特厚煤層瓦斯測定及分布規(guī)律研究

裴韶華， 劉 碩

（1.太原煤炭氣化（集團）有限責(zé)任公司， 山西 太原 030006；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

引言

瓦斯作為成煤過程中的產(chǎn)物，是一種無色無味的氣體，當(dāng)其達到一定的濃度后會使人因缺氧而死亡，因此瓦斯已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)的最主要問題。目前，瓦斯事故仍然是我國每年傷亡人數(shù)最多、經(jīng)濟虧損最大以及突發(fā)頻率較高的煤礦劣性事件，不僅給各礦帶來了沉重的經(jīng)濟負擔(dān)，對主體企業(yè)的社會形象也造成了不好的影響，因此各煤礦加大安全投入和加強瓦斯治理力度是確保各礦井可以安全高效產(chǎn)煤的基礎(chǔ)[1-2]。

瓦斯的治理及預(yù)防是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)中及其重要的內(nèi)容之一。準確的測定礦井煤層瓦斯含量，預(yù)測瓦斯分布規(guī)律，是降低瓦斯事故發(fā)生率的基礎(chǔ)[3-5]。本文采用鉆孔煤屑解析法對山西某礦5號煤層瓦斯含量進行了測定，以此為基礎(chǔ)對煤層瓦斯分布規(guī)律進行了研究，從而為之后瓦斯抽采措施的制定提供了事實依據(jù)。

1 工程背景

山西某礦礦井瓦斯絕對涌出量為1.70 m3/min，相對涌出量為4.30 m3/t，為低瓦斯礦井。目前礦井主采煤層為5號煤層，煤層平均厚度12.27 m，一般含2～5層夾矸，局部含有6～8層厚的夾矸，煤層的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜多樣，屬于全區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的可以開采的煤層。

礦井采用中央分列式通風(fēng)系統(tǒng)。即礦井工業(yè)場地內(nèi)的副斜井為主要進風(fēng)，主斜井為輔助進風(fēng)，工業(yè)場地外的西部設(shè)有回風(fēng)斜井進行回風(fēng)；該礦通風(fēng)的方式為壓入式通風(fēng)。新鮮風(fēng)流通過主斜井、副斜井進風(fēng)，進而經(jīng)過軌道大巷和皮帶大巷進風(fēng)，回風(fēng)大巷作為專門回風(fēng)大巷，盤區(qū)內(nèi)采煤工作面的運輸巷作為進風(fēng)順槽，回風(fēng)巷則對應(yīng)作為回風(fēng)順槽。采用一進一回的通風(fēng)方式，各煤層和各盤區(qū)的乏風(fēng)然后經(jīng)過回風(fēng)大巷排至總回風(fēng)巷，進而通過回風(fēng)斜井最終排至地面。

2 瓦斯含量測定研究

2.1 瓦斯含量測定

本次利用鉆孔煤屑解析法進行測定，該測定方法的步驟如下。

1）在已經(jīng)裸露掘進作業(yè)空間或者回采作業(yè)空間煤壁上，打設(shè)直徑為42 mm、深20 m的鉆孔，鉆至20 m時采集樣本，同時把此時的時間記錄為t1。

2）把所收集的樣品放入罐中，同時記錄下樣品的初始解析時間t2，此處采用FHJ-2型號的解析速率監(jiān)測儀，如下頁圖1所示，監(jiān)測記錄樣品的累積瓦斯解析總量在不同的時間t下的值Vi，監(jiān)測時間通常2h，解析測定完畢結(jié)束將樣品罐擰緊以防泄露，移送到室內(nèi)進行殘留瓦絲量測定。

3）損失量計算。把不同時間段內(nèi)的解析檢測結(jié)果依照下式折換為標(biāo)準狀態(tài)下的體積V0i：

式中：V0i為解析瓦斯體積，mL；Vi為不同階段內(nèi)瓦斯的解析量，mL；P0為大氣壓力，Pa；hw為測管內(nèi)水柱高度，mm；Ps為下飽和水蒸汽壓力，Pa；tw為測管內(nèi)水溫，℃。將[（t0+t）0.5，V0i]表達在二維坐標(biāo)圖中，則該曲線同縱坐標(biāo)軸相交點的值，就是樣品中瓦斯損失量，如圖2所示。

4）把檢測后殘留樣品以及試管一并進行室內(nèi)的殘留瓦斯、灰分、水分的測定。

5）依照樣品瓦斯的散耗值、解析值、殘留值以及可燃質(zhì)的質(zhì)量，可以得到樣品中瓦斯含量：

式中：V0為標(biāo)準狀況時樣品瓦斯解吸值，mL；V1為標(biāo)準狀況時樣品損失瓦斯值，mL；V2為標(biāo)準狀況時樣品殘留瓦斯量，mL；G0為樣品可燃質(zhì)的質(zhì)量，g；W為樣品可燃質(zhì)瓦斯含量，mL/g。

原先煤體樣品中的瓦斯含量依照下式進行計算：

式中：W0為原始煤體樣品的瓦斯含量，mL/g；Aad為煤中的灰分，%；Mad為煤中的水分，%。

圖1 瓦斯解析設(shè)備示意圖

圖2 不同時間下瓦斯解析體積量

2.2 瓦斯含量測定結(jié)果

對該井田內(nèi)地勘鉆孔瓦斯含量測值進行分析可知：各鉆孔煤樣灰分實驗室測值為8.37%～20.12%，均小于40%；現(xiàn)場采取煤樣裝入密封罐后送實驗室無漏氣現(xiàn)象且鉆孔位置附近無較大構(gòu)造。

根據(jù)經(jīng)驗，現(xiàn)有的地勘解吸法測定煤層瓦斯含量，存在著鉆孔取樣深度越大，煤層瓦斯含量預(yù)測值越低的問題。另外，由于取樣過程中的煤樣樣品質(zhì)量、密封效果和含量測定方法等原因，地勘鉆孔測定的煤層瓦斯含量往往較煤層的真實瓦斯含量值小。因此，在利用地勘瓦斯含量時，為減小誤差，應(yīng)對煤樣進行測值校正，5號煤層運輸巷掘進處實測值（埋深為125 m，瓦斯含量為1.34 m3/t）與鉆孔補4（埋深為 121.48 m，瓦斯含量為 0.68 m3/t），鉆孔 Z301（埋深為125.01 m，瓦斯含量為0.73 m3/t）位置相近，也無構(gòu)造隔開，同屬一個瓦斯單元，對比得校正系數(shù)K分別為 1.97、1.84，這里取 1.97。

3 煤層瓦斯含量分布規(guī)律

煤層瓦斯含量會由于井田地質(zhì)因素不同而不同，地質(zhì)因素其中包括煤層埋深、煤的質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)造、煤層頂?shù)装鍘r性以及煤的物理化學(xué)性質(zhì)等等。

根據(jù)在該礦井井下實測和鉆孔瓦斯含量數(shù)據(jù)，對5號煤層的瓦斯含量分布規(guī)律進行分析。

對上述瓦斯測定結(jié)果進行分析，得知5號煤層的瓦斯含量會隨著煤層埋深的增加而呈現(xiàn)線性增長的趨勢，通過線性回歸，得出瓦斯含量分布規(guī)律如下。

1）5號煤層的瓦斯含量會隨著煤層埋深的增加而加大，它們兩者之間遵循的統(tǒng)計關(guān)系如下：

式中：W為煤層瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋藏深度，m。

2）5號煤層甲烷組分為15.58%～25.43%，二氧化碳組分為3.56%～21.69%，氮氣組分為50.36%～79.98%，推斷5號煤層處于氮氣帶、氮氣帶-甲烷帶。

3）5號煤體中所含瓦斯含量的增長梯度為0.62 m3/（t·100 m）。

4）5煤層中瓦斯的含量分布規(guī)律：整個井田的南部區(qū)域煤體中所含瓦斯量值小，在1.4 m3/t以下。中部區(qū)域以及東北部區(qū)域所含瓦斯量值比南部區(qū)域大，在1.8～2.2 m3/t之間；最大值為2.2 m3/t。

4 結(jié)論

本文采用鉆孔煤屑解析法，在山西某礦現(xiàn)有開采區(qū)域瓦斯進行測定，具體結(jié)論主要如下。

1）影響5號煤層的瓦斯含量的主要因素為埋深，煤層中瓦斯含量會隨著煤層埋深的增加而加大，埋深每增加100 m，瓦斯含量增加0.62 m3/t。

2）5號煤層瓦斯含量中甲烷占比較高，為15.58%～25.43%，其次為二氧化碳和氮氣，因此判斷該煤層處于氮氣帶、氮氣帶-甲烷帶。

3）煤層瓦斯含量在井田內(nèi)的分布自南向北逐漸增大，瓦斯含量最大為2.2 m3/t。