瓦斯關鍵參數檢測方法及治理建議

王晉茂

（山西高平科興牛山煤業有限公司，山西 高平 048400）

引言

瓦斯是煤礦生產不可避免的產物，嚴重威脅著掘進、采煤工作面的安全生產。因此，精確掌握煤礦瓦斯的相關參數特征對預測瓦斯的涌出量和突出量具有指導作用，進而可精準開展對掘進工作面、綜采工作面瓦斯的治理工作[1]。本文以山西高平科興牛山煤業為例，開展關于瓦斯地質基礎、關鍵參數的測定方法及設備選型，為后續瓦斯的治理工作提供支撐。

1 工程概況

牛山煤業地處山西省高平市，該礦井含煤地層包括有山西組和太原組。該礦井可采煤層包括有3號、9 號、15 號，其對應的具體地質條件如下：

1）3 號煤為區內主要的可采煤層，賦存于山西組的下部，煤層厚0～9.71 m，平均5.71 m，頂板為砂巖、砂質泥巖，底板為砂質泥巖,全區穩定可采。

2）9 號煤層位于太原組下部，煤層厚0～2.65 m，平均厚1.74 m，結構簡單，0～1 層矸石。煤層頂板多為中粗砂巖，局部為泥巖、砂質泥巖；底板為砂質泥巖。9 號煤層在井田內較穩定，結構簡單，為區內較穩定的可采煤層。

3）15 號煤層位于太原組下部，煤層厚1.77～5.76 m，平均4.25 m。煤層結構簡單—復雜，直接頂板為泥巖或石灰巖，底板為泥巖或粉砂質泥巖，本煤層區內穩定發育，屬全區穩定可采煤層。

2 瓦斯關鍵參數的測定

為精確了解牛山煤業瓦斯的相關參數特征，以該煤業3 號、9 號煤層為例對瓦斯吸附常數a、b 值，瓦斯含量，瓦斯壓力，鉆孔瓦斯流量衰減系數等參數進行測定[2]。本次瓦斯參數測定瓦斯的取樣地點主要為如圖1 所示的一采區機軌合一巷、一采區回風巷、90102 進風巷、90102 回風巷和90101 首采面。

圖1 瓦斯取樣地點

2.1 瓦斯吸附常數a 值和b 值的測定

a 值表示煤可燃基的極限吸附瓦斯量，即在某一溫度下當瓦斯壓力趨近于無窮大時的最大吸附瓦斯量，也稱朗繆爾體積，單位為m3/t；b 為朗繆爾壓力倒數，也為一吸附常數，單位為MPa-1。本項參數測定所選設備為HCA 高壓容量法瓦斯吸附裝置[3]，取樣地點為一采區機軌合一巷和一采區回風巷，90102 進風巷和回風巷四個位置。

2.2 瓦斯含量的測定

煤層瓦斯含量指的是單位質量煤質中所含瓦斯的體積。目前，針對瓦斯含量測定所依據的標準為：GB/T 23250—2009，可采用直接法測定和間接法測定。本項參數的取樣地點為一采區機軌合一巷、一采區回風巷、90102 進風巷、90102 回風巷和90101 首采面，分別記為1 號、2 號、3 號、4 號和5 號。

2.3 瓦斯壓力的測定

煤層瓦斯壓力是指煤層孔隙內氣體分子自由熱運動所產生的作用力，由游離瓦斯形成，即瓦斯作用于孔隙壁的壓力[4]。目前，針對瓦斯壓力測定所依據的標準為AQ-T 1047—2007。本項參數的取樣地點為一采區機軌合一巷、一采區回風巷、90102 進風巷、90102 回風巷和90101 首采面。

2.4 瓦斯流量衰減系數β 的測定

瓦斯流量衰減系數是衡量煤層瓦斯抽放難易程度的重要指標，它表示鉆孔瓦斯流量隨時間變化的衰減速度，可通過測定流量與時間的關系來計算，如式（1）所示：

式中，Q0為鉆孔成孔初始時的瓦斯流量；Qt為鉆孔1 d 后排放時的瓦斯流量；t 為鉆孔瓦斯涌出經歷過時間，取t=1 d。

3 瓦斯參數測定結果分析

3.1 瓦斯吸附常數a 值和b 值的測定結果

瓦斯吸附常數a 值和b 值的測定結果如表1 所示。

表1 瓦斯吸附常數a值和b 值的測定結果

如表1 所示：3 號煤層吸附常數a 的平均值為40.475 5 m3/t；b 的平均值為1.631 5 MPa-1；9 號煤層吸附常數a 的平均值為36.070 4 m3/t；b 的平均值為1.5233 MPa-1。

3.2 瓦斯含量測定結果分析

瓦斯含量測定結果匯總如表2 所示。

表2 3 號、9 號煤層瓦斯含量測定結果匯總 mL/g

分析表2 可知：牛山煤業3 號煤層瓦斯含量為3.63～3.77 m3/t，測定的煤層最大瓦斯含量為3.77 m3/t，煤層瓦斯含量較低；9 號煤層瓦斯含量為2.62～2.73 m3/t，測定的煤層最大瓦斯含量為2.73 m3/t，煤層瓦斯含量較低。通風完全可以滿足煤層開采所需要的瓦斯工作條件，不需要進行瓦斯抽采工作。

3.3 瓦斯壓力的測定

瓦斯壓力的測定需依據測壓鉆孔完成，但是在實際測量過程中發現測壓鉆孔存在封孔不嚴的問題，導致所測得瓦斯壓力值不準確[5]。因此，本文采用間接法對瓦斯壓力值進行測定，即根據瓦斯含量值對瓦斯壓力進行反推算，經推算所得瓦斯壓力值如表3 所示。

表3 瓦斯壓力值測定結果

3.4 瓦斯衰減系數的測定

根據“2.4”所述，瓦斯衰減系數需掌握煤層的起始流量和最終流量以及所測定的天數，瓦斯衰減系數的測定結果如表4 所示。

表4 瓦斯衰減系數測定結果

4 牛山煤業瓦斯治理建議

經對牛山煤業3 號、9 號煤層的瓦斯關鍵參數測定結果的分析，對其瓦斯治理提出如下建議：

1）在地質構造處，煤層的堅固性系數將變小，同時煤層瓦斯壓力、放散初速度及破壞類型均會發生變化，遇到地質構造帶或瓦斯涌出異常區時，必須及時測定煤層瓦斯含量、瓦斯壓力等基礎參數，準確掌握煤層瓦斯相關參數，為礦井進一步瓦斯治理提供依據。如有瓦斯涌出異常現象，須采取區域防突、局部防突、瓦斯抽采等必要的安全技術措施。

2）煤層瓦斯參數隨著采掘巷道向新區域的延伸逐漸發生變化，建議礦方將瓦斯參數測定工作常態化，隨時掌握煤層瓦斯的變化及突出危險性情況，確保礦井安全生產。

5 結論

1）3 號、9 號煤層吸附常數a 分別為40.48 m3/t、36.070 4 m3/t，吸附常數b 分別為1.63 MPa-1、1.523 3 MPa-1；3 號、9 號煤層瓦斯含量分別為3.77 m3/t 和2.73 m3/t，瓦斯壓力值均為0.05 MPa，瓦斯流量衰減系數分別為0.115 d-1、0.095 d-1。

2）工作面瓦斯參數屬于動態變化，礦方應將瓦斯測定列為常態化工作，隨時并對應性地采取區域防突、局部防突、瓦斯抽采等必要的安全技術措施。