煤与瓦斯突出煤层瓦斯赋存规律及应用研究

试验研究

do:i 10. 3969/.j issn . 1005-2798. 2009. 12. 003

总第122期

煤与瓦斯突出煤层瓦斯赋存规律及应用研究

沐俊卫, 周宗勇, 王海锋

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(1. 淮北矿业集团祁南煤矿, 安徽宿州 234115; 2. 中国矿业大学安全工程学院, 江苏徐州 221008) 摘 要:为研究掌握祁南煤矿72煤层的瓦斯赋存规律及煤层瓦斯灾害程度, 文章首先分析论述了煤层瓦斯基本参数的物理意义及测试方法, 通过现场打钻测定及实验室取样测试分析等工作, 得出了煤层瓦斯压力、含量随深度的变化规律, 结合其他煤层指标, 获得了72煤层的煤层瓦斯赋存规律, 并对煤层进行了区域划分, 为下一步的煤层瓦斯治理提供了理论基础。关键词:瓦斯压力; 瓦斯含量; 瓦斯赋存; 区域划分

中图分类号:T D71 文献标识码:A 文章编号:100522798(2009) 1220008203

Research on G as O ccurrence Law and Its Practice

i n Coa l and Gas Outburst Sea m

MU Jun 2wei , Z HO U Zong 2yong , WANG H ai 2feng

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(1. Qinan C o a lM ine o f H ua ibeiM i ning Group , Suzhou 234115, Ch i na; 2. Safet y E ngineer i ng Colle ge o f Ch i na M ini ng Universit y , Xuz hou 221008, Ch i na )

Abstr ac t :In orde r to revea l gas occurrence la w and gas d i saster of 72sea m i n Q i nan coal m i ne , we firstly analyzed physica l meaning and test m et hod of basi c para m ete rs of gas i n coal sea m. By carryi ng out resea rch , such as dr illi ng t he borehol es on site and testi ng coa l sa m ple i n t he laboratory , t he variati on of gas pressure and gas contentw it h the depth had been ach i eved . And then , co mb i n i ng with ot h 2e r coa l i ndex , we had obta i ned gas occurrence l aw of 72coa l sea m. In add iti on , the regi on was d i vi ded i n coa l sea m, provi d i ng t heoret 2ical basi s to control gas i n the fut u re .

K eywords :gas pressure ; gas content ; gas occurrence ; regi on divisio n

1 矿井概况

祁南煤矿位于安徽省宿州市埇桥区祁县镇境内, 核定生产能力为240万t/a。矿井为立井多水平开拓, 第一水平标高为-550m, 第二水平标高为-750m 。采区集中运输大巷分区石门开拓, 即在32煤层底板布置-550m 水平岩石集中大巷, 采用分区石门开拓中、下组煤。矿井共含可采煤层10个煤层, 其中32、72、10煤为矿井主采煤层, 72煤层在石门揭煤和煤巷掘进过程中发生过多次瓦斯动力现象。矿井主要采用综采和综采放顶煤采煤方法, 采用直接冒落法管理顶板。

82采区为72煤层中的准备采区, 采区上部为煤层露头, 下限底板标高为-550m, 从石门揭煤和煤巷掘进发生的瓦斯动力现象分析认为72煤层具有

煤与瓦斯突出危险性, 但72煤层瓦斯赋存规律还没有掌握, 煤层瓦斯赋存规律对煤层安全高效开采、总体设计、瓦斯灾害防治技术方案的制定、瓦斯抽采设计、矿井安全技术管理等均具有十分重要的现实意义。为掌握72煤层瓦斯赋存规律, 需对煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、透气性系数、煤层突出指标、煤层气体瓦斯浓度等瓦斯基本参数进行测定。

2 煤层瓦斯基本参数及测试方法

2. 1 煤层瓦斯压力

煤层瓦斯压力是煤层空隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力, 它在某一点上各向大小相等, 方向与空隙壁垂直

[1]

。煤层瓦斯压力的考察需

要施工穿层钻孔, 封闭钻孔并安装压力表。随着煤层瓦斯向钻孔流动, 钻孔内瓦斯逐渐升高, 一定时间

收稿日期:2009208218

作者简介:沐俊卫(1964-), 男, 安徽巢湖人, 硕士, 高级工程师, 现任淮北矿业集团公司祁南煤矿总工程师。

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后, 钻孔内瓦斯压力与煤层内瓦斯压力相同, 瓦斯流动停止, 此时压力表显示压力即为煤层瓦斯压力。为了加快测压的进程, 可以向钻孔中注适量的惰性气体。在采区上山巷道内沿煤层倾向每垂深增加50m 施工一组考察钻孔, 根据考察结果便可得到深度与煤层瓦斯压力的变化规律。2. 2 煤层瓦斯含量

煤的瓦斯含量是指单位重量或体积的煤中所含

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有的瓦斯量, 以m /m或m /t 表示, 包括煤中的游

[2]

离瓦斯含量和吸附瓦斯含量。瓦斯含量的测定方法有直接测定法和间接测定法。目前常采用间接测便可认为煤层属于甲烷带。待测压钻孔封孔后, 用

气样袋采集钻孔内气体, 送实验室采用气相色谱分析仪进行CH 4浓度的测得工作。

3 瓦斯赋存规律分析

3. 1 考察钻孔的布置

82采区准备巷道已经形成, 根据设计及现场施工要求, 从上至下分别在上部车场、运输上山、轨道上山、人行回风联巷和南轨大巷内施工8个考察钻孔, 见图1, 钻孔直径90mm , 打钻时, 钻杆进入72煤层顶板0. 2~0. 3m 处时结束钻进。考察钻孔用于定法计算煤层瓦斯含量。在施工测压钻孔的同时, 采取煤样, 送实验室对煤样进行工业分析和瓦斯吸附实验。根据化验结果, 并结合该处的瓦斯压力, 带入瓦斯含量计算公式, 便可得出煤层的瓦斯含量。沿煤层倾向在不同标高处取煤样, 测定相关参数, 得出不同标高处的瓦斯含量, 进而可以分析瓦斯含量随煤层深度的变化规律。2. 3 煤层透气性系数

煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志, 是衡量煤层瓦斯抽采难易程度的一个重要指标。采用中国矿业大学法测得煤层透气性系数, 该法以

径向不稳定流动为计算基础[3]

。结合煤层瓦斯压力测定工作同时进行, 在测压钻孔施工及封孔工作中需记录的内容有:钻孔见煤时间、钻孔终孔时间、钻孔倾角及见煤长度、开始封孔时间、封孔结束时间、流量测定时间、流量、瓦斯浓度和开始测定压力时间。

2. 4 瓦斯放散初速度$P 和煤的硬度

瓦斯放散初速度是衡量煤层瓦斯突出危险性的重要参数, 它是煤快速放散瓦斯的能力, 在瓦斯含量相同的条件下, 煤的瓦斯放散初速度越大, 越有利于

突出的发生[4]

。从现场采取煤样, 把煤样按要求粉碎成一定的粒度, 在实验室中进行煤样脱气、煤样吸气、测定瓦斯放散初速度。煤层强度性质的变化对突出的危险性有很大的影响, 煤的坚固性系数是反映煤体这种颗粒状固体力学性质的一种相对指标。其值越大, 表示这种煤体越稳定, 在外力的作用下越不容易破碎, 在同样的瓦斯压力、地应力作用下越不容易发生突出。通常采用落锤法测定煤的坚固性系数。2. 5 煤层气体甲烷含量

煤层中气体除了含有C H 4外, 还有O 2、CO 2、N 2等成份, 煤层浅部N 2含量较高, 深部C H 4含量较高, 煤层气体C H 4浓度是划分瓦斯风化带和甲烷带的重要指标, C H 4浓度按体积计算达到80%以上,

测压、测瓦斯流量、取煤样及气体的采集。

图1 考察钻孔布置示意

3. 2 煤层瓦斯压力测定结果及分析

在矿瓦斯办和防突区的大力配合下, 经过两个多月的现场测定, 完成了这次瓦斯压力的测定工作, 部分测压孔由于封孔不严等原因未测到数据。结合邻近81采区的测定值, 获得了煤层瓦斯压力随深度的变化曲线, 见图2。由图可得出, 瓦斯压力梯度为0. 0194MPa /m,瓦斯压力与埋深的关系方程为:

p =0. 0194@H -8. 13式中:p 为煤层瓦斯压力, MPa ; H 为煤层距地面

的垂高, m 。

图2 煤层瓦斯压力测得结果

根据瓦斯压力与埋深的关系方程便可得到不同深度的煤层瓦斯压力。现场测定瓦斯压力值由于受到地质条件和封孔技术等因素的影响, 往往很难测到真实瓦斯压力值, 一般情况测定值小于真实值, 因此在确定煤层瓦斯压力梯度时选择各标高处的最大测定值进行计算, 但需要剔除由于钻孔有水而造成

的较高瓦斯压力值[4]

。

3. 3 煤层瓦斯含量测定结果及分析

采用间接测定法测定煤层瓦斯含量, 首先对煤层煤样进行工业分析和瓦斯吸附试验, 然后将测定

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值带入瓦斯含量计算公式即可求出煤层瓦斯含量, 见图3。由图可以看出, 煤层瓦斯含量与埋藏深度成抛物线关系变化, 随着埋藏深度的加大, 瓦斯含量也增大, 但两者不是简单的线性关系, 当埋深相对较浅时, 随着深度的增加, 瓦斯含量增加较快, 进入深部后, 瓦斯含量增加相对较慢。不同煤层标高处瓦斯压力和含量推算值见表1

。

指标均处于具有煤与瓦斯突出危险性的范围。

3. 6 瓦斯浓度

沿倾向从浅到深共测得了6个点的气体成份, 其中CH 4浓度随深度的变化见图4。随着埋深的增加, 气体内CH 4浓度也相应增加。埋深在430~480m 段内CH 4浓度变化很大, 由30%增加到90%多, 当埋深大于480m 时, 气体中绝大多数都为C H 4。气体中CH 4浓度变化是确定瓦斯风化带下限图3 煤层瓦斯含量随埋深的变化关系表1 不同标高处对应的煤层瓦斯压力和瓦斯含量

序号煤层标高

瓦斯含量

/m埋深/m瓦斯压力/MPa /(m3#t -1) 1-4004200. 030. 442-4104300. 222. 683-4354550. 706. 074-4604801. 178. 115-4805001. 559. 316-5105302. 1210. 747-5505702. 8812. 298-6006203. 8313. 929

-650

670

4. 78

15. 38

3. 4 煤层透气性系数测定结果及分析

对5#、6#和8#

钻孔进行瓦斯流量测定, 带入透气性系数计算公式便可得到煤层透气性系数K 值, 以8#钻孔测定的最大, 为0. 0245m 2/(MPa2#d), 6#钻

孔最小, 为0. 0111m 2/(MPa2

#d), 平均透气性系数为0. 018m 2

/(MPa2

#d), 远小于难以抽采煤层的

临界指标0. 1m 2/(MPa2

#d), 因此, 72煤层为难抽放煤层, 不利于瓦斯的抽采, 在瓦斯抽采过程中需采取相应的煤层增透措施。

3. 5 瓦斯放散初速度及硬度分析

对4个煤样进行了瓦斯放散初速度和硬度的测定, 结果见表2。

表2 瓦斯放散初速度值

序号取样点煤层标高/m

$P /Paf 1721机巷全断面-38015. 370. 2582721机巷软分层-38018. 780. 1953运输上山Y45-44012. 840. 3124

南轨大巷

-519

15. 40

0. 243

4个煤样中瓦斯放散初速度$P 最大值为18. 78Pa , 最小值为12. 84Pa , 平均值为15. 6Pa , 大于临界指标10Pa , 硬度值f 最大为0. 312, 最小值为0. 195, 平均值为0. 252, 小于临界指标0. 5, 两突出10

的重要依据之一。

图4 煤层气体中C H 4浓度变化曲线

3. 7 区域划分

结合该矿的实际情况, 并根据各预测指标值和

在施工中的动力现象, 将72煤层从浅部到深部划分为四个区域:瓦斯风化带、无突出危险区、突出威胁区和突出危险区。

在煤层标高-410m 处, 煤层气体中C H 4的浓度达到59%, 煤层压力为0. 22MPa , 瓦斯含量为

2. 68m 3

/,t 接近规定的划分指标, 因此将-410m 作为瓦斯风化带的下限, 即-410m 以上为瓦斯风化带。

在煤层标高-435m, 煤层压力达到0. 70MPa , 含量达到6. 07m 3

/,t 压力值小于突出临界指标0. 74MPa , 因此将-435m 作为无突出危险区域的下限, 即-410~-435m 为无突出危险区域。

随着埋深的加大, 瓦斯压力和瓦斯含量逐渐增加, 在标高-460m 打钻出现喷孔现象, 在标高-435~-460m 之间没有发生动力现象, 因此将此区域化为突出威胁区域, 即-435~-460m 为突出威胁区域。

突出威胁区域以下就为突出危险区域, 在标高-460m 打钻出现喷孔现象, 在-480m 发生煤突出, 在-510m 发生岩石突出。为了安全起见, 将突出危险区标高向上推20m, 即将标高-460m 划分为瓦斯突出危险区的上限, 即-460m 以下为突出危险区域。

4 结 论

1) 介绍了煤层瓦斯压力、瓦斯含量、透气性系

数等指标的物理意义及测定方法, 在此基础上, 通过现场考察、分析, 获得了祁南煤矿

(下转第16页)

重, 断丝造成工作面顶板漏矸。

解决方法:及时对漏矸处进行处理, 先用笆片将漏顶处接实, 再用100mm @100mm 规格钢筋网进行护顶, 用单体配合工字钢梁进行支护。

4) 支架在Ò466风巷运行过程中在局部地段出现刮顶现象。

原因分析:Ò466风巷局部高度较矮, 个别支架平衡千斤顶损坏, 造成支架顶梁低头, 掩梁上翘, 出现刮顶现象。

解决方法:对平衡千斤顶有损坏的支架及时进行更换千斤顶, 平衡千斤顶调平后仍无法正常通过时要进行卧道, 确保支架运行路线的高度。5) Ò466风巷上帮鼓帮严重, 影响支架的正常通过。

原因分析:Ò466风巷为沿空掘巷(沿Ò464机巷掘进) 所留煤柱宽度较窄, Ò464工作面回采完毕后压力未完全稳定, 出现鼓帮现象。

解决办法:沿风巷上帮打贴帮柱, 并循环注液。对鼓帮特别严重、打贴帮柱后鼓帮仍然严重地段支架车无法通过时, 需要对轨道进行调整(向煤壁侧拨道) 。

6) Ò464工作面回收最后四架时, 顶板来压明显, 威胁回柱安全。

原因分析:工作面从上而下抽架造成下部压力集中。

解决方法:为确保回柱安全, 采用打木垛的方法支撑顶板, 从第四架开始, 每抽出一架在相应支架前

方抽架通道内打一木垛控制顶板。

7) 支架专用车辆限位块销钉变形严重, 威胁Ò466切眼松架安全。

原因分析:Ò466切眼上部倾角较大, 松架时车辆限位块受到较大的剪切力, 导致销钉变形。解决方法:支架装车时上紧限位块销钉螺丝, 避免支架在运行过程中冲撞限位块总成销钉变形, 装车时要对销钉进行检查, 对销钉变形或有外表损伤时及时进行更换。

6 结 论

综采工作面成功实施支架整架转运安装在该矿尚属首例, 该项施工工艺减少了支架在拆除解体装车与组装的工序, 减少了设备零部件的损坏, 降低了材料投入, 提高了支架安装速度, 为企业的安全生产带来了巨大的经济效益和社会效益。参考文献:

[1] 赵开虎. 大采高工作面滑道整体转架成功实践[J].煤

炭技术, 2009, 28(3).

[2] 张红云. 综采工作面液压支架整组倒安装工艺的实践

应用[J]. 水力采煤与管道运输, 2007(4).

[3] 马广志. 综采高支架整体倒牵、搬运、安装的实践[J].

煤炭技术, 2007, 26(6).

[责任编辑:魏晋英]

(上接第10页) 72煤层的瓦斯赋存规律。

2) 72煤层瓦斯压力梯度为0. 0194MPa /m, 开采水平最深处(-550m 标高) 煤层瓦斯压力为

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2. 88MPa , 煤层瓦斯含量为12. 29m /, t 平均透气性系数为0. 018m /(MPa#d), 属于难抽采煤层, 瓦斯放散初速度$P 平均值为15. 6Pa , 硬度值f 平均值为0. 252, 从揭露的巷道来看, 煤层破坏类型为Ó类, 在地质构造上达到Ô、Õ类, 因此72煤层具体突出危险性。

3) 72煤层突出区域划分结果为:瓦斯风化带:露头(-300~-320) ~-410m; 无突出危险区:-410~-435m; 突出威胁区:-435~-460m; 突出危险区:-460m 以下。

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参考文献:

[1] 俞启香. 矿井瓦斯防治[M].北京:中国矿业大学出版

社, 1992:167-177.

[2] 周世宁, 林柏泉. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北

京:煤炭工业出版社, 1996.

[3] 中华人民共和国煤炭工业部. 防治煤与瓦斯突出细则

[M ].北京:煤炭工业出版社, 1995.

[4] 田靖安, 王 亮, 程远平, 等. 煤层瓦斯压力分布规律

及预测方法[J].采矿与安全工程学报, 2008, 25(4):481-485.

[责任编辑:魏晋英]

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