韓家灣煤礦煤層瓦斯參數測定及賦存規律研究

李慧剛，崔文利

(陜西陜北礦業韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

瓦斯被視為礦井五大自然災害之一，因其具有波及范圍廣、破壞力大、影響嚴重等特點，一直是礦井災害防治的重中之重[1]。瓦斯是成煤過程中地質作用的產物，其生成、運移、保存等均受綜合地質作用的控制[2-5]。不同煤礦區或井田地質條件不同，致使煤層瓦斯賦存規律和分布特征也不盡相同[6-9]。對煤層瓦斯賦存規律的研究，可以從地質角度分析瓦斯的生成、運移及賦存規律，被認為是提高礦井瓦斯防治行之有效的研究方法及手段[10-13]。因此，在韓家灣煤礦井下現場實測煤層原始瓦斯壓力和煤層瓦斯含量，并對瓦斯壓力和瓦斯含量進行分析，得出煤層瓦斯賦存規律，對于韓家灣煤礦進行瓦斯災害的防控及煤礦安全生產具有重要意義。

1 礦井概況

韓家灣礦井位于神北礦區北部，隸屬于神木市大柳塔試驗區韓家灣村管轄，井田東西長約5.0 km，南北寬約2.6 km，面積12.42 km2，開采煤層為3-1煤層、4-2煤層，開采標高范圍為+1 240～+1 100 m，礦井核準生產能力為3 Mt/a，礦井保有資源量72.879 Mt。井田范圍可采煤層5層，分別為1-2上、1-2、2-2、3-1、4-2煤層。1-2上煤層厚度0.45～3.2 m，平均厚1.85 m，煤層結構簡單，不含夾矸；1-2煤層厚度0.57～5.58 m，平均厚3.2 m，煤層結構簡單，不含夾矸；2-2煤層厚度1.48～3.64 m，平均厚2.68 m，煤層結構簡單，含1層夾矸，上距1-2煤層平均間距24.75 m；3-1煤層厚度1.4～3.64 m，平均厚2.68 m，煤層結構簡單，含1層夾矸，上距2-2煤層平均間距37.17 m；4-2煤層厚度1.8～2 m，平均厚1.92 m，煤層結構簡單，上距3-1煤層平均間距38.14 m。井田地質構造結構簡單，基本構造形態為一向西傾斜的近水平構造，傾角1°左右，礦井內未發現斷層、褶皺，亦無巖漿活動。韓家灣煤礦為了建立和完善瓦斯防治系統，確保礦井安全生產，決定開展煤層瓦斯基本參數測定，以掌握井田范圍內主采煤層的瓦斯賦存情況。

2 瓦斯各參數測定方法及結果

選擇測定3-1、4-2煤層基礎參數，包括煤層瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的堅固性系數、煤層瓦斯壓力等參數。

2.1 煤層瓦斯含量測定

煤層瓦斯含量指單位質量或單位體積的煤在自然狀態下所含游離和吸附瓦斯的總和，瓦斯含量測定方法分為直接法和間接法2種[14-16]。本次韓家灣煤礦3-1、4-2煤層瓦斯含量采用直接法進行測定。

直接法就是直接從采集的煤樣中解吸瓦斯，確定瓦斯成分和瓦斯含量。該方法的優點是瓦斯含量系直接測定，避免了間接法測定相關參數時的測定誤差。采用直接法測定煤層瓦斯含量，即測定可解吸瓦斯含量(Qm)與計算殘存瓦斯含量(WC)的方法，將2部分含量之和作為煤層瓦斯含量。

其中可解吸瓦斯含量(Qm)的測定采用井下施工取芯鉆孔取煤芯或煤屑，利用重慶研究院生產的“DGC型瓦斯含量直接測定裝置”進行測定，其工作原理為：通過向煤層施工取芯鉆孔，用井下取芯系統將煤芯或煤屑從煤層深部取出，及時放入煤樣筒中密封；然后用井下解吸系統測量煤樣筒中煤芯的瓦斯解吸速度及解吸量，并以此來計算瓦斯損失量(Q1)；將煤樣筒帶至實驗室在解吸儀上測量從煤樣筒中釋放出的瓦斯量，與井下測量的瓦斯解吸量一起計算煤芯或煤屑瓦斯解吸量(Q2)；將煤樣筒中的部分煤樣經稱量系統稱重后裝入密封的粉碎系統加以粉碎，測量在粉碎過程及粉碎后一段時間內常壓下所解吸出的瓦斯量，并以此計算粉碎瓦斯解吸量(Q3)；借助水分測定系統、數據計算系統求解可解吸瓦斯含量：瓦斯損失量、煤芯瓦斯解吸量和粉碎瓦斯解吸量之和就是可解吸瓦斯含量，即Qm=Q1+Q2+Q3。

殘存瓦斯含量(WC)可采用式(1)進行計算

(1)

式中，WC為殘存瓦斯含量，m3/t；a，b為吸附常數；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；π為煤的孔隙率，%；γ為煤的容度(視密度)，t/m3。

本次采用瓦斯含量直接測定法對韓家灣煤礦3-1、4-2煤層的原始瓦斯含量進行測定，測定結果見表1。

表1 直接法測定煤層瓦斯含量結果

2.2 瓦斯壓力的測定

目前測定煤層瓦斯壓力的方法有2種，即間接測定法和直接測定法。根據韓家灣煤礦目前開拓情況及巷道布置條件，按照有關規定，本次瓦斯壓力測定采用直接法。

在選擇煤層瓦斯基本參數測定地點和具體測壓鉆孔位置時，應避開地質構造裂隙帶、采動等影響范圍。在煤層中布置小傾角的鉆孔，同一地點設2個測壓鉆孔，孔深40 m，具體鉆孔參數及測試結果見表2。

表2 煤層鉆孔施工及測定參數一覽

從表2中可以看出，3-1煤層實測最大瓦斯壓力為0.09 MPa(埋深144.4 m)，4-2煤層實測最大瓦斯壓力為0.11 MPa(埋深191.6 m)。

2.3 煤的堅固性系數測定

選取待測煤樣，使用落錘法進行測定，其原理：將一定量的重錘提升至相應高度，使其自由落下沖擊煤樣，測量煤樣搗碎程度。

堅固性系數按(2)式計算

(2)

式中，f為堅固性系數；n為每組試樣沖擊次數，次；l為每組試樣篩下煤粉的計量高度，mm。3-1、4-2煤層的堅固性系數測試結果見表3。

表3 煤的堅固性系數測定結果

2.4 煤的瓦斯放散初速度測定

瓦斯放散初速度指標表示煤放散瓦斯的能力。Δp所反映的是煤在常壓下吸附瓦斯的能力和放散瓦斯的速度，是反映煤層突出區域危險性的一種單項指標。

瓦斯放散初速度按式(3)計算

Δp=p2-p1

(3)

Δp單位為Pa，保留到個位。設兩試樣分別為a1、a2，則a1與a2之差不應大于1，否則需裝新樣重新測試。測試結果見表4。

表4 瓦斯放散初速度測定結果

3 瓦斯賦存規律分析

3.1 煤層埋深與瓦斯含量關系

煤層埋深是指煤層頂板至地表的鉛垂距離，煤層埋深包括煤層上覆基巖厚度和新生界厚度2部分，其中煤層上覆基巖厚度對煤層瓦斯賦存起控制作用。鑒于煤層埋深與標高2個因素相互影響，關系緊密，故在此主要比較煤層埋深與瓦斯含量的線性關系。

此次井下實測3-1煤層瓦斯含量時，當埋深由138.3 m增加到144.4 m時，瓦斯含量由0.78 m3/t增加到0.86 m3/t。實測4-2煤層瓦斯含量時，當埋深由181.2 m增加到191.4 m時，瓦斯含量由0.89 m3/t增加到0.98 m3/t。實測測點的瓦斯含量數值基本都符合隨煤層埋深的增大而增加的規律。因而選擇井下實測瓦斯含量測定結果與煤層埋深進行線性擬合，其擬合曲線如圖1、2所示。

從圖1與圖2可以看出，煤層瓦斯含量隨煤層埋深增加而增大，且都是成線性關系增加，3-1、4-2煤層瓦斯含量與埋深擬合關系分別為W=0.011 5h-0.801 7和W=0.008 8h-0.709 7。

圖1 3-1煤層埋深與瓦斯含量線性擬合圖

圖2 4-2煤層埋深與瓦斯含量線性擬合圖

3.2 煤層埋深與瓦斯壓力關系

此次井下實測3-1煤層瓦斯壓力時，當埋深由138.8 m增加到144.4 m時，原始瓦斯壓力由0.04 MPa增加到0.09 MPa。實測4-2煤層瓦斯壓力時，當埋深由181.2 m增加到191.6 m時，原始瓦斯壓力由0.05 MPa增加到0.11 MPa。實測6組測點的原始瓦斯壓力數值基本都符合隨煤層埋深的增大而增加的規律。因而選擇井下實測瓦斯壓力測定結果與煤層埋深進行線性擬合，其擬合曲線如圖3、4所示。

圖3 3-1煤層埋深與瓦斯壓力線性擬合圖

從圖3與圖4可以看出，煤層原始瓦斯壓力隨煤層埋深增加而增大，且都是成線性關系增加，3-1、4-2煤層原始瓦斯壓力與埋深擬合關系分別為P=0.004 2h-0.535 8和P=0.003 4h-0.554 6。

圖4 4-2煤層埋深與瓦斯壓力線性擬合圖

3.3 煤層瓦斯含量與瓦斯壓力預測模型

一般認為，在定量分析各因素對瓦斯賦存的影響時，當擬合相關性系數R2大于0.6時，認定為影響煤層瓦斯賦存的主控因素；相關性系數R2為0.36～0.6時，認為對瓦斯賦存的影響有一定影響；相關性系數R2小于0.36時，認為對瓦斯賦存的影響很小。根據上述分析得到3-1煤層瓦斯含量與埋深的相關性系數R2為0.917 7，4-2煤層瓦斯含量與埋深的相關性系數R2為0.999 6，均大于0.6，因而埋深是影響煤層瓦斯含量的主控因素。3-1煤層原始瓦斯壓力與埋深相關性系數R2為0.452 8，4-2煤層原始瓦斯壓力與埋深相關性系數R2為0.572 9，均在0.36～0.6，因而埋深對煤層原始瓦斯壓力有一定影響。

韓家灣煤礦3-1煤層最大埋深值為164.7 m，3-1煤層瓦斯含量預測模型為W=0.011 5h-0.801 7，最大埋深點瓦斯含量預測值為1.09 m3/t；4-2煤層最大埋深值為208.5 m，4-2煤層瓦斯含量預測模型為W=0.008 8h-0.709 7，最大埋深點瓦斯含量預測值為1.13 m3/t。3-1煤層原始瓦斯壓力與埋深擬合關系為P=0.004 2h-0.535 8，最大埋深點原始瓦斯壓力預測值為0.16 MPa；4-2煤層原始瓦斯壓力與埋深擬合關系為P=0.003 5h-0.554 6，最大埋深點原始瓦斯壓力預測值為0.16 MPa。

4 結論

(1)韓家灣煤礦井田內地質構造簡單，3-1、4-2煤層瓦斯賦存的主控因素為埋深。韓家灣煤礦3-1煤層6個鉆孔瓦斯壓力在0.04～0.09 MPa，4-2煤層6個鉆孔瓦斯壓力在0.05～0.11 MPa。韓家灣煤礦3-1煤層3個煤樣瓦斯含量在0.78～0.86 m3/t，4-2煤層3個煤樣瓦斯含量在0.89～0.98 m3/t。

(2)3-1煤層瓦斯含量與埋深的擬合方程為W=0.011 5h-0.801 7，瓦斯壓力與埋深的擬合方程為P=0.004 2h-0.535 8；4-2煤層瓦斯含量與埋深的擬合方程為W=0.008 8h-0.709 7，瓦斯壓力與埋深的擬合方程為P=0.003 4h-0.554 6。

(3)3-1、4-2煤層瓦斯參數的測定為韓家灣煤礦瓦斯防治工作提供了依據，對煤礦高效安全生產具有重要意義。