煤礦瓦斯賦存狀態(tài)分析

煤礦瓦斯賦存狀態(tài)分析

煤層磚瓦是與煤層伴隨的氣地質(zhì)體。這是生成磚瓦和風(fēng)險(xiǎn)資本的主要原因。由于篇幅有限,本文只討論瓦斯壓力、瓦斯含量、殘余瓦斯含量、鉆孔瓦斯涌出量、透氣性系數(shù)與賦存深度的關(guān)系,分析瓦斯涌出來源,并提出防治技術(shù)措施。1煤層巖性結(jié)構(gòu)某礦三水平5煤層位于下石盒子組中段,以1/3焦煤為主,揮發(fā)份值為32.91%～35.97%,平均34.29%,溶重1.45t/m3。上距4煤層13.7m,煤層底板為巖層,含化石碎塊,中上部有0.2m含大量沙粒,平均厚度20.66m。煤層頂板為13.7m厚的中細(xì)粒砂巖。頂、底板的巖層透氣性較大、地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育,瓦斯放散速度特別快。2礦井瓦斯產(chǎn)出量預(yù)測模型影響瓦斯涌出量的主要因素有:自然因素和開采技術(shù)因素。自然因素主要包括三方面,即煤層和圍巖的瓦斯含量、開采深度和地面大氣壓力的變化;開采技術(shù)因素主要包括開采順序與回采方法、回采速度與產(chǎn)量、落煤工藝與老頂來壓步距、通風(fēng)壓力與采空區(qū)密閉質(zhì)量和采場的通風(fēng)系統(tǒng)等。目前,礦井瓦斯涌出量的表達(dá)方法有兩種,絕對(duì)瓦斯涌出量和相對(duì)瓦斯涌出量,前者是指單位時(shí)間從煤與巖石內(nèi)涌出的瓦斯量,單位為m3/min或m3/d;后者是指平均日產(chǎn)1t煤同期所涌出的瓦斯量,單位是m3/t。采掘工作面瓦斯涌出量預(yù)測方法,可采用統(tǒng)計(jì)分析法和分源計(jì)算法。統(tǒng)計(jì)分析法是統(tǒng)計(jì)過去已采或已掘工作面瓦斯涌出規(guī)律,預(yù)測該工作面前方未采區(qū)或煤層賦存條件基本相同的相鄰工作面瓦斯涌出情況,然而,由于地質(zhì)構(gòu)造的影響,往往預(yù)測工作面與統(tǒng)計(jì)工作面的賦存狀況差異很大,故無法使用統(tǒng)計(jì)預(yù)測法;分源計(jì)算法是以煤層瓦斯含量和開采技術(shù)條件為基礎(chǔ),根據(jù)主要瓦斯涌出源:回采(包括圍巖和鄰近層)、掘進(jìn)及采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律,對(duì)回采工作面、掘進(jìn)工作面瓦斯涌出進(jìn)行計(jì)算,以預(yù)測采區(qū)、礦井瓦斯涌出量。下面分別采用統(tǒng)計(jì)分析法和分源計(jì)算法,對(duì)5煤層采掘工作面瓦斯涌出情況進(jìn)行預(yù)測。2.1采深對(duì)煤層瓦斯治理的影響根據(jù)三水平5煤層采掘?qū)嶋H狀況,擬選擇5煤層21210機(jī)巷和31060機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)的通風(fēng)、瓦斯日?qǐng)?bào)和日進(jìn)尺進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如表1和2所示。基于所測定的5煤層瓦斯基本參數(shù)(測定過程略),煤層瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出量和煤層透氣性系數(shù)隨采深變化規(guī)律如表3所示,煤層瓦斯含量和殘余瓦斯含量隨采深變化規(guī)律如表4所示。從中可以看出:5煤層的瓦斯壓力值隨采深的增加,有增加的趨勢(shì),5煤層瓦斯壓力隨采深變化梯度為0.072～0.131MPa/100m。鉆孔瓦斯涌出量和煤層透氣性系數(shù)隨著采深的增加,則表現(xiàn)為逐漸降低,其降低梯度為(1.36～2.46)ml/s/100m和(1.86～4.61)×10-2m2/MPa2·d/100m。從中可以看出:5煤層的瓦斯含量和殘余瓦斯含量值隨采深的增加而增加,增加梯度分別為0.73～1.98m3/t/100m和0.11～0.15m3/t/100m,但不同區(qū)域有所差別。2.2計(jì)算源分離的方法(1)煤的瓦斯產(chǎn)出量的計(jì)算回采工作面瓦斯涌出量是由開采層(含圍巖)和鄰近層瓦斯涌出兩部分組成。5煤層開采時(shí),所能影響到的鄰近層煤層厚度分別為1.2m、0.8m,間距分別為4.5m和6.70m。開采過程中,鄰近層受采動(dòng)影響卸壓而向工作面涌出瓦斯,故回采工作面瓦斯涌出量為:q回=q1+q2=k1?k2?k3?m0m1(w0?wc)+∑i=1nmim1ki?(w0i?wci)(1)q回=q1+q2=k1?k2?k3?m0m1(w0-wc)+∑i=1nmim1ki?(w0i-wci)(1)式中,q1——開采煤層(包括圍巖)相對(duì)瓦斯涌出量,m3/t;k1——圍巖瓦斯涌出系數(shù),取1.1;k2——工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù),取回采率的倒數(shù);k3——工作面預(yù)排瓦斯影響系數(shù);m0——煤層厚度,m;m1——煤層開采厚度,m;w0——煤層原始瓦斯含量,m3/t;wc——煤的殘存瓦斯含量,m3/t;q2——鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量,m3/t;mi——第i個(gè)鄰近層厚度,m;ki——第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率,兩個(gè)上鄰近層分別取0.95、0.90;w0i——第i個(gè)鄰近層原始瓦斯含量,m3/t,近似取5煤層原始瓦斯含量;wci——第i個(gè)鄰近層煤的殘存瓦斯含量,m3/t,取1.26m3/t。5煤層正在開采的是22160工作面,該工作面長度149m,煤層厚度2.56m,開采高度2.50m,回采率為0.9,日產(chǎn)量2000t,巷道預(yù)排等值寬度取18m,開采方式為長壁后退式回采,煤的原始瓦斯含量為3.25m3/t,煤的殘存瓦斯含量取1.26m3/t,經(jīng)計(jì)算,該回采工作面瓦斯涌出量為:q1=2.86m3/t,q2=1.48m3/t,q回=4.34m3/t(2)鉆削面的瓷磚噴泉數(shù)量掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量由煤壁瓦斯涌出Q1和落煤瓦斯涌出Q2組成。煤壁瓦斯擠出量的測定Q1=n?m?V?Q0?(2(L/V)1/2?1)(2)Q1=n?m?V?Q0?(2(L/V)1/2-1)(2)式中,Q1——煤壁瓦斯涌出量,m3/min;n——暴露煤壁面?zhèn)€數(shù);m——掘進(jìn)地點(diǎn)煤層厚度,m;V——平均掘進(jìn)速度,m/min;Q0——煤壁瓦斯涌出初速度,Q0=0.026[0.0004V2dafdaf2+0.16]w0,m3/m2.min;Vdaf——煤的揮發(fā)份含量,%;L——巷道長度,m。巷道圍巖瓦斯實(shí)際產(chǎn)出量預(yù)測Q2=s?V?r?(w0?wc)(3)Q2=s?V?r?(w0-wc)(3)式中,Q2——落煤瓦斯涌出量,m3/min;s——掘進(jìn)巷道見煤斷面積,m2;r——煤的容重,t/m3;其余符號(hào)意義同前。以22160風(fēng)巷掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測為例,該巷道通風(fēng)風(fēng)量為280m3/min,掘進(jìn)速度為0.84m/h,巷道斷面面積為8.15m2,煤層厚度為2.56m,巷道長度為800m,煤的揮發(fā)份為32.56%,經(jīng)計(jì)算,22160風(fēng)巷掘進(jìn)工作面平均瓦斯涌出量預(yù)測值為:Q=Q1+Q2=1.30+0.59=1.89m3/minQ=Q1+Q2=1.30+0.59=1.89m3/min22160風(fēng)巷掘進(jìn)工作面平均瓦斯涌出量實(shí)測值為:1.68m3/min,預(yù)測結(jié)果與工作面的實(shí)際統(tǒng)計(jì)值,較為吻合,其誤差為11.1%。表明該計(jì)算法可以應(yīng)用于5煤層瓦斯涌出量預(yù)測。3逆斷層、滲流斷層根據(jù)三水平5煤層賦存綜合柱狀圖可知,5煤層有2個(gè)上鄰近層,上鄰近層分別為4和3煤層,4煤層與5煤層間距為13.7m,3煤層與5煤層間距為30m,5煤層工作面開采過程中,此2層煤的瓦斯大部分均涌入工作面,直接影響工作面的安全生產(chǎn)。三水平及其以深,主要受北西-南東向搌布的郭莊背斜的傾伏端,竹園逆斷層、張家逆斷層的控制,構(gòu)造特征主要是擠壓剪切受力為主。郭莊背斜的傾伏端,煤層的傾角、傾向和走向都發(fā)生急劇的變化,這種變化會(huì)使煤層遭受強(qiáng)烈的擠壓和剪切破壞。竹園逆斷層和張家逆斷層連成為帶狀,控制了三水平及其以深的大半部分,僅井田深部邊界的西北端,構(gòu)造較簡單。此外,龍池?cái)鄬訉?duì)三水平及其以深的煤層賦存也有重要的影響,該斷層走向N53°E,傾向SE,傾角65°,落差28m,延展長度1000m左右,屬于張(扭)性斷層,從目前巷道掘進(jìn)過程來看,該斷層帶附近瓦斯較大,在2002年5月2日22160掘進(jìn)工作面掘進(jìn)過程中,曾出現(xiàn)瓦斯涌出異?，F(xiàn)象,涌出瓦斯450m3。開采過程中,本煤層瓦斯是工作面瓦斯涌出的主要來源,其主要是工作面煤壁和落煤瓦斯涌出;采空區(qū)瓦斯涌出亦是工作面瓦斯涌出的重要組成部分,其來源于工作面殘留煤炭和鄰近層瓦斯,但目前所占比例較小。4采空區(qū)瓦斯治理采掘工作面瓦斯防治技術(shù)措施,主要包括掘進(jìn)工作面和回采工作面瓦斯防治、采空區(qū)瓦斯防治措施和獨(dú)頭巷道瓦斯積聚的處理,但是,針對(duì)目前5煤層的瓦斯涌出情況,其瓦斯治理主要是掘進(jìn)工作和回采工作面。4.1瓦斯溢出異常的防治措施控制掘進(jìn)巷道瓦斯涌出,避免瓦斯?jié)舛瘸薜闹饕椒ㄓ?提前預(yù)抽瓦斯、邊掘邊抽瓦斯、井巷周壁隔絕封堵引排瓦斯、雙巷掘進(jìn)、縮短獨(dú)頭掘進(jìn)巷道長度、加大通風(fēng)、嚴(yán)格通風(fēng)管理、設(shè)專職瓦斯檢查員與瓦斯監(jiān)測、現(xiàn)在掘進(jìn)速度等。根據(jù)目前三水平5煤層各風(fēng)巷、機(jī)巷的瓦斯涌出情況和工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測指標(biāo)的測試,可以看出:三水平5煤層巷道瓦斯涌出量相對(duì)較小,掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量一般均在3m3/min以下,回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量一般均在5m3/min以下,尚不需采用抽、排等方式處理。因此,建議采用的瓦斯防治措施為:加強(qiáng)通風(fēng)和瓦斯檢查與監(jiān)測,嚴(yán)格通風(fēng)管理,確保掘進(jìn)過程中瓦斯?jié)舛炔怀?及時(shí)處理局部瓦斯積聚,尤其是高冒區(qū)瓦斯積聚;對(duì)于瓦斯涌出異常的掘進(jìn)工作面,可采取掘前向煤層打瓦斯排放孔或邊掘邊排的辦法排放瓦斯,降低掘進(jìn)期間瓦斯涌出量。三水平5煤層個(gè)別已經(jīng)揭露的工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測指標(biāo)時(shí)有超限,表明該煤層有潛在的突出危險(xiǎn)性,故在瓦斯涌出異常的掘進(jìn)工作面的采掘過程中,應(yīng)加強(qiáng)工作面突出危險(xiǎn)性的預(yù)測,確保防治措施的實(shí)施、效果檢驗(yàn)及安全防護(hù)。在實(shí)際預(yù)測中,為避免影響其它工序,提高采掘生產(chǎn)效率,可采用綜合分析的方法進(jìn)行工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測,或在鉆孔瓦斯涌出初速度qm、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2、鉆屑量S等預(yù)測方法中,選擇合適的預(yù)測指標(biāo),當(dāng)預(yù)測指標(biāo)不超限時(shí),方可正常掘進(jìn)。防治措施可采用打排放鉆孔法。效果檢驗(yàn)可采用鉆孔瓦斯涌出初速度法、R值法、鉆屑指標(biāo)法。檢驗(yàn)孔應(yīng)小于或等于措施孔,并應(yīng)布置在兩個(gè)措施孔之間。若測得的指標(biāo)在煤層突出危險(xiǎn)臨界值以下,認(rèn)為措施有效;反之,認(rèn)為措施無效,必須采取補(bǔ)充措施,如加大排放孔密度。在煤巷掘進(jìn)工作面,當(dāng)絕對(duì)瓦斯涌出量大于3m3/min,通風(fēng)方法無法解決時(shí),可采用局部抽放措施,即由巷道兩側(cè)向周圍煤體打鉆的邊掘邊抽的方法,抽放工作面周圍、前方煤體的瓦斯,以確保掘進(jìn)工作面的瓦斯?jié)舛炔怀蕖?.2工作面瓦斯治理采煤工作面瓦斯治理原則是:既要確保安全又要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),兩個(gè)目標(biāo)不能偏廢,但確保安全是基礎(chǔ)。分源治理、綜合配套、最佳組合是礦井瓦斯治理的基本思路。根據(jù)三水平5煤層瓦斯賦存狀況和工作面瓦斯涌出來源,結(jié)合已采掘的工作面瓦斯涌出規(guī)律分析,在三水平5煤層采煤工作面瓦斯治理中,可采取以下幾種防治措施:①加強(qiáng)通風(fēng)和瓦斯檢查與監(jiān)測,嚴(yán)格通風(fēng)管理,確?；夭蛇^程中瓦斯?jié)舛炔怀?及時(shí)處理局部瓦斯積聚。②隨著開采深度的延伸,瓦斯涌出量不斷增加,當(dāng)采用通風(fēng)的方法不能解決瓦斯超限時(shí),建議采用的瓦斯防治措施為:本煤層采前預(yù)排;工作面超前排放瓦斯;采空區(qū)瓦斯抽放;采落煤塊灑水快運(yùn)。③若工作面上隅角瓦斯超限,可采取如下措施:若瓦斯?jié)舛炔惶?3%左右),可采用加掛風(fēng)障法,引導(dǎo)風(fēng)流吹散上隅角瓦斯;自控抽出式局部通風(fēng)機(jī)抽排法;上隅角埋管抽放法;斜交鉆孔或高位鉆孔抽放法等。根據(jù)目前三水平5煤層瓦斯涌出情況,建議采用的方法:加強(qiáng)通風(fēng)和瓦斯檢查與監(jiān)測,嚴(yán)格通風(fēng)管理,確保回采過程中瓦斯?jié)舛炔怀?及時(shí)處理局部瓦斯積聚。5采深對(duì)煤層瓦斯壓力和殘余瓦斯含量的影響(1)采用統(tǒng)計(jì)分析和分源計(jì)算兩種方法,對(duì)5煤層采掘工作面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測,分析采掘工作面瓦斯涌出影響因素和涌出來源,得出煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)、煤層殘余瓦斯含量等參數(shù)隨采深增加而變化的規(guī)律:瓦斯壓力值隨采深的增加,有增加的趨勢(shì),煤層瓦斯壓力隨采深變化梯度為0.072～0.131MPa/100m;鉆孔瓦斯涌出量和煤層透氣性系數(shù)隨著采深的增加,則表現(xiàn)為逐漸降低,其降低梯度分別為(1.36～2.46)ml/s/100m和