胡底煤礦3#煤瓦斯壓力及含量測定分析研究

韓趙俊

（晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部胡底煤業，山西 晉城 048200）

煤層原始的瓦斯壓力及瓦斯含量等基本參數是研究煤層瓦斯賦存與涌出量、控制瓦斯事故的基礎。煤層瓦斯壓力是指煤體孔隙中游離氣體對孔隙壁產生的壓力，是研究瓦斯含量的主要因素[1-3]。因此，煤礦開展煤層瓦斯壓力及瓦斯含量等基礎參數研究，對井下的瓦斯防治措施的制定具有重要的意義。

1 工程概況

胡底煤礦位于山西省晉城市沁水縣，隸屬于晉煤集團，礦井瓦斯絕對涌出量為8.8 m3/min，相對涌出量為7.77 m3/t，絕對二氧化碳涌出量為1.44 m3/min?，F開采3#煤層，黑～灰黑色，煤層穩定，內生裂隙較發育，局部含有少量夾矸，為主要可采煤層。煤層厚度5.78～6.54 m 之間，平均厚度5.88 m，硬度為1～2，屬于穩定可采煤層。

3#煤層偽頂為黑色泥巖，質軟，松軟、易碎，隨采掘脫落，平均厚度0.2 m；直接頂為深灰色砂質泥巖，半堅硬，較致密，平均厚度5.17 m；老頂為灰色粉砂巖、細粒砂巖，局部夾泥巖，堅硬，致密，平均厚度2.78 m；直接底為深灰-灰黑色砂質泥巖夾薄層粉砂巖，半堅硬，較致密，平均厚度2.00 m；老底為灰色細粒巖屑石英雜砂巖，碎屑以石英為主，堅硬，致密，平均厚度0.99 m。

2 瓦斯壓力測定

2.1 鉆場設計

選擇胡底煤礦1311 底抽巷對3#煤層進行瓦斯壓力、含量測定。測壓、測含量鉆孔應避開裂隙和斷層，布置于堅硬的巖石巷道中，防止封孔不嚴密產生漏氣。鉆孔由巷道打向煤層，鉆孔與煤層的夾角盡量接近90°且打穿煤層，孔徑在75 mm 以上，測壓地點和煤層之間垂距10 m 以上。1311 底抽巷測壓地點示意圖如圖1。

每個測點布置兩個上向巖石穿層測壓鉆孔，1311 底抽巷測點鉆孔布置如圖2，1 號測壓和測瓦斯含量鉆孔布置剖面圖、2 號測瓦斯含量鉆孔布置剖面圖分別如圖3。

圖2 1311 底抽巷測點鉆孔布置圖

圖3 2 個測壓點鉆孔布置A-A 剖面圖

2.2 鉆孔結構

鉆孔采用變徑無芯鉆進方式施工。每個鉆孔的0～2 m 段為開孔段，開孔直徑Ф113 mm，開孔深度2 m。開孔段采用Ф108 mm 鋼管作為套管并用水泥砂漿固孔，待固孔凝固時間滿24 h 之后，采用Ф75mm 鉆頭鉆進，穿透3 號煤層進入底板0.2 m結束鉆進。

2.3 封孔方法

封孔方式如圖4。成孔以后，利用漏斗和注漿管向孔內注添加適量熟石膏（每孔熟石膏用量為10 kg）和適量水玻璃（每孔水玻璃用量為5 kg）的水泥砂漿封孔，封孔長度為全部巖孔段。封孔前，需要將孔內積水排放干凈。

圖4 鉆孔封孔結構示意圖

2.4 測壓操作程序

采用鉆孔瓦斯壓力自然恢復法針對3#煤層瓦斯壓力進行檢測，具體步驟為：

（1）當鉆孔即將見煤時應停止鉆進，待測壓人員就位后，恢復鉆進，直至穿透煤層，及時清洗鉆孔，排除孔中積水和巖屑，并詳細記錄參數（開孔及終孔時間、方位角、傾角、孔深、煤厚）。

（2）要及時組裝測壓管，盡快封閉測壓孔。測壓管的安裝長度視鉆孔深度而定，一般應盡可能靠近煤層。

（3）將攪拌均勻的水泥砂漿通過注漿泵注入鉆孔內，直至注滿。

（4）待注漿后凝固24 h，再安裝壓力表，壓力表要保證嚴密性，檢查密封墊圈是否合格。重點記錄前兩個小時壓力值變化，每隔30 min 記錄一次壓力表數值變化；后面保證每天觀察記錄一次壓力值變化，若發現異常及時進行處理；若壓力值連續三天無較大的變化，則認為此壓力值為煤層瓦斯壓力。

2.5 煤層瓦斯壓力測定結果

由《煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測定方法》可知，在瓦斯壓力監測時，同一地點以監測得到的最高瓦斯壓力作為該煤層測定的瓦斯壓力。因此，根據2 個測壓點瓦斯壓力監測數據可以得到，胡底煤礦3#煤層最大瓦斯壓力為0.98 MPa。

3 煤層瓦斯含量測定

目前，瓦斯在煤層中主要存在兩種狀態的賦存形式，一種是吸附瓦斯，主要存在于煤分子之間的空間，吸附在煤的孔隙表面或者內部；另一種是滲透在空間內的瓦斯，稱之為游離瓦斯，主要呈現自由氣態。根據有關研究資料，煤層中瓦斯含量分布為：吸附瓦斯占據80%～95%，游離瓦斯占據5%～20%。因此，瓦斯含量的測定需分別測定兩種形態的瓦斯含量。

3.1 煤層瓦斯吸附常數分析

采用高壓吸附法測定煤層內的吸附瓦斯量。試驗過程為：從3#煤中收集得到的新鮮煤樣打散，取0.2～0.3 mm 的煤樣80 g，放置于測定罐；在70°的環境下，抽真空2 d；在30°恒溫和0.1～5 MPa 壓力下測定吸附瓦斯量；換算成標準狀態下每噸煤吸附的瓦斯量以及吸附常數a、b。測試結果見表1。

表1 煤樣瓦斯吸附測試結果

測試結果表明，在恒定溫度30°時，隨著吸附壓力的增加煤樣吸附瓦斯量不斷增加，但吸附率逐漸減小。當瓦斯壓力足夠大時，煤樣吸附瓦斯量會趨于飽和狀態，趨近于恒定值。根據Langmuir 等溫吸附方程，可以得到煤體吸附壓力與吸附瓦斯量的關系：

式中：P為瓦斯吸附壓力，MPa；Q為煤體吸附瓦斯量，m3/t；a為煤體極限吸附量，m3/t；b為煤的吸附平衡常數，MPa-1。

根據前文測試得到的結果，以1/a、1/ab為變量進行擬合數據，可以得到如圖5 曲線。

圖5 胡底煤礦3#煤層P 與P/Q 曲線

進而可以求得胡底煤礦3#煤層吸附常數a=20.79 m3/t，b=1.33 MPa-1。

3.2 煤層瓦斯含量計算

煤層中的瓦斯主要由吸附態和游離態構成。吸附態瓦斯可以根據瓦斯壓力及吸附常數等參數計算得到，游離態瓦斯可以根據煤體孔隙率計算得到。

煤層吸附瓦斯含量Q1：

式中：Ts為吸附試驗時的溫度，℃；A為煤樣灰分，%；T為煤層溫度，℃；n為修正系數，n=0.02/（0.993+0.07P）；W為煤樣水分，%。

煤的游離瓦斯含量Q2：

式中：T0為絕對溫度，273 K；V為單位質量煤的孔隙容積，m3/t；α為瓦斯壓縮系數；P0為標準狀況壓力，0.1 MPa。

將胡底煤礦3#煤層相關參數代入上述兩式，計算得到煤層吸附瓦斯含量為4.2 m3/t，游離瓦斯含量為0.05 m3/t。因此，3#煤層的瓦斯含量為4.25 m3/t。

4 結論

（1）采用鉆孔瓦斯壓力自然恢復法對3#煤層瓦斯壓力進行檢測，確定了2 個測壓鉆孔的具體方位及鉆孔參數，得到胡底煤礦3#煤層最大瓦斯壓力為0.98 MPa。

（2）在實驗室采用高壓吸附法測定煤層內的吸附瓦斯量，得到3#煤層吸附常數a=20.79 m3/t，b=1.33 MPa-1，進一步計算得到煤層吸附瓦斯含量為4.2 m3/t，游離瓦斯含量為0.05 m3/t，3#煤層的瓦斯含量為4.25 m3/t，屬于中等瓦斯含量。

根據測得的煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，可有針對性地采取瓦斯治理措施，保障煤礦安全生產。