低滲透煤層孔隙結構及瓦斯涌出規律分析

曹 涵

（潞安環能股份有限公司王莊煤礦抽采科，山西 長治 046031）

煤體的孔隙結構是影響瓦斯賦存及滲流特性的主要因素，對煤層瓦斯的吸附能力具有直接影響。研究瓦斯涌出規律是制定瓦斯抽放措施的重要依據，對瓦斯治理具有重要意義。本文以王莊煤礦9105工作面為例，對其煤層孔隙結構和瓦斯涌出規律進行研究分析，為工作面瓦斯治理提供依據。

1 工程概況

王莊煤礦生產能力710萬t/a，主采二疊系3號煤層，煤層均厚6.7m，屬高瓦斯礦井，主要采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝。9105工作面位于王莊煤礦+540新區，工作面標高377～522m，煤層普式硬度1～3，平均煤厚6.5m，煤層傾角2～12°，可采儲量1000萬t，采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝，采放比1:1.17。工作面設計回采長度3432m，切眼長度340m，采用全錨網支護，是王莊煤礦首個超大型回采工作面，也是王莊煤礦未來發展銜接的重要工作面。9105工作面特殊性主要體現在：高瓦斯工作面，低滲透煤層，工作面最長，工作面推進度最長。按照工作面日產量9000t計算，預測開采層瓦斯涌出量34.04m3/min，鄰近層瓦斯涌出量3.46m3/min，采空區絕對瓦斯涌出量約為37.50m3/min。

2 低滲透煤層微觀孔隙結構參數

低滲透煤層的滲透特性研究很大程度上局限于煤層氣儲層瓦斯的滲透特性，即低滲透煤層的滲透特性研究主要是煤層瓦斯基礎參數的研究，主要包括煤的堅固性系數、瓦斯放散初速度、瓦斯吸附常數、鉆孔自然瓦斯涌出特征參數、透氣性系數、煤層瓦斯壓力和煤的破壞類型等。

（1）在9105工作面運巷切眼和+540皮帶大巷取煤樣進行測定，得出煤的堅固性系數f為0.46和0.44，瓦斯放散初速度Δp為16.16和13.79，瓦斯吸附常數b為1.230MPa-1，煤層真密度為1.44m3/t，孔隙率為3.47%。

（2）在9105回風巷160m處和+540皮帶大巷取煤樣測定，煤層透氣性系數分別為1.341m2/(MPa2·d)和 3.354m2/(MPa2·d)。

（3）通過現場考察，9105工作面煤層以硬煤為主，顏色煤樣光澤呈亮與半亮，次生節理面多，且不規則，與原生節理呈網狀節理，用手極易剝成小塊，中等硬度，破壞類型屬Ⅱ類。

（4）在3號煤層9105回風巷、9105進風巷、+540皮帶大巷各布置1個鉆孔，百米鉆孔自然瓦斯流量測定及計算結果顯示，自然瓦斯涌出量衰減系數分別為0.0438d-1和0.0346d-1和0.0302d-1，百米鉆孔初始瓦斯涌出量分別為0.1118×10-3m3/min·hm、0.0865×10-3m3/min·hm 和 0.0746×10-3m3/min·hm。

（5）煤層瓦斯壓力測定地點選擇在了煤層較為堅硬致密、無斷層、無裂隙的地點，測定結果為：9105回風巷1430m處為0.34MPa，9105回風巷160m處為0.31MPa，+540皮帶大巷為0.33MPa。根據煤層瓦斯含量、瓦斯吸附常數、煤質分析等參數實測結果，用郎格繆爾間接方法計算煤層瓦斯壓力顯示，9105回風巷160m處瓦斯壓力為0.28MPa，+540皮帶大巷為0.25MPa。

3 工作面瓦斯涌出量

3.1 煤層瓦斯含量

在3號煤層9105運巷切眼、9105回風巷和+540皮帶大巷處采集了三個煤樣進行了現場解析。現場測定的瓦斯含量及煤質化驗分析結果見表1。

表1 瓦斯含量及煤質化驗分析結果

3.2 煤層瓦斯分布

根據在9105運巷切眼、9105回風巷和+540皮帶大巷處采集的三個煤樣煤質化驗結果，王莊煤礦+540新區3號煤層埋深265.45m時，甲烷成分3.9%，氮氣成分達到86.82%；埋深在328.12m處，甲烷成分達到80.12%，氮氣成分為18.68%。可以推斷出煤層埋深265.45m時處于瓦斯風化帶，埋深328.12m時處于甲烷帶，而按照已有瓦斯含量與埋深關系曲線推斷，煤層埋深大于296.6m區域屬甲烷帶，其上均為瓦斯風化帶。

3.3 工作面瓦斯涌出量預測

本次礦井瓦斯涌出量預測選用分源預測法，9105工作面采用全部垮落法管理頂板，工作面日產量為5727t，根據已有瓦斯含量等值線圖，該區域煤層瓦斯含量最大值為10m3/t。回采工作面瓦斯來源包括開采層瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出兩類。

（1）開采層瓦斯涌出量計算：

【11】呂天成《曲品》，見中國戲曲研究院編《中國古典戲曲論著集成（六）》，中國戲劇出版社1959年版，第230頁。

其中：

q1-開采煤層相對瓦斯涌出量，m3/t；

K1-圍巖瓦斯涌出系數，取值1.3；

K2-工作面丟煤瓦斯涌出系數，取值1.18；

K3-采區內準備巷道預排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數，取值0.81；

m-開采層厚度，取6.82m；

M-工作面采高，取6.82m；

W0-煤層瓦斯含量，取最大值，10m3/t；

經過計算，9105工作面開采層瓦斯相對涌出量為8.08m3/t。

（2）鄰近層瓦斯涌出量

其中：

q2-鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；

mi-第i個鄰近層煤層厚度，m；

ηi-第i個鄰近層瓦斯排放率，%；

Woi-第i個鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；

Wci-第i個鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t，參考3號煤層取3.12m3/t。

經過計算，9105工作面鄰近層瓦斯相對涌出量為0.87m3/t。

綜上所述，9105工作面瓦斯涌出量預計結果為：相對瓦斯涌出量為8.95m3/t，絕對瓦斯涌出量為37.50m3/min。其中開采層瓦斯涌出量約占整個回采工作面瓦斯涌出的90.3%，在鄰近層瓦斯涌出量中，上鄰近層瓦斯涌出約占整個鄰近層瓦斯涌出的35%，下鄰近層占65%。

4 結論

通過對9105工作面煤層孔隙結構和瓦斯賦存和涌出規律進行分析，為后續9105工作面設計及低滲透煤層瓦斯綜合治理提供了基礎數據。按照分析結果，9105工作面最終選擇采用U+高抽巷通風系統進行瓦斯抽排，高抽巷層位選擇距離煤層頂板10～15m垂距，距離回風巷水平距離12～16m。9105工作面高抽巷在2016年～2018年8月份瓦斯抽采數據，最低抽采瓦斯濃度是8.4%，最高抽采瓦斯濃度是15.6%，平均抽采瓦斯濃度是12.2%，上隅角瓦斯平均濃度是0.69%，回風流每日瓦斯濃度平均值0.6%，最大值0.75%，無瓦斯超限現象。