古城煤礦3 號煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試研究

張成輝

（山西潞安化工集團(tuán)有限公司古城煤礦，山西 長治 046108）

0 引 言

隨著煤礦井下開拓的深度持續(xù)增加，礦井瓦斯賦存和瓦斯涌出勢必日益增加，瓦斯災(zāi)害的威脅日趨嚴(yán)重，需加大瓦斯治理的力度，以保證井下生產(chǎn)安全[1-2]。瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)是瓦斯治理的重要依據(jù)，其正確與否直接關(guān)系著礦井開采的作業(yè)安全，同時(shí)也涉及到需要施工瓦斯治理工程范圍的大小，與礦井的經(jīng)濟(jì)效益有著直接的關(guān)系[3-4]。目前，古城煤礦井下開拓已經(jīng)進(jìn)入北二盤區(qū)、南二盤區(qū)、北三盤區(qū)及南三盤區(qū)等區(qū)域，為了便于瓦斯治理工作的規(guī)劃管理和現(xiàn)場實(shí)施，需對古城煤礦北二盤區(qū)、南二盤區(qū)、北三盤區(qū)及南三盤區(qū)已開拓區(qū)域的3 號煤層展開瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試。

1 工程概況

古城煤礦隸屬于山西潞安礦業(yè)集團(tuán)，礦區(qū)面積157.299 3 km2，開采深度+500～+1 000 m 標(biāo)高，為高瓦斯礦井。礦井核定生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a，目前開采3 號煤層。據(jù)估算古城井田3 號煤層資源量總計(jì)為1 302.61 Mt，工業(yè)資源量為1 264.64 Mt，設(shè)計(jì)儲量1 053.46 Mt，設(shè)計(jì)可采儲量為742.15 Mt，礦井設(shè)計(jì)服務(wù)年限為71.4 a。

3 號煤層位于山西組下部，下距14 號煤層87.08 ～128.66 m，平均98.29 m。3 號煤層厚度3.35～10.45 m，平均厚度6.27 m，煤層厚度變化較大。3 號煤層中含0～2 層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸，變異系數(shù)為0.14，屬穩(wěn)定性煤層。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖。

2 煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試

2.1 煤堅(jiān)固性系數(shù)（f）測試

煤體堅(jiān)固系數(shù)f表示煤體所能承受的外在破壞力大小的一個(gè)指標(biāo)，其值的大小主要取決于煤的強(qiáng)度、硬度等參數(shù)[5]。主要測定方法為落錘法，即通過錘子的自由下落砸碎煤塊，然后對煤塊的破碎程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

本次在古城煤礦西二回3 號貫迎頭、東翼膠帶大巷延伸段4 號鉆場、南翼西一回5、29 號鉆場向前40 m 正頭、S1306 工作面回風(fēng)順槽11 號橫貫、南二回延伸段迎頭等區(qū)域，分別采集3 號煤層煤樣各5 kg，并將煤樣用手工破碎成20～30 mm 粒度的煤樣，分成50g 一份，每5 份為1 組（250 g），共需3 組（750 g），進(jìn)行煤堅(jiān)固性系數(shù)測定。

由下式計(jì)算煤的堅(jiān)固性系數(shù)：

式中：f為煤的堅(jiān)固性系數(shù)；n為每次試樣的沖擊次數(shù)，次；L為每次試樣篩下粉煤的計(jì)量高度，mm。測定平均樣3 組（每組5 份），取算術(shù)平均值。古城煤礦3 號煤層堅(jiān)固性系數(shù)實(shí)測結(jié)果為0.54～0.72。

2.2 煤的瓦斯放散初速度（△p）測試

瓦斯放散初速度指標(biāo)（△p）表示煤體放散瓦斯能力的大小，當(dāng)煤體中瓦斯放散初速度越大，越容易形成瓦斯集中，在壓力較大時(shí)形成瓦斯流，越容易發(fā)生煤與瓦斯突出[6]。放散初速度指標(biāo)測定儀示意圖如圖1 所示。

圖1 放散初速度指標(biāo)測定儀示意圖

測定瓦斯放散初速度的煤樣采樣地點(diǎn)與測定煤的堅(jiān)固性系數(shù)的煤樣采樣地點(diǎn)相同，每個(gè)地點(diǎn)同一個(gè)煤樣測定2 個(gè)平行煤樣，在誤差范圍內(nèi)取平均值。古城煤礦3 號煤層煤樣△p為9.6～11.6。

2.3 煤層瓦斯含量測試

煤層瓦斯含量一般是指單位體積煤體中賦存的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)瓦斯量。煤層瓦斯含量是煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試中最主要的一部分參數(shù)，可通過該參數(shù)對礦井瓦斯總含量及瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測分析，同時(shí)，它也是鑒定礦井煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的重要依據(jù)[7]。采用常壓解吸法對古城煤礦3 號煤層的瓦斯含量進(jìn)行測定，在井下進(jìn)行鉆孔取芯及收集煤屑，通過對樣本實(shí)驗(yàn)確定出煤體實(shí)際的瓦斯解析量，并以此來確定煤層瓦斯含量。煤樣瓦斯含量包括損失瓦斯含量W1、粉碎前常壓解吸瓦斯含量W2、粉碎解吸瓦斯含量W3及殘存瓦斯含量Wc。其中粉碎前常壓解吸瓦斯含量由井下瓦斯解吸含量和實(shí)驗(yàn)室瓦斯解吸含量組成。

2.3.1 損失瓦斯含量的計(jì)算

測定煤層瓦斯含量的測定原理：一般認(rèn)為鉆孔煤樣在剛開始暴露的一段時(shí)間內(nèi)，累計(jì)解吸的瓦斯量與煤樣解吸時(shí)間的平方根成正比例，即：

式中：Vz為煤樣自暴露時(shí)起至解吸測定進(jìn)行時(shí)間t時(shí)的瓦斯總解吸體積，ml；k為比例常數(shù)，cm3/min1/2；t0為煤樣在解吸測定前的暴露時(shí)間，min；t為煤樣解吸測定的時(shí)間，min。 解吸測定出的瓦斯解吸量V僅為煤樣總解吸量的一部分，僅是t0到t那部分解吸量，因此：

2.3.2 損失瓦斯含量的計(jì)算

在井下鉆取煤屑，裝入罐中密封。將煤樣罐與解吸儀連接（見圖2）進(jìn)行現(xiàn)場解吸，每隔一定時(shí)間記錄量管讀數(shù)及測定時(shí)間，連續(xù)60～120 min 或解吸量小于2 cm3/min 為止。開始觀測前30 min 內(nèi)間隔1 min讀一次數(shù)，以后每隔2～5 min 讀一次數(shù)。將井下自然解吸后的煤樣罐與地面解吸裝置連接，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室常壓解吸瓦斯量測定，并進(jìn)行煤樣稱重。將井下解吸瓦斯量與實(shí)驗(yàn)室常壓瓦斯解吸量相加，并除以煤樣重量，所得數(shù)據(jù)為粉碎前常壓解吸瓦斯含量W2。

圖2 煤樣瓦斯解吸速度測定儀

2.3.3 粉碎解吸瓦斯含量和殘存瓦斯含量的測定

將煤樣罐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室常壓解吸瓦斯量測定之后，取兩份相等量的二次煤樣，進(jìn)行粉碎后常壓解吸量測定，取2 份煤樣解吸的平均值為粉碎后的解吸量，除以煤樣重量即可得到粉碎解吸瓦斯含量。最后，殘存瓦斯含量（常壓不可解吸瓦斯含量）按下式計(jì)算。

式中：Xb為煤體不可解析的瓦斯量，m3/t；a、b為煤的瓦斯吸附常數(shù)，單位分別為m3/t 及MPa-1；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤所含水分，%；K1位煤體孔隙率，%；ARD為煤的視相對密度，t/m3。

殘存瓦斯含量計(jì)算過程中需要使用煤的灰分、水分、孔隙體積、相對視密度及吸附常數(shù)a、b 值等參數(shù)見表1、表2。

表1 煤樣吸附常數(shù)a、b 值測試結(jié)果

表2 煤樣工業(yè)分析結(jié)果（僅列出與殘存瓦斯含量計(jì)算相關(guān)的參數(shù)）

根據(jù)上述步驟得到古城煤礦3 號煤層粉碎解吸瓦斯含量W3 為1.55～8.12 m3/t，殘存瓦斯含量Wc為1.85～2.35 m3/t。

2.3.4 煤層瓦斯含量測定結(jié)果

最終，將上述方法計(jì)算出的井下瓦斯解吸量、瓦斯損失量、粉碎前自然解吸瓦斯量、粉碎后解吸瓦斯量及不可解吸瓦斯量等相加，其和即為煤層瓦斯含量。綜上所述，古城煤礦3 號煤層本次測試的瓦斯含量為4.64～14.97 m3/t，結(jié)果詳見表3。

2.4 煤層瓦斯壓力測試

由于煤體的孔隙發(fā)育度較高，因此有較多游離態(tài)的瓦斯賦存在這些孔隙中并形成一定的氣體壓力，稱之為煤層瓦斯壓力，它是預(yù)測煤與瓦斯突出及防突措施制定的重要依據(jù)[8]。

表3 煤層瓦斯含量測定一覽表

2.4.1 測壓鉆孔布置方案

煤層瓦斯壓力的測試主要是通過打鉆孔測壓的方式進(jìn)行，為了使得測試結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確，在制定測壓鉆孔布置及施工方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合古城煤礦3 號煤層的實(shí)際賦存條件、礦井生產(chǎn)接續(xù)情況、鉆機(jī)設(shè)備及封孔工藝等情況，同時(shí)鉆孔應(yīng)盡量布置在采動影響范圍之外的穩(wěn)定巖巷內(nèi)。

綜合考慮下，確定了古城煤礦3 號煤層測壓鉆孔布置方案：3 號煤層本次基礎(chǔ)參數(shù)測試共布置9 個(gè)測點(diǎn)、18 個(gè)鉆孔，測壓鉆孔布置示意圖如圖3 所示，鉆孔竣工參數(shù)見表4。

2.4.2 鉆孔封孔工藝與方法

封孔方法：均采用水泥漿封孔法。

封孔工藝：將測壓表裝入孔內(nèi)終孔處，測壓表與測壓管連接，測壓管長度為3 m 每根，測壓管下方安置注漿泵及φ15 mm 的注漿鐵管。為保證封孔嚴(yán)密，測壓表與測壓管連接處用生料帶纏繞，測壓管及注漿管末端用聚氨酯進(jìn)行封堵，然后按照水灰比為2∶1 的比例將硅酸鹽水泥及添加劑進(jìn)行混合攪拌，并泵送乳孔內(nèi)進(jìn)行封孔，當(dāng)泥漿從測壓管返流時(shí)停止注漿，并對注漿管進(jìn)行處理，開始測定瓦斯壓力。封孔工藝見圖3。

表4 古城煤礦3 號煤層瓦斯壓力測定鉆孔技術(shù)參數(shù)表

圖3 上向孔測壓封孔工藝示意圖

封孔深度：封孔深度一般由鉆孔長度來確定，還需保證測壓氣室布置于圍巖松動圈以外的穩(wěn)定巖層中，測壓氣室的長度應(yīng)大于1.5 m。由于3 號煤層賦存深度較大、圍巖周圍應(yīng)力較集中，在鉆孔施工過程中容易發(fā)生塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，導(dǎo)致測壓管在鉆孔內(nèi)只能延伸至30～35 m 的深度，考慮到測壓氣室的長度，測壓管至孔底還需存在一定的空間。因此，綜合考慮實(shí)際條件及鉆孔施工情況，確定出3 號煤層瓦斯測壓鉆孔的封孔深度應(yīng)不小于30 m。

2.4.3 測壓結(jié)果

本次鑒定現(xiàn)場測定采用的測壓方法為被動測壓法。完成測壓鉆孔封孔施工后，封堵水泥漿需經(jīng)過24 h 固結(jié)才可達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度，待其完全固結(jié)后，將壓力表及閥門安裝在孔口測壓管上，并用肥皂水嚴(yán)格檢查各連接口處的密實(shí)情況，檢查是否漏氣，隨后讀取壓力表數(shù)值。被動測壓的觀測時(shí)間主要與煤層內(nèi)部瓦斯壓力及煤層透氣性有關(guān)，一般情況下的觀測時(shí)長為25 d 以上。測試終止原則為：達(dá)到觀測時(shí)長后，若壓力變數(shù)值小于0.015 MPa 并持續(xù)3 d 左右，則終止壓力測定，否則，繼續(xù)進(jìn)行壓力觀測。

經(jīng)過測試，古城煤礦3 號煤層部分鉆孔直接測得的煤層相對瓦斯壓力變化曲線如圖4～圖7 所示，相對瓦斯壓力測得結(jié)果為0.17～0.55 MPa。

圖4 GCP2021-1 號測點(diǎn)瓦斯壓力測試曲線

圖5 GCP2021-2 號測點(diǎn)瓦斯壓力測試曲線

圖6 GCP2021-3 號測點(diǎn)瓦斯壓力測試曲線

圖7 GCP2021-4 號測點(diǎn)瓦斯壓力測試曲線

3 結(jié) 論

通過對山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司古城煤礦3 號煤層現(xiàn)場測試與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)工作的綜合，得出以下主要結(jié)論：

1）3 號煤層的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.54～0.72，煤層瓦斯放散初速度△p 為9.6～11.6。

2）3 號煤層本次采用直接法測試得到的煤層瓦斯含量為4.64～14.97 m3/t，煤層瓦斯壓力為0.17～0.55 MPa。

3）從本次瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試結(jié)果來看，3 號煤層瓦斯壓力和煤層瓦斯含量相對較高，隨著礦井向深部開拓，礦井瓦斯賦存和瓦斯涌出勢必進(jìn)一步增大，所以，在以后的生產(chǎn)過程中要加強(qiáng)對瓦斯賦存和瓦斯異常涌出的監(jiān)控力度，保證礦井安全生產(chǎn)。