六盤水礦區“三軟”煤層瓦斯參數變化特征

紀發波 李紅祥 王勝利 常宏

摘 要：為防治煤礦瓦斯事故，本文分析了六盤水礦區煤層的“三軟”特征，以某煤礦為工程背景，開展了巖石力學實驗，分析了瓦斯參數變化特征，結果表明，煤層中的瓦斯壓力與鉆孔半徑成正比，與抽采時間成反比。

關鍵詞：六盤水;“三軟”煤層;瓦斯參數

1、引言

眾所周知，貴州省礦區普遍存在“三軟”煤層，煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的數量及傷亡人數在全國瓦斯事故中均處于前列，是我國煤礦瓦斯災害防治的重點區域。六盤水礦區煤炭產量占全省1/3以上，煤炭企業稅收占全市財政稅收的25%左右，煤炭產業是六盤水市名副其實的支柱產業。但近年來，瓦斯事故仍然頻發，如2018年盤州市松河煤礦、梓木嘎煤礦先后發生煤與瓦斯突出事故，造成了人員傷亡和經濟損失。國家安監總局領導及六盤水市李恒超副市長均提出，要立足六盤水市煤層賦存情況和生產技術條件，探究瓦斯事故根源，遏制重特大事故的發生，解決當前迫切的安全形勢。因此，本文根據六盤水礦區“三軟”煤層的特殊賦存特征，對瓦斯參數變化規律進行研究，從而為六盤水礦區瓦斯防治提供一定的借鑒。

2、六盤水礦區“三軟”煤層特征

六盤水礦區為典型峰叢地貌，受滑動構造和高地應力影響，煤體多為鱗片狀或糜棱狀等情況，有一定的流變現象，整體上強度均比較低。且受斷層、褶皺和構造盆地影響，煤層厚度不穩定，尖滅、厚薄不均的現象比較明顯，導致瓦斯賦存也不均衡，瓦斯壓力、瓦斯含量變化較大。同時，煤層的透氣性交叉，瓦斯表現為吸著狀態，吸附能力強。由于煤礦生產規模不斷加大，礦井逐步轉入深部開采，瓦斯壓力普遍增大。在較高的煤巷掘進速度下，瓦斯放散速度有所提高，容易引發煤與瓦斯突出事故。

項目組對六盤水礦區某煤礦頂底板進行取樣，測試了圍巖物理力學性能，結果如表1所示。需要說明的是，由于巷道圍巖受高應力影響，節理、裂隙發育廣泛，取樣數量有限，制成巖心只有11組，且個別試件并非標準巖樣。

另外，項目組也對該礦的瓦斯地質資料進行了分析，現場觀測了煤體的破壞類型，采取煤巖樣在實驗室內對煤的瓦斯放散初速度和堅固性系數進行了測試。結果表明，該礦主采煤層受地質構造影響顯著，原生結構及其特征已不存在，煤體大多呈粉狀及粉泥狀，是以糜棱煤為主的構造煤，煤的強度極低，手捻即碎，容易發生煤與瓦斯突出;實驗室測得煤的硬度較低，普氏硬度系數f值在0.14～0.27之間，而實驗室測得煤的瓦斯放散初速度Δp值則在19.5～35.4之間;在掘進工作面現場測得的煤體瓦斯含量為7.76～14.01m3/t，平均9.52m3/t，瓦斯壓力0.21～1.12MPa，平均0.68MPa。

3、瓦斯參數變化特征分析

瓦斯壓力場方程是確定瓦斯壓力和分析瓦斯分布規律的理論技術基礎，并且對于煤礦瓦斯防治具有現實的指導意義。在達西定律的基礎上，國內外學者也開展了大量深入的研究工作，孫銳、王兆豐等（2010）建立了有限流場的瓦斯流動理論方程，并求出了該方程的解析解，推導出了中間煤柱的瓦斯壓力分布計算式;楊寧波等（2010）以達西定律和煤層瓦斯流動理論假設為基礎，運用質量守恒定律，建立了鉆孔周圍煤體瓦斯流動的數學模型，得到了鉆孔周圍瓦斯流動的方程及其定解條件。

項目組上述煤礦收集了垂直于煤層的兩個抽放鉆孔的數據，并利用Excel軟件對數據進行擬合，如圖1所示。擬合后的函數分別為：

是鉆孔中瓦斯的質量-體積濃度，即：單位體積氣體中瓦斯的質量數，g/m3，是關于時間t的函數。

煤層中徑向不穩定流的瓦斯壓力場方程可表示為：

由上述公式可以看出，煤層中瓦斯壓力與鉆孔半徑成正比，與時間成反比。在應力增高區，會出現瓦斯壓力異常現象。經過同理分析可知，鉆孔瓦斯涌出初速度、綜放工作面前方支承應力、瓦斯涌出量及掘進工作面前方的瓦斯壓力關于時間或距離的曲線具有相同的變化趨勢，它們可以用同一類型的方程進行描述。

4、小結

本文分析了六盤水礦區“三軟”煤層的特征，并基于此運用理論分析和軟件擬合的方法構建了單一巷道（鉆孔）的瓦斯壓力場方程，對于不穩定流，鉆孔中瓦斯的質量濃度函數為指數函數，并且瓦斯壓力與半徑成正比，與時間成反比。

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作者簡介：

紀發波（1996.11-），男，貴州六盤水人，本科在讀，主要從事采礦工程方面的學習和研究工作

項目基金：六盤水師范學院大學生項目（LPSSYDXS19110）

（六盤水師范學院礦業與土木工程學院? 貴州? ?六盤水? ?553004）