文家坡煤礦首采工作面瓦斯賦存規律分析

胡魏魏,種 陽,2

(1.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司,陜西 西安 710100;2.渭南陜煤啟辰科技有限公司,陜西 渭南 714000)

0 引言

煤炭是我國的主要能源,雖然近5年消費占比連續下降,但仍占一次能源消費的60%左右[1-3]。隨著煤炭開采深度增加,瓦斯壓力和瓦斯含量增大,地質構造愈發復雜,瓦斯災害日趨嚴重[4-6]。伴隨著現代化智能礦井的建設,快速采掘過后的采空區會出現瓦斯淤積超限等問題,對于瓦斯的預抽采治理和煤層增透防制技術的要求越來越高,尤其是高瓦斯礦井,瓦斯的賦存規律成為瓦斯災害治理的先決條件。對于定向鉆進技術、分段式壓裂煤層增透抽采技術等瓦斯治理主要技術,需要研究定向鉆孔角度、定向鉆孔長度、抽采距離、封孔距離及煤層裂隙發育等問題。而瓦斯災害嚴重威脅著煤礦安全,已成為我國煤礦安全的“第一殺手”。只有查清影響煤層瓦斯分布的地質因素,找出瓦斯分布的規律,才能有效地治理瓦斯,指導安全生產。

劉忠全等[7]對采掘前方超大區域采用定向鉆孔分段壓裂增透技術輔助用以高效封孔工藝形成超前大范圍瓦斯預抽采治理技術。雷照源等[8]對深度礦井運用立體瓦斯抽采技術治理大采高架后采空區瓦斯遺漏超限問題。楊宏民等[9]建立瓦斯抽采封孔質量評價體系,并通過對漏風量的監測得到抽采鉆孔內瓦斯變化規律,依托此種計算模式及相關原理對2種不同的抽采鉆孔封孔質量進行評價,驗證評價方法的可行性。周連春等[10]優化了千米定向長鉆孔數據,并對頂板高位水平定向鉆孔的瓦斯抽采參數進行調整,得出合理的瓦斯抽采參數,對礦井的瓦斯抽采治理提供技術支撐和理論依據。因此,對高瓦斯礦井首采工作面瓦斯賦存規律的研究成為礦井瓦斯災害治理的重要依據。

文家坡煤礦為防控煤與瓦斯突出災害,采取本煤層抽放、卸壓瓦斯抽放、煤層注水、合理的通風系統等各種措施,雖然取得一定的成效,但未從根本上解決煤與瓦斯突出的問題,煤與瓦斯突出災害頻發的局面沒有得到根本改變。分析其原因,主要在于煤與瓦斯突出的機理不清楚。為了進一步了解煤與瓦斯突出機理,為防控煤與瓦斯突出災害采取切實高效的措施,同時為了保證回采安全,必須在回采前對其進行瓦斯賦存規律的研究,并制定相應的瓦斯治理措施,以保證回采過程中瓦斯不超限。

1 工作面概況

文家坡井田位于陜西省咸陽市彬縣、長武縣一帶的彬長礦區中部,煤礦設計生產能力為4.0 Mt/a,4101工作面是陜西彬長文家坡礦業有限公司在41盤區5條大巷北側沿煤層走向布置的首采工作面,主采4號煤層。煤層底板標高+382.97～+444.53 m,煤層埋藏深度547～750 m。走向長度3 046 m,傾向長度240 m;煤層厚度3.76～4.32 m,平均厚度3.93 m。根據煤層底板等高線變化趨勢分析,4101工作面地層整體向西北方向傾斜,傾角2°～6°,一般3°左右。工作面累計揭露斷層10個,全部為正斷層,落差0.7～6.8 m,皆為北東走向。

2 煤層瓦斯賦存規律

2.1 瓦斯涌出來源分析

2.1.1 瓦斯涌出源分布

文家坡煤礦綜放面瓦斯來源與含瓦斯煤巖層賦存狀況及開采技術條件有關,主要來自開采層和鄰近層(含圍巖),其瓦斯涌出源分布如圖1所示。

2.1.2 開采層煤壁瓦斯涌出

開采層煤壁瓦斯涌出由2部分組成。①工作面由于煤壁的不斷暴露而涌出的瓦斯q1;②在礦山壓力作用下,綜放支架上前方的頂煤的應力平衡狀態遭到破壞,出現透氣性大大增加的卸壓帶。由于從煤體內部到煤壁間存在著瓦斯壓力梯度,瓦斯沿卸壓帶的裂隙從頂煤壁涌入裂隙帶,表現為沿流場邊界的持續穩定涌出q2。

2.1.3 采放落煤的瓦斯涌出

采放落煤的瓦斯涌出由2部分構成。①采落煤炭瓦斯涌出的q3;②放頂煤時,當煤層由整體冒落為松散體時,內部的瓦斯在短時間內的釋放,表現為放煤處瓦斯瞬間涌出的q4。

2.1.4 其他瓦斯涌出

綜放面采空區遺煤的瓦斯涌出主要是殘留在采空區的放落煤炭繼續釋放的瓦斯q5,其主要由煤層的采出率所控制,并隨時間的推移逐漸減少。綜放面有上鄰近煤層,應考慮鄰近煤層瓦斯涌出的q6。

2.1.5 瓦斯涌出量大小的影響因素

綜放面各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小除主要取決于煤層瓦斯含量外,還與開采強度密切相關。q1～q4與工作面采、放煤量成正比;q5除與產量有關外,還與回采率密切相關,回采率越小,q5越大。瓦斯源q6除取決于開采強度外,還與鄰近層厚度及其至開采層距離、層間巖石性質、鄰近層瓦斯原始壓力以及煤層透氣性系數等密切相關。

2.2 煤層原始瓦斯含量測定

為了更好地對4101工作面煤層瓦斯賦存規律進行分析,統計了地勘期間的瓦斯資料[11-12]。然后利用直接法(井下鉆屑解吸法)實測了煤層瓦斯含量,測量結果見表1。

表1 工作面瓦斯含量測定點Table 1 Gas content measuring points of working face

2.3 瓦斯賦存規律主控因素分析

影響煤層瓦斯含量的主要因素有煤層儲氣的條件、區域地質構造和采礦工作,而影響瓦斯賦存和分布的主要地質因素包括煤的變質程度、圍巖條件、地質構造、煤層埋藏深度、煤田的暴露程度、地下水活動和巖漿活動等。考慮到4101工作面的地質情況,從地質條件的角度來分析,影響煤層瓦斯賦存的主要因素有地質構造、煤層厚度、基巖厚度、煤層埋深等。前述4101工作面地質構造均為小斷層,實測斷層周圍瓦斯含量沒有突變,從地勘時期鉆孔柱狀圖分析可得,4101工作面取樣地點基巖厚度變化不大,所以針對煤層厚度和煤層埋深2個因素對煤層瓦斯含量影響進行分析。

2.3.1 煤層瓦斯含量的單因素分析

通過表1對煤層瓦斯含量測定的結果,分析煤層瓦斯含量與煤層厚度的線性關系,從圖2可以看出,煤層的厚度與瓦斯賦存的相關程度很小,受其影響并不明顯。通過表1對煤層瓦斯含量測定的結果,分析煤層瓦斯含量與煤層的埋深的線性關系,瓦斯含量百米梯度為2.59 m3/(t·r),從圖3可以看出,煤層埋深與瓦斯賦存的相關程度較高,受其影響很大。

圖2 煤層瓦斯含量與煤層厚度的關系Fig.2 Relations of coal seam gas content and coal seam thickness

圖3 煤層瓦斯含量與煤層埋深的關系Fig.3 Relations of coal seam gas content and the buried depth of coal seam

通過地質構造、煤層厚度、基巖厚度和煤層埋深與煤層瓦斯含量的線性相關度來說,對文家坡煤礦4101工作面煤層瓦斯含量影響最大的相關度最高的是煤層埋深,即通過單因素分析可得,4101工作面瓦斯賦存的主控因素是煤層埋深。

2.3.2 煤層瓦斯含量的多因素分析

根據表1的相關數據,運用Excel對煤層瓦斯含量的2個因素進行分析,以煤層瓦斯含量為因變量y,煤層厚度和煤層埋深為自變量x1、x2,得出方差分析見表2、回歸參數分析見表3。

表2 方差分析Table 2 Variance analysis

表3 回歸參數分析Table 3 Analysis of regression parameters

表2中F值對應的Sig值小于0.05就可以認為回歸方程是有用的,從F值的角度來講:F的值是回歸方程的顯著性檢驗,表示的是對模型中被解釋變量與所有解釋變量之間的線性關系在總體上是否顯著做出推斷。若F>Fa(k,n-k-1),(其中k為自變量個數,n為樣本容量,n-k-1為自由度),對于實驗中的情況來講,k=2,樣本容量為3,只有當表中的F值顯著大于這個值,才認為各個自變量對因變量有顯著影響。根據2對瓦斯含量主控因素的分析可得,2個自變量都對因變量瓦斯含量有顯著影響,所以此處不需要根據F值對其進行顯著性檢驗。

在回歸效果顯著的條件下,這里的系數并不能說明自變量與因變量相關性的大小,對多元線性回歸中因變量與自變量的相關性,與標準系數有關。因此,運用多因素線性回歸方法分析可得,瓦斯含量y與煤層厚度x1和煤層埋深x2的關系煤層瓦斯含量的多元線性關系為

y=0.044 4x1+0.009 4x2-2.25

(1)

2.4 繪制工作面瓦斯等值線圖

通過分析可知,工作面瓦斯含量的主控因素是煤層埋深,煤層瓦斯含量與埋深的線性關系為y=0.025 9x-14.824。根據煤層底板標高和地面標高,對4101工作面不同坐標點進行瓦斯含量的數值擬合,可得部分坐標點的瓦斯含量值,見表4。把不同地點的坐標擬合的瓦斯含量數值導入到繪圖軟件Surfer 12.0,可以得到4101工作面煤層瓦斯含量等值線如圖4所示。工作面瓦斯含量等值線圖表明,自4101工作面切眼到工作面停采線,煤層瓦斯原始含量逐漸降低,即瓦斯賦存規律表現為自工作面切眼至停采線,瓦斯含量表現為由高至低。

表4 4101工作面不同地點的瓦斯含量擬合值Table 4 Fitting value of the gas content at different points of 4101 working face

圖4 工作面瓦斯含量等值線Fig.4 Gas content contour of working face

3 結論

(1)對影響文家坡煤礦4101工作面瓦斯含量的2個因素進行分析,得出煤層厚度和煤層埋深對煤層瓦斯含量的影響的線性關系式,分別為y=-0.086x+4.023(R2=0.010 7),y=0.025 9x-14.824(R2= 0.500 9);單因素對比得出煤層瓦斯含量的主控因素為煤層埋深。

(2)通過多因素線性回歸的方法,通過方差分析表和回歸參數分析表分析,得出煤層瓦斯含量與煤層厚度和煤層埋深的關系為y=0.044 4x1+0.009 4x2-2.25。

(3)以煤層瓦斯含量與煤層埋深的線性關系,通過擬合其他地點的瓦斯含量,繪制4101工作面煤層瓦斯等值線圖,定量地得出煤層瓦斯賦存的規律,即從工作面切眼到停采線,瓦斯含量逐漸降低,對于4101工作面煤層瓦斯預抽以及工作面回采期間的風量分配、瓦斯防治具有一定的指導作用。