煤矿瓦斯赋存状态分析

煤矿瓦斯赋存状态分析

煤层砖瓦是与煤层伴随的气地质体。这是生成砖瓦和风险资本的主要原因。由于篇幅有限,本文只讨论瓦斯压力、瓦斯含量、残余瓦斯含量、钻孔瓦斯涌出量、透气性系数与赋存深度的关系,分析瓦斯涌出来源,并提出防治技术措施。1煤层岩性结构某矿三水平5煤层位于下石盒子组中段,以1/3焦煤为主,挥发份值为32.91%～35.97%,平均34.29%,溶重1.45t/m3。上距4煤层13.7m,煤层底板为岩层,含化石碎块,中上部有0.2m含大量沙粒,平均厚度20.66m。煤层顶板为13.7m厚的中细粒砂岩。顶、底板的岩层透气性较大、地质构造较发育,瓦斯放散速度特别快。2矿井瓦斯产出量预测模型影响瓦斯涌出量的主要因素有:自然因素和开采技术因素。自然因素主要包括三方面,即煤层和围岩的瓦斯含量、开采深度和地面大气压力的变化;开采技术因素主要包括开采顺序与回采方法、回采速度与产量、落煤工艺与老顶来压步距、通风压力与采空区密闭质量和采场的通风系统等。目前,矿井瓦斯涌出量的表达方法有两种,绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量,前者是指单位时间从煤与岩石内涌出的瓦斯量,单位为m3/min或m3/d;后者是指平均日产1t煤同期所涌出的瓦斯量,单位是m3/t。采掘工作面瓦斯涌出量预测方法,可采用统计分析法和分源计算法。统计分析法是统计过去已采或已掘工作面瓦斯涌出规律,预测该工作面前方未采区或煤层赋存条件基本相同的相邻工作面瓦斯涌出情况,然而,由于地质构造的影响,往往预测工作面与统计工作面的赋存状况差异很大,故无法使用统计预测法;分源计算法是以煤层瓦斯含量和开采技术条件为基础,根据主要瓦斯涌出源:回采(包括围岩和邻近层)、掘进及采空区瓦斯涌出规律,对回采工作面、掘进工作面瓦斯涌出进行计算,以预测采区、矿井瓦斯涌出量。下面分别采用统计分析法和分源计算法,对5煤层采掘工作面瓦斯涌出情况进行预测。2.1采深对煤层瓦斯治理的影响根据三水平5煤层采掘实际状况,拟选择5煤层21210机巷和31060机巷掘进时的通风、瓦斯日报和日进尺进行统计分析,如表1和2所示。基于所测定的5煤层瓦斯基本参数(测定过程略),煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯涌出量和煤层透气性系数随采深变化规律如表3所示,煤层瓦斯含量和残余瓦斯含量随采深变化规律如表4所示。从中可以看出:5煤层的瓦斯压力值随采深的增加,有增加的趋势,5煤层瓦斯压力随采深变化梯度为0.072～0.131MPa/100m。钻孔瓦斯涌出量和煤层透气性系数随着采深的增加,则表现为逐渐降低,其降低梯度为(1.36～2.46)ml/s/100m和(1.86～4.61)×10-2m2/MPa2·d/100m。从中可以看出:5煤层的瓦斯含量和残余瓦斯含量值随采深的增加而增加,增加梯度分别为0.73～1.98m3/t/100m和0.11～0.15m3/t/100m,但不同区域有所差别。2.2计算源分离的方法(1)煤的瓦斯产出量的计算回采工作面瓦斯涌出量是由开采层(含围岩)和邻近层瓦斯涌出两部分组成。5煤层开采时,所能影响到的邻近层煤层厚度分别为1.2m、0.8m,间距分别为4.5m和6.70m。开采过程中,邻近层受采动影响卸压而向工作面涌出瓦斯,故回采工作面瓦斯涌出量为: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——开采煤层(包括围岩)相对瓦斯涌出量,m3/t;k1——围岩瓦斯涌出系数,取1.1;k2——工作面丢煤瓦斯涌出系数,取回采率的倒数;k3——工作面预排瓦斯影响系数;m0——煤层厚度,m;m1——煤层开采厚度,m;w0——煤层原始瓦斯含量,m3/t;wc——煤的残存瓦斯含量,m3/t;q2——邻近层相对瓦斯涌出量,m3/t;mi——第i个邻近层厚度,m;ki——第i个邻近层瓦斯排放率,两个上邻近层分别取0.95、0.90;w0i——第i个邻近层原始瓦斯含量,m3/t,近似取5煤层原始瓦斯含量;wci——第i个邻近层煤的残存瓦斯含量,m3/t,取1.26m3/t。5煤层正在开采的是22160工作面,该工作面长度149m,煤层厚度2.56m,开采高度2.50m,回采率为0.9,日产量2000t,巷道预排等值宽度取18m,开采方式为长壁后退式回采,煤的原始瓦斯含量为3.25m3/t,煤的残存瓦斯含量取1.26m3/t,经计算,该回采工作面瓦斯涌出量为:q1=2.86m3/t,q2=1.48m3/t,q回=4.34m3/t(2)钻削面的瓷砖喷泉数量掘进工作面瓦斯涌出量由煤壁瓦斯涌出Q1和落煤瓦斯涌出Q2组成。煤壁瓦斯挤出量的测定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——暴露煤壁面个数;m——掘进地点煤层厚度,m;V——平均掘进速度,m/min;Q0——煤壁瓦斯涌出初速度,Q0=0.026[0.0004V2dafdaf2+0.16]w0,m3/m2.min;Vdaf——煤的挥发份含量,%;L——巷道长度,m。巷道围岩瓦斯实际产出量预测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——掘进巷道见煤断面积,m2;r——煤的容重,t/m3;其余符号意义同前。以22160风巷掘进工作面瓦斯涌出量预测为例,该巷道通风风量为280m3/min,掘进速度为0.84m/h,巷道断面面积为8.15m2,煤层厚度为2.56m,巷道长度为800m,煤的挥发份为32.56%,经计算,22160风巷掘进工作面平均瓦斯涌出量预测值为:Q=Q1+Q2=1.30+0.59=1.89m3/minQ=Q1+Q2=1.30+0.59=1.89m3/min22160风巷掘进工作面平均瓦斯涌出量实测值为:1.68m3/min,预测结果与工作面的实际统计值,较为吻合,其误差为11.1%。表明该计算法可以应用于5煤层瓦斯涌出量预测。3逆断层、渗流断层根据三水平5煤层赋存综合柱状图可知,5煤层有2个上邻近层,上邻近层分别为4和3煤层,4煤层与5煤层间距为13.7m,3煤层与5煤层间距为30m,5煤层工作面开采过程中,此2层煤的瓦斯大部分均涌入工作面,直接影响工作面的安全生产。三水平及其以深,主要受北西-南东向搌布的郭庄背斜的倾伏端,竹园逆断层、张家逆断层的控制,构造特征主要是挤压剪切受力为主。郭庄背斜的倾伏端,煤层的倾角、倾向和走向都发生急剧的变化,这种变化会使煤层遭受强烈的挤压和剪切破坏。竹园逆断层和张家逆断层连成为带状,控制了三水平及其以深的大半部分,仅井田深部边界的西北端,构造较简单。此外,龙池断层对三水平及其以深的煤层赋存也有重要的影响,该断层走向N53°E,倾向SE,倾角65°,落差28m,延展长度1000m左右,属于张(扭)性断层,从目前巷道掘进过程来看,该断层带附近瓦斯较大,在2002年5月2日22160掘进工作面掘进过程中,曾出现瓦斯涌出异常现象,涌出瓦斯450m3。开采过程中,本煤层瓦斯是工作面瓦斯涌出的主要来源,其主要是工作面煤壁和落煤瓦斯涌出;采空区瓦斯涌出亦是工作面瓦斯涌出的重要组成部分,其来源于工作面残留煤炭和邻近层瓦斯,但目前所占比例较小。4采空区瓦斯治理采掘工作面瓦斯防治技术措施,主要包括掘进工作面和回采工作面瓦斯防治、采空区瓦斯防治措施和独头巷道瓦斯积聚的处理,但是,针对目前5煤层的瓦斯涌出情况,其瓦斯治理主要是掘进工作和回采工作面。4.1瓦斯溢出异常的防治措施控制掘进巷道瓦斯涌出,避免瓦斯浓度超限的主要方法有:提前预抽瓦斯、边掘边抽瓦斯、井巷周壁隔绝封堵引排瓦斯、双巷掘进、缩短独头掘进巷道长度、加大通风、严格通风管理、设专职瓦斯检查员与瓦斯监测、现在掘进速度等。根据目前三水平5煤层各风巷、机巷的瓦斯涌出情况和工作面突出危险性预测指标的测试,可以看出:三水平5煤层巷道瓦斯涌出量相对较小,掘进工作面绝对瓦斯涌出量一般均在3m3/min以下,回采工作面绝对瓦斯涌出量一般均在5m3/min以下,尚不需采用抽、排等方式处理。因此,建议采用的瓦斯防治措施为:加强通风和瓦斯检查与监测,严格通风管理,确保掘进过程中瓦斯浓度不超限,及时处理局部瓦斯积聚,尤其是高冒区瓦斯积聚;对于瓦斯涌出异常的掘进工作面,可采取掘前向煤层打瓦斯排放孔或边掘边排的办法排放瓦斯,降低掘进期间瓦斯涌出量。三水平5煤层个别已经揭露的工作面突出危险性预测指标时有超限,表明该煤层有潜在的突出危险性,故在瓦斯涌出异常的掘进工作面的采掘过程中,应加强工作面突出危险性的预测,确保防治措施的实施、效果检验及安全防护。在实际预测中,为避免影响其它工序,提高采掘生产效率,可采用综合分析的方法进行工作面突出危险性预测,或在钻孔瓦斯涌出初速度qm、钻屑瓦斯解吸指标△h2、钻屑量S等预测方法中,选择合适的预测指标,当预测指标不超限时,方可正常掘进。防治措施可采用打排放钻孔法。效果检验可采用钻孔瓦斯涌出初速度法、R值法、钻屑指标法。检验孔应小于或等于措施孔,并应布置在两个措施孔之间。若测得的指标在煤层突出危险临界值以下,认为措施有效;反之,认为措施无效,必须采取补充措施,如加大排放孔密度。在煤巷掘进工作面,当绝对瓦斯涌出量大于3m3/min,通风方法无法解决时,可采用局部抽放措施,即由巷道两侧向周围煤体打钻的边掘边抽的方法,抽放工作面周围、前方煤体的瓦斯,以确保掘进工作面的瓦斯浓度不超限。4.2工作面瓦斯治理采煤工作面瓦斯治理原则是:既要确保安全又要实现高产稳产,两个目标不能偏废,但确保安全是基础。分源治理、综合配套、最佳组合是矿井瓦斯治理的基本思路。根据三水平5煤层瓦斯赋存状况和工作面瓦斯涌出来源,结合已采掘的工作面瓦斯涌出规律分析,在三水平5煤层采煤工作面瓦斯治理中,可采取以下几种防治措施:①加强通风和瓦斯检查与监测,严格通风管理,确保回采过程中瓦斯浓度不超限,及时处理局部瓦斯积聚。②随着开采深度的延伸,瓦斯涌出量不断增加,当采用通风的方法不能解决瓦斯超限时,建议采用的瓦斯防治措施为:本煤层采前预排;工作面超前排放瓦斯;采空区瓦斯抽放;采落煤块洒水快运。③若工作面上隅角瓦斯超限,可采取如下措施:若瓦斯浓度不太高(3%左右),可采用加挂风障法,引导风流吹散上隅角瓦斯;自控抽出式局部通风机抽排法;上隅角埋管抽放法;斜交钻孔或高位钻孔抽放法等。根据目前三水平5煤层瓦斯涌出情况,建议采用的方法:加强通风和瓦斯检查与监测,严格通风管理,确保回采过程中瓦斯浓度不超限,及时处理局部瓦斯积聚。5采深对煤层瓦斯压力和残余瓦斯含量的影响(1)采用统计分析和分源计算两种方法,对5煤层采掘工作面瓦斯涌出量进行预测,分析采掘工作面瓦斯涌出影响因素和涌出来源,得出煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、煤层透气性系数、煤层残余瓦斯含量等参数随采深增加而变化的规律:瓦斯压力值随采深的增加,有增加的趋势,煤层瓦斯压力随采深变化梯度为0.072～0.131MPa/100m;钻孔瓦斯涌出量和煤层透气性系数随着采深的增加,则表现为逐渐降低,其降低梯度分别为(1.36～2.46)ml/s/100m和