鎮城底礦瓦斯賦存規律及防突技術研究

王 熠

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦，山西 太原 030053）

我國煤層埋藏較深，地質條件復雜，煤與瓦斯突出問題嚴重，特別是松軟煤層的吸附性、透氣性較差，導致瓦斯抽采困難。隨著礦井采掘深度的不斷延伸，開采強度的不斷增加，淺部資源日益減少，深部開采礦井數量逐漸增多，瓦斯突出成為制約礦井安全生產的重要難題。為了對煤礦瓦斯進行及時抽排，我國眾多學者對瓦斯覆存規律進行研究，此前王彥凱、趙興超[1]對煤層的瓦斯分布規律進行研究，根據現場實測瓦斯數據，給出了影響瓦斯賦存的因素，并構建了煤層瓦斯壓力的預測方程，為煤礦防治瓦斯提供了依據。蘭玉海、李青松[2]通過分析現采煤層瓦斯賦存規律，并給出了區域防突措施的設計。經過驗證表明，相鄰工作面瓦斯含量變化規律類似，呈現出在停采線至切眼走向平均值上下起伏，但總體呈下降趨勢。本文以鎮城底礦22603 工作面為工程背景，對煤層瓦斯覆存規律及防突技術進行研究，為礦井瓦斯治理提供參考。

1 礦井概況

鎮城底礦位于西山煤電西北部，井田占地面積約16.63 km2，年設計生產能力為190 萬t?，F在主要開采3 號煤，煤厚1.65 m，煤層傾角3.0°～12.0°，平均5.0°；煤層頂、底板為砂質泥巖、泥巖。礦井田結構相對簡單，主要構造形式為單斜延伸構造，井田的地層坡度均值在5.0°左右。22603 工作面現主要開采太原組3 號煤層，煤層厚度3.2～15.7 m，煤層的平均厚度為9.1 m。鎮城底礦屬于低瓦斯礦井，隨著采掘深度的不斷延伸，開采強度的加大，開采的煤層逐步出現了高瓦斯區域，采前預抽效果不理想。為此，對煤層瓦斯覆存規律及防突技術進行研究非常重要。

2 礦井瓦斯覆存規律研究

影響瓦斯覆存的因素有許多，首先是地質條件會直接影響瓦斯的覆存規律，再者就是褶曲結構，該結構是在高應力或者高氣壓的區域形成的，由于其變形較大，釋放的能量也多，使得瓦斯含量在褶曲區域內較高。當煤層存在斷層時，由于斷層的存在使得瓦斯能夠較好地擴散，此時煤層的瓦斯濃度含量相對較低。

頂板物理特性對瓦斯的覆存也十分重要，當煤層頂板多為高滲透性巖體時，此時瓦斯的運移擴散效果極佳，瓦斯含量相對較低，而當巷道頂板巖層屬于低滲透性巖體時，此時由于瓦斯擴散十分困難，使得瓦斯聚集現象嚴重。據統計，3 號煤層的頂板為泥巖，其對瓦斯覆存影響較小。

瓦斯含量與巷道頂板的厚度有著直接的關系，巷道頂板越厚，巷道的瓦斯含量越高，擬合曲線類似于直線。同樣，鎮城底礦3 號煤層的巷道頂板越厚，此時巷道頂板的瓦斯含量越高，由此可以看出，3 號煤層頂板厚度與瓦斯含量有著密切的關系。對影響瓦斯覆存的主要因素進行分析，選定灰色關聯理論進行研究，灰色關聯理論是根據各自因素間的差異及相似程度而給出的關系方法，當不同因素的變化趨勢類似時關聯度高，當變化趨勢不一致時則相反。進行灰色關聯分析時，首先對分析數列進行確定，分析數列包括煤層的埋深、煤層的厚度、覆巖的厚度、砂巖的厚度，通過對比分析數列與比較數列的差值，從而給出各因素影響程度。完成分析數列的建立后，對原始數據矩陣進行設置，這里僅選定6 組鉆孔進行檢測，所以矩陣為6 階矩陣。對數據進行無量鋼化處理后，計算差值矩陣和最值，最后計算灰色關聯度，根據計算，煤層瓦斯影響因子檢測數據如表1 所示。

表1 煤層瓦斯影響因子檢測數據

根據檢測樣本的數據進行灰色關聯度分析，利用matla 軟件進行矩陣的計算，從而給出不同影響因素的關聯度，灰色關聯度值如表2 所示。

表2 灰色關聯度表

從表2 可以看出，四種影響因素中，對瓦斯覆存影響最大的為覆巖的厚度，而煤層厚度及煤層埋深對鎮城底礦瓦斯覆存影響差距不大，對瓦斯覆存影響最小的因素為砂巖厚度，所以在進行防突設計時，可充分對覆巖厚度、煤層厚度進行防突設計，以保證鎮城底礦3 號煤層的正常開采[3]。

22603 工作面所開采的3 號煤層瓦斯壓力大、含量高，在收集現場數據后對其進行防突治理研究，對瓦斯的運移情況進行研究，利用COMSOL 軟件進行模擬，首先建立長×寬×高為10 m×10 m×7 m 的模型，在模型中心布置鉆孔，對模型進行物理參數設定，材料的彈性模量為3.5 MPa，初始瓦斯壓力為1 MPa，將煤巖的密度設定為1 360 kg/m3，泊松比為0.32，完成設定后對模型進行計算，給出100 d 時瓦斯壓力的切面圖，如圖1 所示。

圖1 瓦斯壓力的切面圖

由圖1 可知，瓦斯壓力沿著鉆孔中心軸向外呈現增大的趨勢，在鉆孔中心軸附近瓦斯壓力最小，壓力最大值為0.52 MPa，隨著距中心鉆孔距離的增加，瓦斯壓力呈現逐步增加的趨勢，瓦斯壓力值由小變大，這是由于瓦斯由模型四周擴散至鉆孔周邊，使得鉆孔附近瓦斯壓力降低[4]。

3 瓦斯防突技術研究

現階段，礦井防突技術有煤層保護層開采技術和鉆孔抽采瓦斯技術，鎮城底礦選定鉆孔預抽采技術。在工作面距離煤層20 m 的位置布置底板巖巷，在底板巖巷上布置鉆場，鉆場間距為40 m，在每個鉆場上布置穿層鉆孔來對巷道的瓦斯進行抽采，鉆孔的直徑為94 mm，鉆孔的封孔深度為12 m，鉆孔間距為6 m×6 m，對鉆孔的瓦斯進行抽采，鉆場的抽采參數變化趨勢圖如圖2 所示。

圖2 鉆場抽采參數變化曲線圖

由圖2 可知，在鉆場瓦斯抽采期間，隨著工作面的推進，整個工作面的瓦斯抽采混合流量和純流量的變化趨勢大致呈現相同的趨勢，混合流量抽采均值為50 m3/min，純量的抽采均值為0.8 m3/min。隨著工作面的推進，瓦斯抽采濃度呈現先增大后減小的趨勢，抽采的瓦斯濃度（體積分數）最大值為2.03%，經過測量，瓦斯濃度得到了有效的控制，保障了巷道的正常開采[5]。

4 結論

1）采用灰色關聯法對鎮城底礦22603 工作面所開采的3 號煤層瓦斯的覆存規律和影響因素進行分析，經過研究發現，對瓦斯覆存影響程度由大至小依次為覆巖厚度、煤層厚度、煤層埋深、砂巖厚度，這為礦井瓦斯防治提供了依據。

2）利用數值模擬軟件對瓦斯壓力進行研究發現，瓦斯壓力沿著鉆孔中心軸向外呈現增大的趨勢，在鉆孔中心軸附近瓦斯壓力最小，壓力最大值為0.52 MPa。經現場實踐，通過鉆孔抽排對瓦斯進行防治，經過抽排后，礦井瓦斯含量得到了有效控制，保證了礦井的正常生產。