煤峪口礦煤與瓦斯區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

  譚志喜

（山西大同同煤集團(tuán)煤峪口礦地質(zhì)科  037041）

摘要   煤與瓦斯突出是煤礦井下采掘過(guò)程中煤和瓦斯突然涌出并產(chǎn)生巨大動(dòng)力效應(yīng)的煤巖動(dòng)力災(zāi)害，為有效進(jìn)行區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，文章根據(jù)煤峪口礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，對(duì)影響煤與瓦斯突出的因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究,，以增加防突工作的針對(duì)性，保障礦井安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞   煤與瓦斯   突出   預(yù)測(cè)   危險(xiǎn)性

引言

煤峪口礦地處大同市西南65°，直線距離14公里。1985年以來(lái)，礦井產(chǎn)量一直穩(wěn)定在200萬(wàn)噸/年以上；成為一座大型現(xiàn)代化礦井。隨著開(kāi)采深度的加大，煤與瓦斯突出現(xiàn)象伴之而來(lái)。根據(jù)2008～2010年3年來(lái)的礦井瓦斯涌出，全礦井CH₄相對(duì)涌出量為2.27～3.59m³/t，屬高瓦斯礦井。

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，影響因素很多。國(guó)內(nèi)外大量的觀測(cè)研究表明，所有煤與瓦斯突出都發(fā)生在構(gòu)造煤分層，并且在突出過(guò)程中伴隨數(shù)倍于煤層的原始瓦斯含量的瓦斯噴出，說(shuō)明構(gòu)造煤與高能瓦斯及煤與瓦斯突出的關(guān)系密切。構(gòu)造煤是發(fā)生煤與瓦斯突出的物質(zhì)基礎(chǔ)，高能瓦斯是發(fā)生煤與瓦斯突出的主要能源，一定厚度的構(gòu)造煤和高能瓦斯賦存是煤與瓦斯突出兩個(gè)必要條件。地質(zhì)構(gòu)造控制著煤層瓦斯的賦存和構(gòu)造煤分層破壞程度以及厚度分布，控制著煤與瓦斯突出，含高能瓦斯的一定厚度的構(gòu)造煤為瓦斯突出煤體，高能瓦斯與一定厚度的構(gòu)造煤的疊加區(qū)域即為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)（圖1）。

 

圖1 以構(gòu)造煤為核心的煤與瓦斯突出機(jī)理

1煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性參數(shù)測(cè)定

為了預(yù)測(cè)煤峪口煤礦與瓦斯突出危險(xiǎn)性，我們?nèi)〉昧嗣河诿旱V11-12和14^-2號(hào)煤層的一系列瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)。主要有煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、煤的堅(jiān)固性系數(shù)、煤的瓦斯放散初速度、煤的孔隙率、瓦斯吸附常數(shù)、煤體的密度以及煤質(zhì)的工業(yè)分析。下面就本項(xiàng)目期間礦井所取得的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)做一介紹。

1.1煤層瓦斯含量

煤層瓦斯含量是指單位體積或重量的煤體中所含有的瓦斯量（換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），常用m³/t或ml/g作為計(jì)量單位。煤層瓦斯含量是判斷煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的重要參數(shù)之一。本次測(cè)定采用直接法測(cè)定，即利用煤層鉆孔采集煤體煤芯，用解吸法直接測(cè)定煤層瓦斯解吸量。該方法測(cè)定煤層瓦斯含量的原理是：根據(jù)煤樣瓦斯解吸量、解吸規(guī)律推算煤樣從采集開(kāi)始至裝罐解吸測(cè)定前的損失瓦斯量，再利用解吸后測(cè)定煤樣中殘存瓦斯量計(jì)算煤層瓦斯含量。其測(cè)定步驟如下：

(1) 在新暴露的采掘工作面煤壁上，用煤電鉆垂直煤壁打一個(gè)Ф42mm、孔深12m以上的鉆孔，當(dāng)鉆孔鉆至12m時(shí)開(kāi)始取樣，并記錄采樣開(kāi)始時(shí)間t₁；

(2) 將采集的新鮮煤樣裝罐并記錄煤樣裝罐后開(kāi)始解吸測(cè)定的時(shí)間t₂，用FHJ-2型瓦斯解吸速度測(cè)定儀（圖2）測(cè)定不同時(shí)間t下的煤樣累積瓦斯解吸總量V_i ，瓦斯解吸速度測(cè)定一般為2個(gè)小時(shí)，解吸測(cè)定停止后擰緊煤樣罐以保證不漏氣，送實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤樣殘存瓦斯量。

 

 

 

 

 

 

 

 

1-量管   2-水槽   3-螺旋夾   4-吸氣球   5—溫度計(jì)  6、8—彈簧夾

7—排水管  9—排氣管  10—穿刺針頭  11—密封罐

圖2  瓦斯解吸速度測(cè)定儀與密封罐示意圖

(3) 損失量計(jì)算

將不同解吸時(shí)間下測(cè)得數(shù)據(jù)按下式換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積V_oi：

                                                                                                                                       

 

式中： V_0i—換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的解吸瓦斯體積，ml；

V_i—不同時(shí)間解吸瓦斯測(cè)定值，ml；

P_o—大氣壓力，Pa；

h_w—量管內(nèi)水柱高度，mm；

P_s—恒溫下飽和水蒸汽壓力，Pa；

t_wo—量管內(nèi)水溫，℃。

煤樣解吸測(cè)定前的暴露時(shí)間為t₀，t₀=t₂-t₁；不同時(shí)間t下測(cè)定的V_oi值所對(duì)應(yīng)的煤樣實(shí)際解吸時(shí)間為t₀+t；用繪圖軟件繪制全部測(cè)點(diǎn)[(t₀+t)^0.5，V_oi]，將測(cè)點(diǎn)的直線關(guān)系段延長(zhǎng)與縱坐標(biāo)軸相交，直線在縱坐標(biāo)軸上的截距即為瓦斯損失量。

(4) 將解吸測(cè)定后的煤樣連同煤樣罐送實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其殘存瓦斯量、水分、灰分等；

(5) 根據(jù)煤樣損失瓦斯量、解吸瓦斯量及殘存瓦斯量和煤中可燃質(zhì)重量，即可求出煤樣的瓦斯含量：

式中：  Vo—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤樣瓦斯解吸量，ml；

V₁—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤樣損失瓦斯量，ml；

V₂—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤樣殘存瓦斯量，ml；

G₀—煤樣可燃質(zhì)重量，g；

W—煤樣可燃瓦斯含量，ml/g·r。

原煤中的瓦斯含量可按下式計(jì)算：  

  

W₀－原煤的瓦斯含量，ml/g； 

A_ad－煤中的灰分,%；

M_ad－煤中的水分,%。

利用上述方法在煤峪口煤礦51014和21014工作面，以及2705、5816、5814、5707、2705和2814掘進(jìn)巷進(jìn)行了瓦斯含量實(shí)測(cè)工作。通過(guò)井下打鉆、取樣以及瓦斯解吸，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤樣殘存瓦斯量、水分、灰分、揮發(fā)分、煤樣重量、可燃質(zhì)質(zhì)量及瓦斯成分，最后計(jì)算整理，將所得煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果列入表1。

表1 煤峪口煤礦11-12號(hào)煤層瓦斯含量實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表

測(cè)定地點(diǎn)	標(biāo)高（m）	瓦斯含量（m3/t?r）	評(píng)價(jià)結(jié)果
51014掘進(jìn)工作面	983.16	2.42	可靠
21014掘進(jìn)工作面	980.41	2.89	可靠

表2 煤峪口煤礦14^-2號(hào)煤層瓦斯含量實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表

測(cè)定地點(diǎn)	標(biāo)高（m）	瓦斯含量（m3/t?r）	評(píng)價(jià)結(jié)果
5814掘進(jìn)工作面	955.627	3.11	可靠
5816掘進(jìn)工作面	951.959	3.26	可靠
2705掘進(jìn)工作面	962.356	3.05	可靠
5705掘進(jìn)工作面	970.369	2.56	可靠
2705掘進(jìn)工作面	959.568	3.08	可靠
5705掘進(jìn)工作面	969.654	2.85	可靠

1.2 煤的堅(jiān)固性系數(shù)

煤的堅(jiān)固性用堅(jiān)固性系數(shù)的大小來(lái)表達(dá)。測(cè)定方法較多，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定一般采用落錘破碎測(cè)定法，簡(jiǎn)稱(chēng)落錘法。測(cè)定方法建立在脆性材料破碎遵循面積力能說(shuō)的基礎(chǔ)上。測(cè)定方法和步驟如下：

在現(xiàn)場(chǎng)采下煤樣，從中選取塊度為10~15mm的小煤塊分成5份，每份重40g。各放在測(cè)筒內(nèi)進(jìn)行落錘破碎試驗(yàn)，測(cè)筒包括落錘（2.4kg重），圓筒及搗臼組成。

測(cè)定時(shí)，將各份煤樣依次倒入圓筒內(nèi)，落錘自距臼底600mm高度自由下落，撞擊煤樣。每份試樣落錘1~5次，可由煤的堅(jiān)固程度決定。5份煤樣全部搗碎后，倒入0.5mm篩孔的篩子內(nèi)，小于0.5mm的曬下物倒入直徑23mm的量筒內(nèi)，測(cè)定粉末的高度h，試樣的堅(jiān)固性系數(shù)按下式求得

f_10~15 = 20 n / h

式中f_10~15——煤樣粒度10~15mm的堅(jiān)固系數(shù)測(cè)定值；

     n——落錘撞擊次數(shù)，次；

     h——量筒測(cè)定粉末的高度，mm。

項(xiàng)目開(kāi)展期間，測(cè)試人員從煤峪口礦14^-2煤層和11-12號(hào)煤層的21014工作面取得了新鮮煤樣，并在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了煤峪口煤礦14^-2號(hào)煤層的煤體堅(jiān)固性系數(shù)。

經(jīng)測(cè)定可知，煤峪口煤礦11-12號(hào)煤層煤體的堅(jiān)固性系數(shù)為0.77，14^-2號(hào)煤層煤體的堅(jiān)固性系數(shù)為0.25。

1.3 煤的瓦斯放散指數(shù)

（1）儀器設(shè)備及用具

Δp測(cè)定儀，真空泵，甲烷瓶（濃度大于95%），分樣篩（孔徑0.2、0.25mm各一個(gè)），天平（最大稱(chēng)量250g，感量0.5g），小錘，漏斗。

（2）采樣與制樣

①采樣

在煤層新暴漏面上采取煤樣250g，煤樣要附有標(biāo)簽，注明采樣地點(diǎn)、層位、采樣時(shí)間等。

②制樣

將所采煤樣進(jìn)行粉碎，篩分出粒度為0.2~0.25mm的煤樣。每一煤樣取2個(gè)試樣，每個(gè)試樣重3.5g。

（3）測(cè)定步驟

①把兩個(gè)試樣用漏斗分別裝入Δp測(cè)定儀的2個(gè)試樣瓶中；

②啟動(dòng)真空泵對(duì)試樣脫氣1.5h；

③脫氣1.5h后關(guān)閉真空泵，將甲烷瓶與試樣瓶連接，充氣（充氣壓力0.1MPa）使煤樣吸附瓦斯1.5h；

④關(guān)閉試樣瓶和甲烷瓶閥門(mén)，使試樣瓶與甲烷隔離；

⑤開(kāi)動(dòng)真空泵對(duì)儀器管道死空間進(jìn)行脫氣，使U型管汞真氣計(jì)兩端汞面相平；

⑥停止真空泵，關(guān)閉儀器死空間通往真空泵的閥門(mén)，打開(kāi)試樣瓶的閥門(mén)，使煤樣瓶與儀器被抽空的死空間相連并同時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，10s時(shí)關(guān)閉閥門(mén)，讀出汞柱計(jì)兩端汞柱差P₁（mm），45s時(shí)再打開(kāi)閥門(mén)，60s是關(guān)閉閥門(mén)，再一次讀出汞柱計(jì)兩端差P₂（mm）。

（4）瓦斯放散指數(shù)的計(jì)算

①瓦斯放散指數(shù)指標(biāo)按下式計(jì)算：

Δp= P₁- P₂

②同一煤樣的兩個(gè)試樣測(cè)出Δp值之差不應(yīng)大于1，否則需要重新進(jìn)行測(cè)定。

經(jīng)取樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，煤峪口煤礦14^-2號(hào)煤層和11-12號(hào)煤層21014工作面的煤體瓦斯放散初速度ΔP均為9。

1.4煤的孔隙率

煤中瓦斯90%以上是以吸附狀態(tài)賦存在煤層中的孔隙內(nèi)表面上，孔隙體積的大小決定著煤吸附瓦斯能力的大小。作為孔隙發(fā)育程度的衡量指標(biāo)，孔隙率測(cè)定是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，它通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的煤樣測(cè)定煤的真假密度來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

    Φ=(d_真-d_視)/d_真×100%                            

式中：Φ—煤孔隙率，%；

d_真—煤真密度，t/m³；

d_視—煤視密度，t/m³。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤峪口煤礦14^-2號(hào)煤層和11-12號(hào)煤層21014工作面的煤樣進(jìn)行測(cè)定，得出煤的孔隙率測(cè)定結(jié)果如表5-2所示。

1.5瓦斯吸附常數(shù)

煤的瓦斯吸附常數(shù)是衡量煤吸附瓦斯能力大小的指標(biāo)，煤樣的工業(yè)分析值是計(jì)算煤層瓦斯含量的重要指標(biāo)之一。目前，煤的吸附常數(shù)及煤樣的工業(yè)分析只能在實(shí)驗(yàn)室完成。其測(cè)定的方法如下：

（1）將采集的新鮮的煤樣粉碎，取0.2～0.25mm粒度的試樣30～40g裝入密封罐中；

（2）在恒溫60℃高真空（10^-2～10^-3mmhg）條件下脫氣4小時(shí)左右；

（3）在30℃恒溫和0.1～6.6Mpa壓力條件下，進(jìn)行不同瓦斯壓力下的吸附平衡，并測(cè)定各種瓦斯平衡壓力下的吸附瓦斯量；

（4）根據(jù)不同平衡瓦斯壓力下的吸附瓦斯量（一般不少于6個(gè)），按郎格繆爾方程W=abp/（1+bp）回歸計(jì)算出煤的瓦斯吸附常數(shù)a和b值；

（5）稱(chēng)取粒度為0.2mm以下的分析煤樣1±0.1g于105～110℃的干燥箱內(nèi)干燥到恒重，其所失去的重量占煤樣的百分率作為水份；

（6）稱(chēng)取粒度為0.2mm以下的分析煤樣1±0.1g，放入箱型電爐內(nèi)灰化，然后在815±10℃灼熱到恒重，并冷卻至室溫后稱(chēng)重，以殘留物重量占煤樣原重量的百分?jǐn)?shù)作為灰份；

（7）稱(chēng)取粒度為0.2mm以下的分析煤樣1±0.1g，放入帶蓋的瓷鍋中，在900±10℃的溫度下，隔絕空氣加熱7分鐘，以所失去的重量占煤樣的百分?jǐn)?shù)，減去該煤樣的水份作為揮發(fā)份。

利用上述方法在煤峪口煤礦14^-2號(hào)煤層和11-12號(hào)煤層21014工作面采樣送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)吸附氣體甲烷成份99.99％，在恒溫30oC下，測(cè)得吸附常數(shù)結(jié)果列于表3。

煤峪口煤礦14^-2號(hào)煤層和11-12號(hào)煤層21014工作面的煤體瓦斯放散初速度ΔP均為9。

表3 煤峪口煤礦14^-2號(hào)煤層和11-12號(hào)煤層瓦斯吸附常數(shù)及工業(yè)分析測(cè)定結(jié)果

 

1.6煤層瓦斯壓力

煤層層瓦斯壓力是指煤孔隙中所含游離瓦斯的氣體壓力，即氣體作用于孔隙壁的壓力。其為煤層瓦斯流動(dòng)和涌出的基本參數(shù)，亦是煤層瓦斯流動(dòng)的動(dòng)力，它不僅決定著煤層瓦斯含量與涌出量的大小，而且對(duì)于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)與合理制訂防突措施等均起著重要的作用。因此，準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力是十分必要的。

煤層原始瓦斯壓力確定方法有二種，其一為實(shí)測(cè)法，即利用石門(mén)揭煤巷道在揭煤前打穿層鉆孔穿透煤層，封孔測(cè)定煤層原始瓦斯壓力；其二為間接法，即利用新鮮煤樣，測(cè)定煤層原始瓦斯含量，然后用郎格繆爾方程反推煤層原始瓦斯壓力。

由于煤峪口煤礦不具備瓦斯壓力測(cè)定條件，未能實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力。因此，只能根據(jù)實(shí)測(cè)的煤層瓦斯含量，用朗格繆爾方程反演瓦斯壓力，計(jì)算公式如下：

       

式中 W——煤層瓦斯含量，m³/t；

P——煤層絕對(duì)瓦斯壓力，MPa；

a——吸附常數(shù)，試驗(yàn)溫度下煤的極限吸附量，m³/t；

b——吸附常數(shù)，MPa^－1；

M_ad——煤中水分，%；

A_d——煤中灰分，%；

——煤的容重（假比重），t/m³；

——煤的孔隙率，%。

將各參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)值代入計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果如表4示。

 

表4  煤峪口礦煤層瓦斯壓力反演結(jié)果

測(cè)定地點(diǎn)	煤層瓦斯含量（m3/t）	吸附常數(shù)		灰分 （%）	水 分 (%)	孔隙率 (﹪)	瓦斯壓力(MPa)
		a (m3/t)	b (MPa-1)
51014掘進(jìn)工作面	2.42	17.212	1.193	6.92	7.32	5.07	0.269
21014掘進(jìn)工作面	2.89	25.575	0.834	2.97	2.97	5.07	0.335
2705掘進(jìn)工作面	3.05	25.575	0.834	2.97	2.97	5.07	0.086
5816掘進(jìn)工作面	3.26	17.212	1.193	6.92	7.32	5.07	0.092
5814掘進(jìn)工作面	3.11	17.212	1.193	6.92	7.32	5.07	0.087
5705掘進(jìn)工作面	2.56	17.212	1.193	6.92	7.32	5.07	0.08
2705掘進(jìn)工作面	3.08	25.575	0.834	2.97	2.97	5.07	0.086
2814掘進(jìn)工作面	2.85	25.575	0.834	2.97	2.97	5.07	0.072
備注：反演用吸附常數(shù)、灰分、水分、孔隙率、視密度取實(shí)驗(yàn)室測(cè)定平均值。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，獲得煤峪口煤礦14^-2號(hào)煤層和11-12號(hào)煤層一系列參數(shù)，見(jiàn)表5、表6。

表5  煤峪口礦14^-2號(hào)煤層參數(shù)測(cè)試結(jié)果