瓦斯参数测定和影响因素分析.docx

煤层瓦斯参数测定及影响因素研究
内容摘要：通过对东庞矿2号煤瓦斯压力和瓦斯含量的测定分析，得出瓦斯参数受地质条件、埋深、围岩透气性、煤变质程度等各种因素的影响程度和规律，为矿下一步治理瓦斯，防控瓦斯事故提供基础。
关键词：瓦斯、参数、因素、研究
一、概况
东庞矿位于河北省内邱县境内，隶属于冀中能源股份有限公司，矿区海拔80~125m，为平原地区。矿井主采山西组2号煤层，设计生产能力1.80M t/a，1977年2月开始建井，1983年12月投产，1987年达产。1993年以来，随着采掘机械化程度的不断提高，矿井原煤产量一直保持在2.00Mt/a以上；特别是2006年至今，生产能力超过2.60Mt/a。
截止到2009年，东庞矿历年矿井瓦斯等级鉴定批复均为低瓦斯矿井，2010年度为按高瓦斯矿井管理，2011年度升级为高瓦斯矿井。鉴定实测数据显示，近年来矿井瓦斯涌出量正逐年呈显著上升趋势。矿井开采至二水平后，沿2煤层走向从南到北分别在不同区域发生过多次采掘工作面瓦斯异常涌出现象。特别是自2006年以来，随着二水平采掘范围向三水平的日趋延深和靠近，分别在三水平回风巷、皮带巷二期掘进期间局部地带出现响煤炮、喷孔或顶板、底板（岩石裂隙）喷出大量瓦斯等瓦斯异常涌出现象，有时喷孔的时间和强度较为剧烈，一度导致掘进工作面不得不为了专门治理瓦斯超限而长时间停产，严重影响了矿井的正常采掘接替工作。
二、矿井2号煤瓦斯参数测定
东庞主采煤层2煤结构简单稳定，全区可采，平均厚度4.42m，个别钻孔偶见夹矸一层，厚度0.05m~0.49m。倾角平缓，地质构造、水文条件较为简单，利于机械化开采；属低硫中灰高挥发份的低、中变质程度的烟煤，煤种简单，煤质牌号为气煤和肥煤，结焦性能好，浮选后可作炼焦用，有较大经济价值。
1、瓦斯压力P的测定
目前，可以用间接法和直接法测定瓦斯压力P。直接法是通过钻孔揭露所测定的煤层、安设测定仪表并密封钻孔，利用煤层瓦斯自然渗透原理测定在钻孔揭煤处达到平衡的瓦斯压力。直接测压法的关键是保障钻孔的封闭密封质量。
本次采用直接法进行煤层瓦斯压力测定，测压钻孔布置在2002车场、-480北翼集中皮带巷外段，其中2002车场布置2个钻孔，共测定瓦斯压力3组。开孔位置选在岩石巷道的完整处，测定地点避开褶曲、断层、淋水带，不受采动影响区域（采空区、卸压影响区、应力集中区）的影响，钻孔周围煤层处于原始状态。
施工前，设计钻孔的开孔位置、方位角、倾角、孔深等钻孔基本参数，使钻孔垂直于被测煤层，均是打穿煤层全厚后再进入煤层顶（底板）0.5m方结束钻孔施工。然后清洗钻孔，用压风吹去孔内煤屑和积水。1号、3号孔采用胶圈-压力粘液封孔器封孔，均从开孔处4m开始封孔，粘液压力为0.3MPa，封孔后即开始读数。2号孔采用水泥砂浆封孔，封孔结束24小时后安上压力表，刚开始1～2个小时读数一次，稍稳定后每隔1天读数一次。压力表读数稳定1周以上且压力变化在3天内小于0.015MPa时，这个读数即为最终的瓦斯压力。
1号孔最终压力稳定在1.2MPa；2号孔由于孔内有水，不得不数次放水，且接头略有漏气，压力未上升到最高点，最后结果为0.7MPa；3号孔稳定在1.55MPa。-480北翼集中皮带巷揭煤工作面测定瓦斯压力为1.55MPa。将各孔施工参数及测压结果列表，见表1。
表1 瓦斯压力测定结果
孔号
打钻地点
标高(m)
孔径(mm)
方位角(°)
倾角(°)
孔深(m)
相对瓦斯压力
(MPa)
1
2002车场
-390
75
18
25
15
1.2
2
2002车场
-390
75
0
25
8
>0.7
3
-480北翼集中皮带巷
-480
75
18
0
14.5
1.55
由测定结果可以看出，东庞矿2号煤层的相对瓦斯压力最大值为1.55MPa，超过了0.74MPa。
2、瓦斯含量Q的测定
单位体积或者单位重量中煤体所含有的瓦斯量为煤层瓦斯含量，计量单位可用m3/t或ml/g。生产矿井中可以用间接法或者直接法测定煤层瓦斯含量Q。本次采用了直接法测定Q，其测定步骤如表2所示：
表2 瓦斯含量测定步骤
步骤编号
步骤内容
1
在2607轨道巷、2002车场、-480北翼集中皮带巷新暴露的煤壁上，垂直煤壁打一个φ42mm、孔深8m的钻孔，钻至8m时开始取样，并记录采样开始时间t1；
2
将采集的新鲜煤样装罐并记录开始时间t2，用FHJ-2型测定仪（图1）测定不同时间t下的煤样累积总量Vi ，时间为2h；拧紧煤样罐保障气密性，进行实验室测定煤样残存瓦斯量。

3
绘制全部测点[(t0+t)0.5，Voi]的曲线，将测点的直线关系段延长与纵坐标轴相交，纵坐标轴上的截距即为瓦斯损失量。
4
根据煤样损失、解吸、残存瓦斯量和煤中可燃质重量，即可求出Q。
1—量管 2—吸气球 3—温度计 4—水槽 5—螺旋夹 6—弹簧夹 7—排水管 8—排气胶管
9-16号胸骨穿刺针头 10—密封罐 11—压紧螺帽
图1 瓦斯解吸速度测定仪与密封罐示意图

本次共测定了6组瓦斯含量数值，测定煤层均为2号煤层。计算过程见图2，计算结果如表3。
测定结果表明，上述区域瓦斯含量很低，最大为2002车场，煤层瓦斯含量值为3.28m3/t，最小为2002车场揭煤处，煤层瓦斯含量最小为1.6m3/t。

1号孔暴露时间的平方根(min1/2)
Q(ml)
Q(ml)

2号孔暴露时间的平方根(min1/2)

3号孔暴露时间的平方根(min1/2)
Q(ml)
Q(ml)

4号孔暴露时间的平方根(min1/2)

Q(ml)
Q(ml)

5号孔暴露时间的平方根(min1/2)
6号孔暴露时间的平方根(min1/2)

图2 各钻孔瓦斯损失量计算示意图
三、测定结果分析
1、瓦斯压力与地层标高关系
一般情况下，煤层瓦斯运移的总趋势是瓦斯由地层深部向地表逸散，所以，未受采动影响的煤层瓦斯压力随深度的增加而有规律地增加。由表2可以看出，东庞矿2号煤层的瓦斯压力较大，在标高为-390m时达到了1.2MPa，标高为-480m时达到了1.55MPa。鉴于东庞矿开采区域地表平坦，因此，测点标高的大小可以标志着该点埋深的大小。因此，东庞矿的瓦斯压力梯度为：
gp = (1.55-1.2)/(-390+480) =0.0039 (MPa/m)
所以，东庞矿虽然是高瓦斯矿井，但2号煤层瓦斯压力已经达到了1.55MPa，煤层突出危险性从无到有的阶段发展是逐渐变化的，并且随着矿井向深部延深，煤层的瓦斯压力还会有所上升。当延深达到或超过50m时，瓦斯压力最大会上升近0.5MPa。根据计算得出的瓦斯压力梯度，当东庞矿开采标高达到-530m时，2号煤层的瓦斯压力将达到1.75MPa。因此，东庞矿的2号煤层在开拓生产前，必须对2号煤层的瓦斯赋存及涌出情况进行详细研究，有针对性的采取治理措施，否则瓦斯问题将对煤矿的安全管理、采掘接替产生重大影响。
2、煤层瓦斯含量与煤的变质程度关系
煤层瓦斯不断生成的过程是随着煤的沉积变质过程而进行的，产生的瓦斯量随着煤的变质程度增高而增大，产生的瓦斯量越大。主要原因是：第一，煤的变质程度直接决定了煤层瓦斯的初始生成量；第二，煤层透气性系数随着随着煤的变质程度增高而下降，造成气体运移到地面的过程比较缓慢；第三，煤的吸附瓦斯的能力随变质程度的增高而增大，从而煤层中可赋存更多的瓦斯。
煤的挥发分含量是反映其变质程度的有效指标。东庞矿在多次科研活动中已经积累了比较丰富的2煤层挥发分含量Vr数据，该指标测试值基本在37.28～44.2%之间，本次测定的煤的挥发分含量为37.59%。因此2煤层应属于低变质的气肥煤。大量的统计资料反映气肥煤的平均瓦斯含量一般为7.2～11.5m3/t。
3、煤层瓦斯含量与埋藏深度的关系
鉴于东庞矿开采区域地表平坦，因此，测点标高的大小可以标志着该点埋深的大小。东庞矿煤层瓦斯含量与测定标高的散点图如图4所示。由图可以看出，煤层瓦斯含量随着埋深的增加，有变大的趋势。但由于影响煤层瓦斯含量的因素较多，存在着局部瓦斯含量的异常点。
表3 瓦斯含量测定结果
孔号
测定地点
标高
(m)
煤样重(g)
损失量（ml）
解析量（ml）
残存量（ml/g）
瓦斯含量（ml/g）
损失量计算
拟合公式
1
2002车场揭煤处
-390
170
60.65
80
0.77
1.60
Q+60.65=35.18t1/2
2
-480北翼集中皮带巷
-480
192
75.91
78
1.21
2.01
Q+75.91=24.19t1/2
3
2002车场
-390
189
135.33
236
1.32
3.28
Q+135.33=67.82t1/2
4
2607轨道巷
-352
195
30.28
74
1.18
1.71
Q+30.28=15.45t1/2
5
2607轨道巷
-352
180
42.58
234
0.996
2.53
Q+42.58=15.03t1/2
6
2607轨道巷
-352
210
91.60
290
0.899
2.72
Q+91.60=29.18t1/2

图4 煤层瓦斯含量和标高的散点图
4、煤层瓦斯含量与围岩透气性关系
煤层瓦斯含量与煤层围岩致密性密切相关，当围岩致密完整时，则瓦斯逸散的途径透气性差，煤层瓦斯易于保存；反之，则有利于瓦斯逸散。
2号煤层直接顶板为粉砂岩、细粒砂岩或细粒砂岩与页岩互层；底板多为细砂岩和粉砂岩。虽然这种围岩条件对煤层瓦斯的保存比较有利，但由于矿井开采范围内主要受断层、褶曲的控制，通过围岩的逸散对煤层瓦斯的影响比较小；而且这种围岩特征在各个瓦斯地质单元范围内没有表现出比较大的差异，在全区范围内具有一般性特征。所以，东庞矿2号煤层的煤层瓦斯含量受煤层围岩的变化影响较小。
5、煤层瓦斯含量与水文地质条件
在2607准备巷道掘进中，顶板砂岩水多以滴淋水形式出现，掘进中最大涌水量10 m3/h，正常涌水量为5m3/h，由于淹井的原因，其掘进中涌水量增大。回采中最大涌水量40 m3/h，正常涌水量为20 m3/h。因此，2号煤层的涌水量影响对煤层瓦斯含量有影响，一定程度上降低了2号煤层的瓦斯含量。
四、结束语
由以上分析可知，东庞矿的2号煤层瓦斯含量随未超过8m3/t，但煤层瓦斯含量的影响因素较多，特别是地质构造及煤的赋存条件的变化。因此，研究东庞矿的煤层瓦斯赋存规律及采掘工作面瓦斯涌出规律，具有非常重要的现实意义。

参考文献：
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[2]王忠奎.工作面瓦斯涌出量预测及瓦斯来源分析[J].矿业安全与环保，2008（3）
[3]张文芳，东庞矿21217综采工作面瓦斯治理与研究.煤炭与化工，2014（9）