胡底煤礦3#煤瓦斯壓力及含量測定分析研究

韓趙俊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部胡底煤業(yè)，山西 晉城 048200）

煤層原始的瓦斯壓力及瓦斯含量等基本參數(shù)是研究煤層瓦斯賦存與涌出量、控制瓦斯事故的基礎(chǔ)。煤層瓦斯壓力是指煤體孔隙中游離氣體對孔隙壁產(chǎn)生的壓力，是研究瓦斯含量的主要因素[1-3]。因此，煤礦開展煤層瓦斯壓力及瓦斯含量等基礎(chǔ)參數(shù)研究，對井下的瓦斯防治措施的制定具有重要的意義。

1 工程概況

胡底煤礦位于山西省晉城市沁水縣，隸屬于晉煤集團(tuán)，礦井瓦斯絕對涌出量為8.8 m3/min，相對涌出量為7.77 m3/t，絕對二氧化碳涌出量為1.44 m3/min。現(xiàn)開采3#煤層，黑～灰黑色，煤層穩(wěn)定，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，局部含有少量夾矸，為主要可采煤層。煤層厚度5.78～6.54 m 之間，平均厚度5.88 m，硬度為1～2，屬于穩(wěn)定可采煤層。

3#煤層偽頂為黑色泥巖，質(zhì)軟，松軟、易碎，隨采掘脫落，平均厚度0.2 m；直接頂為深灰色砂質(zhì)泥巖，半堅硬，較致密，平均厚度5.17 m；老頂為灰色粉砂巖、細(xì)粒砂巖，局部夾泥巖，堅硬，致密，平均厚度2.78 m；直接底為深灰-灰黑色砂質(zhì)泥巖夾薄層粉砂巖，半堅硬，較致密，平均厚度2.00 m；老底為灰色細(xì)粒巖屑石英雜砂巖，碎屑以石英為主，堅硬，致密，平均厚度0.99 m。

2 瓦斯壓力測定

2.1 鉆場設(shè)計

選擇胡底煤礦1311 底抽巷對3#煤層進(jìn)行瓦斯壓力、含量測定。測壓、測含量鉆孔應(yīng)避開裂隙和斷層，布置于堅硬的巖石巷道中，防止封孔不嚴(yán)密產(chǎn)生漏氣。鉆孔由巷道打向煤層，鉆孔與煤層的夾角盡量接近90°且打穿煤層，孔徑在75 mm 以上，測壓地點(diǎn)和煤層之間垂距10 m 以上。1311 底抽巷測壓地點(diǎn)示意圖如圖1。

每個測點(diǎn)布置兩個上向巖石穿層測壓鉆孔，1311 底抽巷測點(diǎn)鉆孔布置如圖2，1 號測壓和測瓦斯含量鉆孔布置剖面圖、2 號測瓦斯含量鉆孔布置剖面圖分別如圖3。

圖2 1311 底抽巷測點(diǎn)鉆孔布置圖

圖3 2 個測壓點(diǎn)鉆孔布置A-A 剖面圖

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔采用變徑無芯鉆進(jìn)方式施工。每個鉆孔的0～2 m 段為開孔段，開孔直徑Ф113 mm，開孔深度2 m。開孔段采用Ф108 mm 鋼管作為套管并用水泥砂漿固孔，待固孔凝固時間滿24 h 之后，采用Ф75mm 鉆頭鉆進(jìn)，穿透3 號煤層進(jìn)入底板0.2 m結(jié)束鉆進(jìn)。

2.3 封孔方法

封孔方式如圖4。成孔以后，利用漏斗和注漿管向孔內(nèi)注添加適量熟石膏（每孔熟石膏用量為10 kg）和適量水玻璃（每孔水玻璃用量為5 kg）的水泥砂漿封孔，封孔長度為全部巖孔段。封孔前，需要將孔內(nèi)積水排放干凈。

圖4 鉆孔封孔結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 測壓操作程序

采用鉆孔瓦斯壓力自然恢復(fù)法針對3#煤層瓦斯壓力進(jìn)行檢測，具體步驟為：

（1）當(dāng)鉆孔即將見煤時應(yīng)停止鉆進(jìn)，待測壓人員就位后，恢復(fù)鉆進(jìn)，直至穿透煤層，及時清洗鉆孔，排除孔中積水和巖屑，并詳細(xì)記錄參數(shù)（開孔及終孔時間、方位角、傾角、孔深、煤厚）。

（2）要及時組裝測壓管，盡快封閉測壓孔。測壓管的安裝長度視鉆孔深度而定，一般應(yīng)盡可能靠近煤層。

（3）將攪拌均勻的水泥砂漿通過注漿泵注入鉆孔內(nèi)，直至注滿。

（4）待注漿后凝固24 h，再安裝壓力表，壓力表要保證嚴(yán)密性，檢查密封墊圈是否合格。重點(diǎn)記錄前兩個小時壓力值變化，每隔30 min 記錄一次壓力表數(shù)值變化；后面保證每天觀察記錄一次壓力值變化，若發(fā)現(xiàn)異常及時進(jìn)行處理；若壓力值連續(xù)三天無較大的變化，則認(rèn)為此壓力值為煤層瓦斯壓力。

2.5 煤層瓦斯壓力測定結(jié)果

由《煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測定方法》可知，在瓦斯壓力監(jiān)測時，同一地點(diǎn)以監(jiān)測得到的最高瓦斯壓力作為該煤層測定的瓦斯壓力。因此，根據(jù)2 個測壓點(diǎn)瓦斯壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得到，胡底煤礦3#煤層最大瓦斯壓力為0.98 MPa。

3 煤層瓦斯含量測定

目前，瓦斯在煤層中主要存在兩種狀態(tài)的賦存形式，一種是吸附瓦斯，主要存在于煤分子之間的空間，吸附在煤的孔隙表面或者內(nèi)部；另一種是滲透在空間內(nèi)的瓦斯，稱之為游離瓦斯，主要呈現(xiàn)自由氣態(tài)。根據(jù)有關(guān)研究資料，煤層中瓦斯含量分布為：吸附瓦斯占據(jù)80%～95%，游離瓦斯占據(jù)5%～20%。因此，瓦斯含量的測定需分別測定兩種形態(tài)的瓦斯含量。

3.1 煤層瓦斯吸附常數(shù)分析

采用高壓吸附法測定煤層內(nèi)的吸附瓦斯量。試驗過程為：從3#煤中收集得到的新鮮煤樣打散，取0.2～0.3 mm 的煤樣80 g，放置于測定罐；在70°的環(huán)境下，抽真空2 d；在30°恒溫和0.1～5 MPa 壓力下測定吸附瓦斯量；換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每噸煤吸附的瓦斯量以及吸附常數(shù)a、b。測試結(jié)果見表1。

表1 煤樣瓦斯吸附測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，在恒定溫度30°時，隨著吸附壓力的增加煤樣吸附瓦斯量不斷增加，但吸附率逐漸減小。當(dāng)瓦斯壓力足夠大時，煤樣吸附瓦斯量會趨于飽和狀態(tài)，趨近于恒定值。根據(jù)Langmuir 等溫吸附方程，可以得到煤體吸附壓力與吸附瓦斯量的關(guān)系：

式中：P為瓦斯吸附壓力，MPa；Q為煤體吸附瓦斯量，m3/t；a為煤體極限吸附量，m3/t；b為煤的吸附平衡常數(shù)，MPa-1。

根據(jù)前文測試得到的結(jié)果，以1/a、1/ab為變量進(jìn)行擬合數(shù)據(jù)，可以得到如圖5 曲線。

圖5 胡底煤礦3#煤層P 與P/Q 曲線

進(jìn)而可以求得胡底煤礦3#煤層吸附常數(shù)a=20.79 m3/t，b=1.33 MPa-1。

3.2 煤層瓦斯含量計算

煤層中的瓦斯主要由吸附態(tài)和游離態(tài)構(gòu)成。吸附態(tài)瓦斯可以根據(jù)瓦斯壓力及吸附常數(shù)等參數(shù)計算得到，游離態(tài)瓦斯可以根據(jù)煤體孔隙率計算得到。

煤層吸附瓦斯含量Q1：

式中：Ts為吸附試驗時的溫度，℃；A為煤樣灰分，%；T為煤層溫度，℃；n為修正系數(shù)，n=0.02/（0.993+0.07P）；W為煤樣水分，%。

煤的游離瓦斯含量Q2：

式中：T0為絕對溫度，273 K；V為單位質(zhì)量煤的孔隙容積，m3/t；α為瓦斯壓縮系數(shù)；P0為標(biāo)準(zhǔn)狀況壓力，0.1 MPa。

將胡底煤礦3#煤層相關(guān)參數(shù)代入上述兩式，計算得到煤層吸附瓦斯含量為4.2 m3/t，游離瓦斯含量為0.05 m3/t。因此，3#煤層的瓦斯含量為4.25 m3/t。

4 結(jié)論

（1）采用鉆孔瓦斯壓力自然恢復(fù)法對3#煤層瓦斯壓力進(jìn)行檢測，確定了2 個測壓鉆孔的具體方位及鉆孔參數(shù)，得到胡底煤礦3#煤層最大瓦斯壓力為0.98 MPa。

（2）在實驗室采用高壓吸附法測定煤層內(nèi)的吸附瓦斯量，得到3#煤層吸附常數(shù)a=20.79 m3/t，b=1.33 MPa-1，進(jìn)一步計算得到煤層吸附瓦斯含量為4.2 m3/t，游離瓦斯含量為0.05 m3/t，3#煤層的瓦斯含量為4.25 m3/t，屬于中等瓦斯含量。

根據(jù)測得的煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，可有針對性地采取瓦斯治理措施，保障煤礦安全生產(chǎn)。