考察，并測定了考察過程中的鉆屑瓦斯解吸指標K1值和Δh2值，結果表明，實驗得出的區域預測瓦斯含量臨界值是可靠的。

關鍵詞瓦斯含量臨界值；最小堅固性系數；鉆屑瓦斯解吸指標

0引言

根據煤與瓦斯突出的綜合作用假說[1]，煤與瓦斯突出是瓦斯、地應力以及煤的物理力學性質綜合作用的結果，瓦斯是控制煤與瓦斯突出的三大要素之一。高壓瓦斯的存在是突出的基礎條件和能量來源，它不但參與了煤體的破碎，還是拋出煤體的主要動力。煤層瓦斯含量是控制瓦斯突出的直接因素，只有在瓦斯含量達到一定值的時候，煤層才具有突出的可能性[2-3]。煤層瓦斯含量不僅決定著突出的難易程度，還影響著突出的強度。我國的不少礦區把煤層瓦斯含量作為評價瓦斯突出的標準[4]。但由于煤與瓦斯突出是一種極為復雜的動力現象，不同類型的瓦斯突出具有不同的預測敏感指標及臨界值，同一礦井的不同煤層或同一煤層的不同水平，完全可能具有不同的預測敏感指標及臨界值[5]。因此，需要根據礦井、煤層甚至突出危險區的瓦斯地質情況選擇合適的突出預測敏感指標及其臨界值。本文針對新元煤礦情況，研究了新元煤礦的區域預測瓦斯含量臨界值，并進行了現場驗證。

1煤樣基礎參數測定

在實驗室采用落錘法對新元煤礦的最小堅固性系數[6]進行了測定，按照煤的工業分析方法(GB212-2001)對煤樣的揮發分[7]進行了測定，測定結果見表1。

表1煤的堅固性性系數測定

2最小突出瓦斯壓力確定

研究表明，煤層瓦斯壓力越高，突出的危險性就越大，瓦斯突出的最小突出瓦斯壓力與煤的堅固性系數有關，且煤層的最小瓦斯突出壓力與煤的堅固性系數存在著函數關系，因此可以利用經驗公式來計算最小突出瓦斯壓力，目前常用的經驗公式有以下3種：

（1）煤炭科學研究總院重慶分院胡千庭、文光才等人的研究成果表明：

式中：Pmin——煤層發生瓦斯突出時的最小瓦斯壓力，MPa；

fmin——軟煤分層最小堅固性系數。

（2）北票礦務局提供的達到突出瓦斯壓力的經驗公式為：

Pmin=2.79fmin+0.39

（3）俞啟香等研究結果表明發生突出的瓦斯壓力最小值可通過下式來計算：

Pmin=5! 0.1+0.017Vfmin"

式中：V——軟煤分層的揮發分含量，由于要計算的

是發生突出的最小瓦斯壓力，因此，根

據新元煤礦的基礎參數測定結果表1，

揮發分取16.5%。

由表1中數據我們可以看出，在測定的3組煤樣中，其堅固性系數的變化區間為0.18~0.41，其中堅固性系數最小的煤樣為西七中間巷距巷口770 m處，f值為0.18，取該值作為計算最小突出瓦斯壓力的fmin。將測定的最小堅固性系數fmin=0.18代入各個經驗公式，可求得各自對應的消突最小突出瓦斯壓力，計算結果見表2。

表2最小突出瓦斯壓力計算

從上面的表中可以看出，在新元煤礦目前的開拓區域內，三個經驗公式計算出的消突最小突出瓦斯壓力（相對壓力）為0.88 MPa、0.76 MPa、0.89 MPa，取其中的最小值0.76 MPa作為新元煤礦開拓區域的消突最小突出瓦斯壓力。但是考慮到目前開拓的只是部分區域，所揭露的軟分層煤樣并一定能代表整個礦井的煤層賦存情況，有可能存在著堅固性系數小于0.18的區域，且上述計算值為經驗公式，因此計算出來的結果并不能代表整個礦井的最小突出瓦斯壓力。同時，考慮到計算結果與《防治煤與瓦斯突出規定》區域預測與區域消突評價的最小突出瓦斯壓力值0.74 MPa（表壓）相差僅0.02 MPa，所以，為安全起見，將0.74 MPa作為新元煤礦區域消突臨界壓力值。

3區域預測瓦斯含量臨界值確定

根據本人的碩士論文[8]，確定了不同水分條件下的瓦斯含量與瓦斯壓力的對應關系，將確定的瓦斯壓力臨界值0.74 MPa代入上述公式可以確定不同水分條件下對應的煤層瓦斯含量：

從上面可以看出，瓦斯壓力為0.74 MPa時對應的瓦斯含量區間[9.03 m3/t~10.20 m3/t]，最小瓦斯含量為9.03 m3/t。綜上，安全起見，在采用煤層瓦斯含量指標進行區域預測時，其臨界值理應取其臨界域的下限，即9.03 m3/t。但是，考慮到煤層水分賦存的不均衡性、煤層瓦斯吸附的復雜性、試驗樣本的局限性，在其臨界域下限的基礎上還應考慮一定的安全系數，安全系數取1.1，即將8.21 m3/t作為新元煤礦區域預測瓦斯含量臨界值。

同時，考慮到目前煤與瓦體突出機理仍處于假設階段，究竟“突出三要素”（瓦斯、地應力及煤的物理力學性質）在突出過程中各自貢獻多大仍沒有定論，而地質構造附近煤層瓦斯賦存極為不平衡，同時構造應力加劇了地應力的復雜程度，由于構造應力作用，地質構造附近的煤體往往受到不同程度的破壞，而僅用瓦斯含量指標難以完整的表征突出三要素的變化。因此在地質構造附近，在進行區域預測或者消突效果檢驗時，臨界值仍取8.0 m3/t進行區域預測。

4現場應用與考察

本次考察的對象為31003正巷、西七中間巷，在采取了順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯防突區域防突措施后，預抽4個月后開始掘進，掘進前在工作面迎頭施工3個長度為50 m左右的鉆孔測定煤層殘余瓦斯含量。研究期間，跟蹤考察了這兩條巷道的煤層瓦斯含量W、鉆屑瓦斯解吸指標K1值和Δh2值，預測鉆孔布置見圖1。其中在31003正巷測試了9組煤層瓦斯含量，在31003副巷測試了8組煤層瓦斯含量，測定結果見表3。

圖1鉆屑解吸法預測鉆孔布置示意

表3殘余瓦斯含量測定結果

從表3可看出，經過2個月的預抽，測試的殘余瓦斯含量區間為6.05 m3/t~8.31 m3/t，其中有6組殘余瓦斯含量超出了《防治煤與瓦斯突出規定》給出的臨界值8 m3/t，但并未超出瓦斯含量臨界值8.21 m3/t[8]，并且在施工過程中無瓦斯動力現象（卡鉆、頂鉆、響煤炮等），因此可以認為這兩個區域已經達到消突。同時為了進一步驗證31003正巷、西七中間巷的突出危險性，對兩條巷道跟蹤考察期間的鉆屑瓦斯解吸指標與考察距離進行了整理，并繪制了鉆屑瓦斯解吸指標與考察距離的曲線，如圖2和圖3所示。

圖3西七中間巷鉆屑瓦斯解吸指標隨巷道變化

從圖3可以看出，在31003巷考察的170 m內，測定的最大鉆屑瓦斯解吸指標K1值為0.31 mL/g· min0.5，最大值為192 Pa，均沒有超過《防治煤與瓦斯突出規定》給出的臨界值0.50 mL/g·min0.5和200 Pa；從圖4可以看出，在西七中間巷考察的180 m內，測定的最大鉆屑瓦斯解吸指標K1值為0.30 mL/ g·min0.5，最大值為192 Pa，均沒有超過《防治煤與瓦斯突出規定》給出的臨界值0.50 mL/g·min0.5和200 Pa。在考察期間，兩條巷道均未發生煤與瓦斯突出現象，因此得出的區域預測瓦斯含量臨界值8.21 m3/t是可信的。

5結語

（1）在實驗室測定了新元煤礦3#煤層的堅固性系數，從中選取了其中的最小堅固性系數為0.18，并將其帶入了經驗公式，計算出了3#煤層的最小始突瓦斯壓力為0.76 MPa，同時考慮到計算結果與《防治煤與瓦斯突出規定》規定結果相差不大，初步確定了新元煤礦區域預測瓦斯壓力臨界值為0.74 MPa。

（2）根據建立的不同水分條件下的瓦斯含量與瓦斯壓力對應關系，計算出了0.74 MPa下對應的瓦斯含量，在保留了1.1的安全系數下的情況下，確定了區域預測瓦斯含量臨界值是8.21 m3/t；在地質構造附近，瓦斯含量臨界值取8.0 m3/t。

（3）采用計算出的瓦斯含量臨界值對31003巷、西七中間巷進行了現場考察，并測定了考察過程中的鉆屑瓦斯解吸指標K1值和Δh2值，結果表明，實驗得出的區域預測瓦斯含量臨界值是可靠的。

參考文獻

[1]俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1992.

[2]孫麗娟，劉玉洲，等.煤與瓦斯突出區域預測方法及應用［J］.煤炭工程，2010（2）：98-100.

[3]陸國楨.“瓦斯地質”的回顧與展望[J] .焦作礦業學院學報，1993，12（6）：1-3.

[4]張子敏，張玉貴.瓦斯地質規律與瓦斯預測[M] .北京：煤炭工業出版社，2005：90-91.

[5]近藤精一，石川達雄，安部郁夫.吸附科學(原著第二版) [M] .李希國，譯.北京：化學工業出版社, 2006（1）: 35-30.

[6]中華人民共和國煤炭工業部.煤的堅固性系數測定方法(MT/49-87) [S] .1987.

[7]中國煤炭工業協會. GB/T 212-2008.中華人民共和國國家標準－煤的工業分析方法[S] .北京：中國標準出版社.2008年.

[8]李炎濤.新元煤礦原煤瓦斯含量與瓦斯壓力對應關系及其應用研究[D] .河南：河南理工大學，2013: 61-62.

李炎濤，男，1987年出生，河南新鄭人，碩士研究生，現在陽泉市上社煤炭有限責任公司通風工區工作，主要從事通風與安全方面的研究。

Study on the Threshold of Area Predict Gas Content of Xinyuan Coal Mine

Li Yantao1Wang Zhaofeng2Yang Hongmin2
(1.Yangquan CO.,LTD. of Shanxi Coal Transportation and Sales Group, Yangquan, Shanxi 04500;
2. Institute of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454003）

Abstract：The consistence coefficient of 3#coal seam is determined in the laboratory, the results show that minimum consistence coefficient of 3# coal seam in Xinyuan Coal Mine is 0.18, using it into the empirical formula，it is concluded that the minimum outburst gas pressure of Xinyuan Coal Mine is 0.74 MPa, and combining with corresponding relation between raw coal gas content and gas pressure in different moisture conditions, it is identified the threshold of area predict gas content in Xinyuan Coal Mine is 8.21m3/t. The field investigation is carried on in 31003 roadway and west 7th middle roadway of Xinyuan Coal Mine, and the drilling gas desorption index K1and Δh2in the process of inspection are measured, the results show that the threshold of area predict gas content by experiment is reliable.

Key words：threshold of gas content; minimum consistence coefficient; drilling gas desorption index

收稿日期：2016-01-06

作者簡介

中圖分類號TD712

文獻標識碼A

文章編號1000-4866 (2016) 01-0018-04