平煤天安十礦二2煤層24080工作面瓦斯可抽采性分析

張孟浩,喬 偉,薛凱隆,寇 杰

(山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037003)

隨著煤礦開采深度以及煤層開采強度的增加,瓦斯事故概率逐漸增大,給煤礦工人生命安全帶來了巨大的威脅[1]。抽采瓦斯不僅可以減少瓦斯涌出量、防止瓦斯超限積聚、瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故的發生,也是化害為利的重要措施。礦井瓦斯抽采前需要對礦井煤層、瓦斯各個相關抽采參數進行計算分析,確定該礦井的瓦斯抽采難易程度以及抽采的可行性,從而有效避免因盲目作業而引發的施工事故[2]。

1 工程概況

平煤天安十礦位于平頂山市東北部,距市中心約6 km,行政區劃屬平頂山市衛東區。井田內可采煤層8層(一4、二1、二2、四1、四2、四3、五1、五2),賦存于太原組、山西組及下石盒子組的四、五煤段;其中二1、二2、四2、五2煤層為全區可采煤層。煤層總厚度36.30 m,含煤系數4.62%。可采煤層總厚度19.61 m,可采煤層含煤系數2.5%。現主要針對平煤天安十礦二2煤層24080工作面的煤層瓦斯參數進行瓦斯抽采可行性分析。二2煤層位于山西組(二煤段)中下部,煤層平均厚度2.11 m,結構較為簡單,屬于中厚程度煤層,可采性指數為1,煤厚的變異系數為30%,屬于較穩定全區可采煤層,在井田東部和北部與二1煤層合層。礦區范圍內二2煤層底板標高為-190～-770 m,埋深為280～950 m;北部擴大區二2煤層底板標高為-775～-1 100 m,埋深為950～1 230 m。

2 瓦斯性質與參數計算分析

2.1 煤層瓦斯的含量測定

煤層中儲存的氣體含量越高,開采過程中從煤礦排出的氣體就越多[3]。當煤層氣含量超過10 m3/t時,生產礦井存在潛在風險。因此,控制和預防瓦斯突出災害需要準確測定煤層中的瓦斯含量。

2.1.1瓦斯含量測定

在己15-24080機巷高抽巷,共采集3個煤樣。經測定,二2煤層CH4平均含量為6.19 m3/t,二2煤層平均瓦斯含量為6.17 m3/t。具體測定結果見表1所示。

表1 瓦斯含量測定結果Table 1 Results of gas content measurement

2.1.2煤的工業分析

采用工業分析儀測定己15-24080工作面煤樣基本參數,測定過程遵循國標GB212-91。具體測試結果如表2所示。經分析可知,煤層的孔隙率為真密度減去視密度的差除以真密度,由此可得己15-24080工作面煤層的孔隙率為0.083。

表2 煤樣的工業分析Table 2 Proximate analysis of coal samples

2.2 煤層瓦斯壓力測定與計算

煤層瓦斯壓力測定地點為十礦二2煤層24080工作面,利用垂直煤壁打正交鉆孔法,對壓力表進行直觀讀數后,加上0.1 MPa即為測定地點的瓦斯絕對壓力參數。工作面附近共設有5個測點、5個鉆孔,每個鉆孔之間相距50 m。各個測點瓦斯壓力的測定結果如表3所示。

表3 煤層瓦斯壓力測定結果Table 3 Results of gas pressure measurement

從表3可以得出,煤層的瓦斯平均壓力為1.07 MPa。當煤層瓦斯壓力大于0.74 MPa時,有必要預防和控制煤的突出[4]。同一煤層中氣體的壓力越高,氣體含量高的概率就越大。煤層瓦斯氣體壓力隨埋深的增加而增加,總體呈線性關系。將煤層瓦斯壓力的測量結果進行線性擬合分析可得出瓦斯壓力與煤層埋深的關系:

p=0.221 6h-11.968 89.

(1)

式中:p為瓦斯壓力,MPa;h為埋深,m。

十礦二2煤層實測瓦斯壓力p與煤層埋深h的離散點分布及回歸直線圖,如圖1所示。該線性擬合的回歸平方和與總離差平方和的比值R0為0.860 26,一般認為超過0.8的模型擬合優度比較高,回歸擬合效果越顯著。說明二2煤層的瓦斯壓力與煤層埋深具有良好的相關性。

圖1 瓦斯壓力與埋深線性擬合圖Fig.1 Linear fitting of gas pressure and burial depth

線性回歸圖能夠清楚地探究煤層瓦斯賦存的規律特征。氣體以自由吸附的狀態存在于煤的微孔和裂縫中,瓦斯壓力越大,煤層的含氣量就越大。線性擬合圖顯示,氣壓與埋藏深度、局部構造應力等因素有關,但與煤的形成年齡和變質作用無關。淺層氣體壓力較小,隨著開采深度的增加,壓力將近似線性增加。在地質構造帶中,強烈的構造應力可以使煤體中的孔隙和裂縫變小,甚至閉合,氣體流動性大大減弱,氣體占據的孔隙減少,局部出現氣體增壓帶[5]。開放構造帶煤層孔隙度較大。隨著開采深度的增加,同時受開采應力的影響,瓦斯運移會導致瓦斯壓力下降。因此,瓦斯壓力與埋深之間具有一定的線性相關性和局部不均勻性。

2.3 工作面瓦斯相對涌出量預測

根據礦井目前的生產狀況,對計劃開采的二2煤層(本煤層)24080工作面進行瓦斯相對涌出量預測。瓦斯相對涌出量預測公式為:

q=q1+q2.

(2)

式中:q為工作面相對瓦斯涌出量,m3/t;q1為本煤層相對瓦斯涌出量,m3/t;q2為鄰近煤層相對瓦斯涌出量,m3/t。

q1=K1·K2·K3·(w0-wc).

(3)

式中:K1為圍巖瓦斯涌出系數,取1.3;K2為丟煤瓦斯涌出系數,取回采率95%的倒數1.053;K3為采區內準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出的影響系數;w0為煤層原始瓦斯含量,經實測取20.04 m3/t;wc為運出礦井后煤的殘存瓦斯量,經實測取2 m3/t。

根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》,本礦為長壁后退式回采,K3=(L-2b1)/L,L為工作面走向長度(根據礦方提供礦井接替計劃),取150 m;b1為掘進巷道預排等值寬度,本礦二煤組屬高變質煤,按《礦井瓦斯涌出量預測方法》,巷道煤壁暴露時間取200 d,b1取15.4 m,故K3經計算為0.795。

根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》(AQ1018-2006)中的附錄C.1可知,wc取2 m3/t;經計算,q1=19.63 m3/t。而q2的計算公式為:

(4)

式中:w0i為第i個鄰近煤層的原始瓦斯含量,因屬同一煤組,均取20.04 m3/t;wci為第i鄰近煤層殘存瓦斯含量,因屬同一煤組,均取2 m3/t;di為第i個鄰近煤層的厚度,均取1 m;h為工作面采高,m。因采用全部陷落法,故d/h=1;ηi為第i個鄰近層瓦斯排放率,%。

表4 瓦斯相對涌出量預測Table 4 Prediction of relative gas emission

2.4 鉆孔瓦斯流量衰減系數計算

試驗場地為24080工作面高抽巷道。分別設計1號和2號兩個順層鉆孔,鉆孔長度為50 m,直徑為75 mm,封孔長度為6.66 m。使用流量計,在每個相同的時間間隔測量鉆孔內瓦斯的自然涌出量,其自然涌出量隨著時間的延長而逐漸減少,衰減規律如下:

qt=q0e-at.

(5)

式中:qt為時間為t時的鉆孔自然瓦斯涌出量,L/min;t為排放瓦斯時間,d;a為瓦斯涌出量衰減系數,d-1;q0為初始瓦斯涌出量,L/min。

1號和2號鉆孔瓦斯流量數據統計如表5所示。

表5 鉆孔瓦斯流量數據統計Table 5 Statistics of gas flow data of boreholes

將表所測得的數據進行整理,經過線性擬合處理可分別得到1、2號鉆孔的瓦斯流量衰減曲線,如圖2、圖3所示。

圖2 1號鉆孔瓦斯流量與觀測時間線性擬合Fig.2 Linear fitting of gas flow of borehole 1 and observation time

圖3 2號鉆孔瓦斯流量與觀測時間線性擬合Fig.3 Linear fitting of gas flow of borehole 2 and observation time

根據1號孔和2號孔的瓦斯流量與觀測時間的線性擬合結果可以得到瓦斯流量的涌出規律,其分別是qt1=7.546 62e-0.014t和qt2=8.983 25e-0.028t,線性擬合的回歸平方和與總離差平方和的比值R1和R2分別為0.982 54和0.901 39,兩個模型擬合優度都比較高,回歸擬合效果顯著,說明瓦斯流量隨著觀測時間的變化呈規律性變化。由擬合公式推算工作面的瓦斯流量衰減系數為0.014～0.028 d-1,平均瓦斯流量衰減系數為0.021 d-1。

2.5 煤層透氣性系數計算分析

煤層透氣性是評價煤層能否實現預抽的重要指標,對衡量煤層中瓦斯流動的難易程度具有重要意義[7]。對煤層透氣性系數采用鉆孔試驗計算分析。試驗布孔具體參數如下:鉆孔直徑為75 mm,鉆孔傾角為+5°,鉆孔深度為50 m,封孔深度為6.66 m。當測得的鉆孔壓力穩定并達到最大值時,拆除壓力表,同時測量氣體流速。透氣性計算的具體參數見表6所示。

表6 透氣性計算基礎參數Table 6 Basic parameters of permeability calculation

表中:F0為時間準數;a、b分別為系數與指數;p0為原始絕對瓦斯壓力,MPa;p1為排放瓦斯壓力,MPa;α為煤層瓦斯含量系數,m3/(m3·MPa0.5);t為時間間隔,d;q為排放瓦斯時間t時的鉆孔煤壁單位面積瓦斯流量,m3/(m2·d);r1為鉆孔孔徑,mm。計算公式如下:

q=Q/2πr1l.

(6)

式中:Q為時間為t時鉆孔的總流量,m3/d;l為煤孔長度,m。

測得鉆孔的原始數據如表7所示。由表7可得公式:

α=w·γ/p1/2.

(7)

式中:w為瓦斯含量,m3/t;γ為煤容重,t/m3。

經計算3個鉆孔的瓦斯含量系數分別為:

α1=6.956 0 m3/(m3·MPa0.5);

α2=11.081 2 m3/(m3·MPa0.5);

α3=6.617 0 m3/(m3·MPa0.5)。

表7 測得鉆孔的原始數據Table 7 Raw data of boreholes

鉆孔與煤壁結合處的總面積S計算公式為:

S=2πr1l.

(8)

求得鉆孔與煤壁結合處總面積為3.138 5 m2。

排放時間t0內,鉆孔的比流量計算公式為:

qb=q′/S.

(9)

式中:qb為比流量,m3/(m2?d);q′為時間t0時的流量,m3/d。

經計算可知3個鉆孔的比流量分別為:

qb1=8.255 5 m3/(m2·d);

qb2=8.619 6 m3/(m2·d);

qb3=14.851 7 m3/(m2·d)。

經過計算可得A和B的值:

λ1= 1.83×0.4331.14×134.969 41/7.3=1.38 m2/(MPa2·d)

同理計算可得:

A2=0.627 4,B2=66.109 4,λ2=1.91 m2/(MPa2·d);

A3=0.891 1,B3=91.757 2,λ3=2.98 m2/(MPa2·d)。

將計算結果代入公式F0=Bλ中,皆滿足時間準數所限定的區間,證明選取計算公式準確。將計算得到的煤層透氣性系數各項數據匯總,如表8所示。

表8 煤層透氣性系數的各項參數Table 8 Parameters of permeability coefficient

由表8可知,煤層透氣性系數取所有結果的平均值為2.09。根據《礦井瓦斯抽放管理規范》,當煤層透氣性系數小于0.1時,鑒定為難抽采煤層;當煤層透氣性系數大于30時,鑒定為易抽采煤層;介于兩數值中間的煤層為可抽采煤層。由計算結果分析可知,平煤天安十礦二2煤層具有抽采的必要性且為可抽采煤層。

3 結論

1)對十礦二2煤層24080工作面瓦斯含量和瓦斯壓力分別測定分析,計算得到二2煤層平均瓦斯含量為6.17 m3/t,平均瓦斯壓力為1.07 MPa;對工作面瓦斯涌出量進行預測分析,得到相對瓦斯涌出量為37.67 m3/t,本煤層瓦斯相對涌出量為19.63 m3/t,鄰近煤層瓦斯相對涌出量為18.04 m3/t,本煤層瓦斯相對涌出量占比52.11%,鄰近煤層瓦斯相對涌出量占比47.89%。對判定煤層抽采難易程度的重要指標鉆孔瓦斯流量衰減系數進行測定,測得衰減系數為0.021 d-1;對反映瓦斯抽采難易程度的指標進行測定,測得煤層透氣性系數為2.09。

2)根據煤層瓦斯壓力安全標準以及礦井數據劃分,煤層平均瓦斯壓力為1.07 MPa,大于0.74 MPa,應立即對煤層實施突出鑒定工作。測得24080工作面瓦斯相對涌出量高達37.67 m3/t,超過10 m3/t的鑒定界限,確定礦井屬于高瓦斯礦井且隨時具有突出危險,瓦斯抽采工作具有必要性。根據煤層抽采難易程度的分類標準,該礦井煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.021 d-1,介于0.003～0.050 d-1之間,且煤層透氣性系數為2.09,介于0.1～10.0之間時,煤層屬于可抽采瓦斯煤層。