新源煤矿2号煤层瓦斯参数测定及赋存规律研究_任奇祥.pdf

1002023 年第 2 期新源煤矿 2 号煤层瓦斯参数测定及赋存规律研究任奇祥 宋 勇 王 建（山西沁新煤业有限公司，山西 长治 046599）摘 要 为丰富山西沁新煤业有限公司新源煤矿 2 号煤层瓦斯基本数据体系，采用现场实测和实验室分析的方法，对新源煤矿 2 号煤层瓦斯压力、含量等一系列基础参数进行测定，总结得出 2 号煤层瓦斯赋存规律，为新源煤矿瓦斯防治提供了有力技术支撑。关键词 瓦斯参数；实验测定；瓦斯赋存规律；瓦斯防治中图分类号 TD712 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.036Study on Determination and Occurrence Law of Gas Parameters in No.2 Coal Seam of Xinyuan Coal MineRen Qixiang Song Yong Wang Jian(Shanxi Qinxin Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Changzhi 046599)Abstract:In order to enrich the basic data system of gas in No.2 coal seam of Xinyuan Coal Mine of Shanxi Qinxin Coal Industry,a series of basic parameters such as gas pressure and content in No.2 coal seam of Xinyuan Coal Mine are determined by means of field measurement and laboratory analysis.The law of gas occurrence in No.2 coal seam is summarized,which provides a strong technical support for gas prevention and control in Xinyuan Coal Mine.Key words:gas parameters;experimental determination;gas occurrence law;gas prevention and control收稿日期 2022-08-07作者简介 任奇祥（1979），男，山西长治人，2015 年毕业于中国矿业大学（北京）采矿工程专业，工程师，现从事煤矿一通三防及瓦斯灾害防治方面的管理和研究工作。任奇祥等：新源煤矿 2 号煤层瓦斯参数测定及赋存规律研究任奇祥等：新源煤矿 2 号煤层瓦斯参数测定及赋存规律研究瓦斯灾害一直是影响我国矿井安全的主要因素之一，严重制约了煤矿安全高效生产1。新源煤矿是高瓦斯矿井，现开采的 2 号煤层原始瓦斯数据较少，瓦斯治理缺乏足够依据。为进一步健全瓦斯基础数据体系，有效治理瓦斯，防范瓦斯事故，需对2号煤层瓦斯基础参数及赋存情况进行研究和掌握。1 矿井概况新源煤矿位于山西省沁源县西南部，距沁源县城约 17 km，隶属于山西沁新煤业有限公司，行政区划属沁河镇管辖。井田面积 18.998 8 km2，生产能力 1.20 Mt/a，目前矿井开采 2 号煤层，属高瓦斯矿井。2 号煤层位于山西组中部，平均煤厚 1.70 m，上距 1 号煤层平均 21.42 m，下距 3 号煤层平均 6.89 m。煤层自东北往西南逐渐增厚，开采标高+540+1020 m，最大埋深 860 m，煤层不含夹矸，结构简单。2 煤层瓦斯参数测定2 号煤层瓦斯基本参数测定总体思路为：（1）在井下施工钻孔，测定 2 号煤层的瓦斯压力、瓦斯含量、钻孔瓦斯涌出量等参数；（2）现场观测煤层破坏类型，并采取煤样送实验室测定煤的工业分析指标、瓦斯吸附常数、煤的放散初速度和煤的坚固性系数；（3）结合井下和实验室测定的数据计算百米钻孔瓦斯流量、衰减系数及煤层透气性系数。2.1 瓦斯压力测定根据井下煤层条件，结合煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法（AQ 1047-2007）要求，在2 号煤层已开拓区域内选择 7 个地点，同一个测点布置 2 个测压钻孔，采用注浆封孔、被动式测压方法共测定瓦斯压力数据 14 组2。各钻孔测定结果见表 1，各钻孔压力变化曲线如图 1。2.2 瓦斯含量测定煤层瓦斯含量采用 DGC（瓦斯含量直接测定装置）进行测定3，在测压钻孔施工深度超过 30 m1012023 年第 2 期任奇祥等：新源煤矿 2 号煤层瓦斯参数测定及赋存规律研究任奇祥等：新源煤矿 2 号煤层瓦斯参数测定及赋存规律研究时进行取样，取样及测定操作严格遵守煤层瓦斯含量井下直接测定方法（GB/T 23250-2009）要求。测量结果见表 2。表 1 2 号煤层瓦斯压力测定结果钻孔编号测点位置测压气室埋深/m表压/MPaP112212 风巷东段距离切眼 40 m 处727.70.64P212212 风巷东段距离切眼 20 m 处725.50.60P312213 机巷距离巷口 495 m 处606.10.55P412213 机巷距离巷口 515 m 处586.10.15P512212 风巷西段距离巷口 315 m 处766.10.30P612212 风巷西段距离巷口 308 m 处766.10.58P712213 风巷距离巷口 500 m 处621.10.50P812213 风巷距离巷口 510 m 处624.10.58P9一采区东回风巷采区变电室绕道拐角处557.30.34P10一采区东回风巷采区变电室绕道拐角处555.70.32P1111211 机巷距离巷口 878 m 处407.30.40P1211211 机巷距离巷口 879 m 处413.80.36P1311211 工作面二切眼距离机巷 60 m 处433.70.42P1411211 工作面二切眼距离机巷 60 m 处435.70.39图 1 各测点瓦斯压力变化曲线2.3 煤的破坏类型及实验室参数测定在井下 10 个不同地点采用刻槽法共取 2 号煤层煤样 10 份，送至实验室对煤的工业分析、瓦斯吸附常数、孔隙率、真（视）密度、瓦斯放散初速度、坚固性系数等参数进行测定。其中，煤层瓦斯放散初速度指标（P）采用 WFC-2 瓦斯放散初速度自动测定仪测定，煤层吸附瓦斯 a、b 常数采用 HCA高压容量法瓦斯吸附装置测定，煤层硬度系数（f）采用落锤法测定，煤层孔隙率（F）采用真、视相对密度测定计算法。实验室参数测定结果见表 3。现场对取样点附近多处区域巡查观察，裸手取煤揉搓、掰、握，对照煤矿瓦斯等级鉴定规范（GB 40880-2021）中附录 B 煤的破坏类型分类表，最终判定 2 号煤层煤的破坏类型为类。表 2 2 号煤层瓦斯含量表钻孔编号测点埋深/m瓦斯含量/（m3/t）P1727.79.74P2725.511.4P3606.110.86P4586.110.9P5766.110.03P6766.110.8P7621.19.75P8624.19.62P9557.38.16P10555.77.962.4 透气性系数、钻孔瓦斯流量及衰减系数测定在测压结束后卸下压力表，接上流量计测定钻孔的自然瓦斯流量及其随时间的变化情况。根据测定结果的最大瓦斯流量和钻孔见煤长度，计算百米钻孔瓦斯流量，根据瓦斯流量随时间的变化情况计算瓦斯流量衰减系数，透气性系数采用中国矿院法进行测定。瓦斯流量选取较稳定的 P1、P2、P9 号测压钻孔进行测定，计算得 2 号煤层的衰减系数及透气性系数，结果见表 4。综合来看，2 号煤层钻孔平均衰减系数为 0.052 d-1，平均透气系数为 0.181 4 m2/MPa2d。结合煤矿瓦斯抽放规范（AQ 1027-2006），2 号煤层属可以抽放煤层。1022023 年第 2 期表 3 2 号煤层煤的工业分析及瓦斯吸附试验测定表取样地点工业分析fP真密度/（t/m3）视密度/（t/m3）孔隙率/%吸附常数Mad/%Ad/%Vdaf/%a/（m3/t）b/（MPa-1）12211 风巷距离切眼 50 m 处0.718.0414.630.4314 1.371.332.9225.367 41.069 012211 机巷距离巷口 255 m 处0.755.2713.780.41121.351.312.9624.218 91.067 512213 切眼距机巷 40 m 处0.635.2214.780.4361.341.284.4820.299 41.070 012213 风巷距离巷口 380 m 处0.698.2414.890.40111.371.332.9225.451 61.096 312213 机巷距离巷口 500 m 处0.745.1814.310.36101.351.312.9623.940 11.156 312213 风巷距离巷口 740 m 处0.6610.8916.150.42101.371.332.9225.776 71.018 712212 风巷东段距离切眼 90 m 处0.817.8914.070.41161.371.332.9227.410 71.013 812212 风巷距离巷口 200 m 处0.766.4114.120.42101.371.332.9224.140 70.986 612212 风巷距离巷口 430 m 处0.716.9014.530.45151.371.332.9225.690 80.977 612212 切眼距机巷 10 m 处0.794.2613.430.42101.351.312.9624.977 80.993 9表 4 2 号煤层百米煤孔瓦斯流量、衰减和透气性系数钻孔编号百米钻孔流量/（m3/minhm）衰减系数/（d-1）透气性系数/（m2/MPa2d）P10.058 40.0470.182 5P20.054 40.0420.263 3P90.034 40.0680.098 33 瓦斯赋存规律研究根据井下实测 2 号煤层瓦斯压力和含量与埋深的关系，剔除数据异常点，分别得到瓦斯压力与埋深的关系和瓦斯含量与埋深的关系，如图 2。由图 2 可以看出，测定区域内各测压点实测瓦斯压力值和瓦斯含量值与 2 号煤层埋深均呈线性关系，随着埋深的增加，煤层瓦斯含量和压力均增大。拟合得到含量与埋深和压力与埋深关系式，相关系数 R2分别为 0.899 和 0.875，相关性较高，可用于2 号煤层瓦斯含量及压力预测。综合来看，测定范围内 2 号煤层最大瓦斯压力为 0.64 MPa，硬度系数最大为 0.45，瓦斯放散初速度最大为 16，煤的破坏类型为类。矿井进行采掘作业前应做好瓦斯抽采管理工作，尤其是在地质构造带或采动应力集中区进行采掘活动时，应采取加强措施，防止应力场变化而诱发的煤与瓦斯动力灾害。（a）瓦斯含量与埋深关系 （b）瓦斯压力与埋深关系图 2 瓦斯含量、压力与埋深关系4 结论新源煤矿 2 号煤层瓦斯参数测定共施工测压钻孔 14 个，测定瓦斯压力 7 组，测定瓦斯含量 5 组，实验室测定煤样 10 个。通过对测定数据的分析，可得出如下结论。（1）实测 2 号煤层在埋深 727.7 m 处的原始瓦斯压力最大值为 0.64 MPa，原始瓦斯含量最大值（下转第 108 页）1082023 年第 2 期便 F 1按滑动摩擦计算，F1=250 000 kg0.6=60 000 kg，防胶带下滑安全剩余拉力 F0=（F+F 1）-F=（7384+60 000）-25 871=41 513 kg。在此工况下至少有 41 513 kg 的剩余拉力，并未考虑到两副移动副夹的拉力，说明胶带不能下滑。3.3 放带卡3.3.1 夹带装置夹带力 F=Nf=250 000 kg0.9=90 000 kg，静摩擦系数 f=0.9。千斤顶最大承载力 N=250 000 kg=100 000 kg，胶带下滑力 F1=sinG=s