煤層預(yù)抽后殘余瓦斯含量分布影響控因研究

丁 紅

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.國家煤礦安全技術(shù)工程研究中心，重慶 400037)

回采工作面順煤層瓦斯抽采作為一種有效的區(qū)域防突措施在我國大部分煤礦得到推廣應(yīng)用[1，2]，但是部分回采工作面在采取瓦斯抽采措施后仍然時有瓦斯事故發(fā)生，因此在進行回采作業(yè)前必須開展回采工作面瓦斯抽采效果評價[3，4]，其中殘余瓦斯含量是進行瓦斯抽采效果評價的重要指標之一[5]。在回采工作面順煤層鉆孔預(yù)抽時，煤層瓦斯含量變化受到煤變質(zhì)程度、煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造等多因素影響，導(dǎo)致預(yù)抽后的殘余瓦斯含量分布規(guī)律無法準確判斷，因此有必要對回采工作面殘余瓦斯含量分布控制因素進行研究。針對煤層瓦斯分布的影響因素，許多學者開展了大量研究。石必明等[6]對上保護層開采下伏煤巖的力學特性及瓦斯抽采效果進行了研究；傅雪海等[7]探討了煤基質(zhì)收縮對煤層滲透率的影響；韓軍等[8]解釋了不同類型、不同部位及其組合關(guān)系褶皺對瓦斯聚集和逸散的雙重性影響；王青元等[9]認為順煤層斷層所產(chǎn)生的構(gòu)造煤是瓦斯高聚集區(qū)；王林杰[10]探討了地質(zhì)條件影響下瓦斯賦存特征及抽采后殘余瓦斯分布；舒龍勇等[11]通過分析地質(zhì)構(gòu)造與煤層瓦斯含量之間的關(guān)系，總結(jié)出地質(zhì)構(gòu)造的四種類型以及對煤層瓦斯賦存的影響；殷帥峰等[12]認為薄煤層工作面頂板環(huán)形裂隙圈的寬度較小，且在采動過程中不能使上部亞關(guān)鍵層破斷，致使亞關(guān)鍵層及以上巖層中不能發(fā)育貫通裂隙而富集瓦斯。以上學者對采動卸壓、煤基質(zhì)收縮或地質(zhì)構(gòu)造變化等單一影響因素下煤層瓦斯賦存特征和分布規(guī)律進行了研究，但是煤層預(yù)抽受到多因素綜合作用，如何依托回采工作面鉆孔抽采條件，確定預(yù)抽后的殘余瓦斯含量分布的主控因素需要進行深入探討。因此，基于煤巖體力學理論分析殘余瓦斯含量分布的影響因素，以平慶煤礦117802回采工作面作為研究對象，采用Surfer軟件擬合得到殘余瓦斯含量分布等值線，并對不同開采因素、地質(zhì)因素和抽采條件影響下的殘余瓦斯含量分布變化規(guī)律和控制機理進行研究，最終確定殘余瓦斯含量分布的影響控因，為回采工作面煤層殘余瓦斯含量分布預(yù)測提供研究依據(jù)。

1 殘余瓦斯含量影響因素

1)原始瓦斯含量分布?；夭晒ぷ髅骓樏簩鱼@孔是對煤層瓦斯儲量進行預(yù)抽，煤層瓦斯儲量主要受原始瓦斯含量影響，原始瓦斯含量是未受采動影響和抽采作用時煤層原始賦存的瓦斯含量，由于煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造、煤質(zhì)特性和圍巖完整性等因素影響，導(dǎo)致原始瓦斯含量分布不均，在施加同等抽采條件的情況下，殘余瓦斯含量的分布也會存在一定差異。

2)煤層埋深差異。煤層埋深是地面標高與煤層底板標高的差值，代表回采工作面煤層的埋藏深度，一般認為，隨著埋深的增加，煤層瓦斯含量也會隨之增大。

3)采掘活動影響。根據(jù)達西定律，瓦斯抽采效果受到煤層透氣性系數(shù)的影響，煤體滲透率K與其承受壓力存在如下關(guān)系[13，14]：

K=K0e-bσ

式中，K0為未承壓煤樣滲透率，10-3μm2；b為試驗確定的經(jīng)驗常數(shù)，MPa-1；σ為煤體有效應(yīng)力(煤體地應(yīng)力減去孔隙壓力)，MPa。

在回采工作面上保護層開采后會形成采空區(qū)，使得被保護煤層卸壓，同時在部分區(qū)域會遺留煤柱，當煤柱寬度大于50m時底板集中應(yīng)力呈現(xiàn)“倒鐵塔”分布[15]，而當煤柱寬度小于50m時底板集中應(yīng)力呈現(xiàn)“鐘”形分布[16]，此時煤體有效應(yīng)力發(fā)生變化，改變煤體滲透率，進而改變瓦斯在煤層中運移的通道。

4)地質(zhì)構(gòu)造作用。回采工作面煤層在成煤過程中，由于地質(zhì)變化和構(gòu)造影響，會形成一定的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，該區(qū)域與回采工作面巷道互聯(lián)互通形成瓦斯運移通道，使煤層瓦斯流動釋放。

5)預(yù)抽時間差異。預(yù)抽作用是殘余瓦斯含量變化的動力，在相似的地質(zhì)條件下，預(yù)抽時間的差異會使不同鉆孔的抽采效果在時空上存在差異，導(dǎo)致殘余瓦斯含量的分布存在差異。

2 殘余瓦斯含量測試方法

殘余瓦斯含量的測定主要是根據(jù)瓦斯損失量、瓦斯解吸量、粉碎瓦斯解吸量和殘存瓦斯量計算得到殘余瓦斯含量Qm，即Qm=Q1+Q2+Q3+Qc。首先，通過將煤樣從煤層固定位置取出，及時采用煤樣筒密封，測量煤樣的瓦斯解吸速度及解吸量，根據(jù)暴露初期瓦斯解吸累計量與時間的函數(shù)關(guān)系，計算煤樣在暴露時間內(nèi)的瓦斯損失量Q1；瓦斯解吸量Q2包括地面瓦斯解吸量Q22與井下瓦斯解吸量Q21；將煤樣筒中的部分煤樣裝入密封的粉碎系統(tǒng)加以粉碎，得到在粉碎過程及粉碎后一段時間所解吸出的粉碎瓦斯解吸量Q3；根據(jù)煤層工業(yè)分析參數(shù)(a、b值、水分、溫度和孔隙率)，計算得到殘存瓦斯量Qc。

3 測定結(jié)果及分析

3.1 試驗區(qū)域概況

云南省平慶煤礦117802回采工作面走向長760m，傾斜長200m，開采范圍內(nèi)C7+8煤層傾角4°～8°，煤厚3.50m。117802機巷布置j1～j178上向順層預(yù)抽鉆孔，117802回風巷布置w1～w61、n1～n146和q16～q21-1下向順層預(yù)抽鉆孔，鉆孔有效控制范圍如圖1所示。

圖1 預(yù)抽鉆孔有效控制區(qū)域

3.2 117802回采工作面殘余瓦斯含量分布

117802回風巷每間隔18～45m布置1～2個殘余瓦斯含量測點，共33個測點；117802機巷每間隔17～47m布置1～2個殘余瓦斯含量測點，共34個測點，測點位置如圖2所示，殘余瓦斯含量測值見表1，采用Surfer軟件擬合得到的殘余瓦斯含量分布等值線如圖3所示。

圖2 殘余瓦斯含量測點位置

表1 殘余瓦斯含量測定結(jié)果

圖3 殘余瓦斯含量分布等值線

從表1和圖3可以看出，117802回采工作面殘余瓦斯含量分布在4～15m3/t，大部分區(qū)域分布在6～8m3/t，靠近切眼區(qū)域集中在8～12m3/t，117802機巷中段集中在8～15m3/t，形成殘余瓦斯高含量集中帶。殘余瓦斯含量等值線呈區(qū)域集中或條帶狀分布，數(shù)據(jù)呈離散型分布，由工作面中部向兩端逐漸增大，表明在工作面預(yù)抽區(qū)域內(nèi)，殘余瓦斯含量受到諸多因素的綜合作用。

3.3 原始瓦斯含量與殘余瓦斯含量對應(yīng)關(guān)系

鉆孔預(yù)抽前，117802回采工作面回風巷每間隔89～170m布置1～2個原始瓦斯含量測點，共6個測點；機巷每間隔66～180m布置1～2個原始瓦斯含量測點，共5個測點，測點位置如圖4所示。

圖4 原始瓦斯含量測點位置

原始瓦斯含量測點附近對應(yīng)的殘余瓦斯含量值如圖5所示。從圖5可以看出，117802回采工作面原始瓦斯含量分布在7～12m3/t，原始瓦斯含量測點附近的殘余瓦斯含量呈現(xiàn)明顯的兩個區(qū)域，在正常區(qū)域殘余瓦斯含量明顯低于原始瓦斯含量，而在反轉(zhuǎn)區(qū)域殘余瓦斯含量不降反升超過原始瓦斯含量，反轉(zhuǎn)區(qū)域測定點占全部測定點的45.5%。

圖5 原始瓦斯含量與殘余瓦斯含量對應(yīng)關(guān)系

3.4 煤層埋深與殘余瓦斯含量對應(yīng)關(guān)系

117802回采工作面煤層埋深等值線如圖6所示，埋深與殘余瓦斯含量的相互關(guān)系如圖7所示。從圖6可以看出，117802回采工作面煤層埋深分布在195～300m，靠近切眼區(qū)域集中在大于260m，埋深等值線呈向切眼的條帶狀分布。從圖7可以看出，不同埋深下的殘余瓦斯含量基本上呈離散型分布，無特定相關(guān)關(guān)系，同時在埋深240～260m處的相對異常區(qū)域，殘余瓦斯含量大于12m3/t。

圖6 煤層埋深分布等值線

圖7 殘余瓦斯含量隨煤層埋深變化

3.5 復(fù)合應(yīng)力與殘余瓦斯含量對應(yīng)關(guān)系

由于C7+8煤層開采上覆C3煤層作為保護層，煤層平均間距28.98m，117802回采工作面屬于采空區(qū)卸壓保護范圍[17]，但C3煤層開采后遺留部分煤柱，同時工作面開采范圍受到區(qū)域構(gòu)造影響，發(fā)育有F2正斷層及附近小型斷層，因此預(yù)抽鉆孔有效控制范圍可以劃分為五類區(qū)域[18]，區(qū)域劃分如圖8所示。

復(fù)合應(yīng)力作用區(qū)域與殘余瓦斯含量分布關(guān)系如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出：窄煤柱集中應(yīng)力區(qū)(Ⅲ區(qū))的殘余瓦斯含量分布在5～15m3/t；寬煤柱集中應(yīng)力區(qū)(Ⅱ區(qū))的殘余瓦斯含量集中在5～10m3/t，但存在一個異常值達到13m3/t；采空區(qū)—煤柱區(qū)—斷層帶共同影響區(qū)(Ⅴ區(qū))的殘余瓦斯含量分布在5～11m3/t；采空區(qū)卸壓區(qū)(Ⅰ區(qū))的殘余瓦斯含量分布在4～10m3/t；采空區(qū)—斷層帶共同卸壓區(qū)(Ⅳ區(qū))的殘余瓦斯含量分布在6～9m3/t。不同復(fù)合應(yīng)力作用下的殘余瓦斯含量呈現(xiàn)明顯的區(qū)域特征，殘余瓦斯含量分布從大到小依次為：Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅴ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅳ區(qū)。

圖8 區(qū)域劃分

圖9 復(fù)合作用區(qū)域與殘余瓦斯含量分布關(guān)系

圖10 不同復(fù)合作用區(qū)域殘余瓦斯含量對比

3.6 預(yù)抽時間與殘余瓦斯含量對應(yīng)關(guān)系

預(yù)抽時間與殘余瓦斯含量對應(yīng)關(guān)系如圖11所示。從圖11可以看出，117802回采工作面順層鉆孔預(yù)抽時間在2～6月時的殘余瓦斯含量平均值均大于8m3/t(預(yù)抽時間3月時的殘余瓦斯含量平均值雖然不大于8m3/t，但是最大值達到13m3/t)，而在預(yù)抽時間在7～10月時的殘余瓦斯含量平均值均小于8m3/t，說明隨著預(yù)抽時間的增加，殘余瓦斯含量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

圖11 預(yù)抽時間與殘余瓦斯含量分布關(guān)系

4 殘余瓦斯含量分布的影響控因討論

117802回采工作面殘余瓦斯含量分布受到原始瓦斯含量分布、煤層埋深差異、采掘活動影響、地質(zhì)構(gòu)造作用和預(yù)抽時間差異等因素的綜合影響。

1)原始瓦斯含量測點附近的殘余瓦斯含量呈現(xiàn)明顯的正常下降和反轉(zhuǎn)增加兩個區(qū)域，反轉(zhuǎn)區(qū)域測定點占全部測定點的45.5%，表明原始瓦斯含量分布與殘余瓦斯含量的最終分布無明顯對應(yīng)關(guān)系。

2)煤層埋深等值線呈明顯由工作面外段向切眼的條帶狀分布，而不同煤層埋深下的殘余瓦斯含量基本上呈離散型分布，同時在埋深240～260m處存在相對異常區(qū)域，表明煤層埋深差異與殘余瓦斯含量分布無特定相關(guān)關(guān)系。

3)受采掘活動影響和地質(zhì)構(gòu)造作用時，在窄煤柱集中應(yīng)力作用下，煤體變形收縮使得瓦斯運移通道受阻，滲透率變小，殘余瓦斯含量處于最高水平15m3/t；隨著煤柱寬度的增加，集中應(yīng)力系數(shù)逐漸減小，殘余瓦斯含量處于較高水平13m3/t；如果該區(qū)域雖然受到窄煤柱集中應(yīng)力作用，但是在采空區(qū)和斷層帶共同作用下得到大范圍卸壓，瓦斯流動通道處于半開合狀態(tài)，殘余瓦斯含量處于平均水平11m3/t；當僅受到采空區(qū)卸壓作用，煤層彈性潛能釋放，煤層透氣性增大，促進瓦斯抽采過程中的解吸、滲流，殘余瓦斯含量處于較低水平10m3/t；如果該區(qū)域賦存開放性斷層，在斷層破裂面附近應(yīng)力釋放，煤層瓦斯沿破裂面逸散，同時在采空區(qū)卸壓作用下，殘余瓦斯含量處于最低水平9m3/t；表明在不同采掘活動和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)合應(yīng)力下，殘余瓦斯含量分布呈現(xiàn)由集中應(yīng)力區(qū)域往卸壓作用區(qū)域規(guī)律性遞減趨勢。

4)順層鉆孔預(yù)抽時間差異系數(shù)較大時，預(yù)抽2～6月后殘余瓦斯含量平均值大于8m3/t，而隨著預(yù)抽時間的增加，預(yù)抽7～10月后殘余瓦斯含量平均值均小于8m3/t，表明殘余瓦斯含量分布與預(yù)抽時間呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。

綜上，117802回采工作面殘余瓦斯含量分布雖然受到諸多因素的影響，但是主要是受控于采掘活動、地質(zhì)構(gòu)造和預(yù)抽時間因素。

5 結(jié) 論

1)殘余瓦斯含量分布主要受原始瓦斯含量分布、煤層埋深差異、采掘活動影響、地質(zhì)構(gòu)造作用和預(yù)抽時間差異等因素的綜合影響，但其主控因素是采掘活動、地質(zhì)構(gòu)造和預(yù)抽時間。

2)不同采掘活動和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)合應(yīng)力作用下的殘余瓦斯含量分布呈現(xiàn)明顯的區(qū)域特征，由集中應(yīng)力區(qū)域往卸壓作用區(qū)域規(guī)律性遞減，從大到小依次為：窄煤柱集中應(yīng)力(Ⅲ區(qū))、寬煤柱集中應(yīng)力(Ⅱ區(qū))、采空區(qū)—煤柱區(qū)—斷層帶共同影響(Ⅴ區(qū))、采空區(qū)卸壓(Ⅰ區(qū))、采空區(qū)—斷層帶共同卸壓(Ⅳ區(qū))。

3)殘余瓦斯含量分布與預(yù)抽時間呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，預(yù)抽2～6月后殘余瓦斯含量平均值大于8m3/t，隨預(yù)抽時間的增加，預(yù)抽7～10月后殘余瓦斯含量平均值均小于8m3/t。