近距離煤層群不可采煤層瓦斯參數測定及應用

李臣武

(貴州職業技術學院 建筑工程學院， 貴州 貴陽 550023)

煤層厚度小于0.7 m的煤層屬于不可采煤層，不可采煤層一般情況不考慮開采。在貴州礦區近距離煤層群可采煤層之間往往賦存不可采煤層，煤層群的瓦斯治理和防突必須同時考慮開采層及鄰近層，地勘報告提供可采煤層瓦斯參數，缺乏不可采煤層瓦斯參數，導致不可采煤層瓦斯治理沒有技術依據，難以直觀判斷煤層突出危險程度大小[1]，開采層及鄰近層瓦斯綜合治理不能做到精確控制和有的放矢，鄰近煤層受采動影響時容易發生煤與瓦斯突出[2]. 因此，含不可采煤層的煤層群聯合抽采瓦斯需進一步研究[3]. 為確保開采層及鄰近層做到抽采同步達標和同步消突，不可采煤層瓦斯參數測定顯得尤為重要，瓦斯參數是判斷煤層突出危險性依據，也是制定防突措施的依據，對煤礦安全生產具有重要意義[4]. 新興宏能煤礦開采近距離煤層群，通過測定不可采煤層瓦斯參數，進一步判斷煤層突出危險性，在實測瓦斯參數基礎上采取針對性治理措施，以實現開采層及鄰近層同步消突和抽采達標。

1 工程概況

新興宏能煤礦位于貴州省習水縣回龍鎮，生產能力45 萬t/年，為煤與瓦斯突出礦井，礦區賦存一個煤組，含煤7 層，其中可采煤層C5、C8、C12 ，不可采煤層C7、C9、C10、C11，煤層頂底板巖性見圖1,煤層特征見表1. C12 煤層位于煤組底部，是整個煤組的首采層和保護層，C12與上覆C11、C10、C9、C8、C7、C5煤層間距分別為5.2 m、10.4 m、14.8 m、19.6 m、23.95 m、49.05 m，C12煤層開采期間C5、C7、C8、C9、C10、C11煤層瓦斯會涌入C12 煤層采空區。2012 年4月對C8、C12 煤層進行煤與瓦斯突出危險性鑒定，鑒定結論：“C8、C12煤層均為突出煤層”。C11 與C12煤層最小層間距為4.6 m，小于5 m，根據《防治煤與瓦斯突出細則》要求，C12煤層開采前，必須同步對C11、C12煤層進行消突。一采區首采面11204采煤工作面切眼已貫通，準備實施首采面及鄰近層瓦斯治理。

圖1 煤層綜合柱狀圖

表1 煤層特征表

2 不可采煤層瓦斯參數測定

為治理11204采煤工作面及其鄰近煤層瓦斯，必須采用開采層及鄰近層實測瓦斯參數作為基礎參數和技術依據制定瓦斯抽采方案，2020 年1 月該礦對C7、C9、C10、C11四層不可采煤層進行瓦斯參數測定。結合煤層賦存、開拓部署及C12煤層已有巷道情況，在11204 機巷110 m、260 m、350 m、405 m處及11206 機巷、11206回風巷等地點施工穿層測壓孔，測定C7、C9、C10、C11煤層原始瓦斯壓力和原始瓦斯含量，煤層破壞類型通過現場考察判定，并進行瓦斯放散初速度(ΔP)、堅固性系數(f)等參數測定。

2.1 瓦斯含量測定

瓦斯含量是礦井瓦斯涌出量和煤層突出危險性預測的重要依據[5]. 瓦斯含量測試方法分直接法和間接法[6], C7、C9、C10、C11 煤層瓦斯含量采用直接法,各煤層瓦斯含量測定最大值見表2.

表2 瓦斯含量測定成果表

2.2 瓦斯壓力測定

測壓孔安裝壓力表后，定期觀測瓦斯壓力，直到壓力穩定。現場共施工測壓鉆孔60 個，均按要求進行封孔，各鉆孔均測出了原始瓦斯壓力。煤層瓦斯壓力(表壓)最大值見表3.

表3 煤層瓦斯壓力測定表

2.3 實驗室參數測定

實驗室測定參數包括瓦斯放散初速度、煤層堅固性系數等。煤樣采用刻槽法進行取樣[7],采集兩份煤樣，分別進行瓦斯放散初速度和堅固性系數測定，煤樣粒度要求不小于3 mm，每份煤樣重量要求不小于 3 kg. 測定結果見表4.

表4 瓦斯放散初速度和堅固性系數測定結果表

2.4 破壞類型判定

破壞類型是指煤體結構受構造應力作用后的破壞程度[8],破壞類型主要通過對井下煤層賦存情況進行現場勘察，直接觀察煤體受力破壞情況，再通過煤的光澤、構造、節理、斷口、手試強度等特征進行判斷。根據礦井465回風石門、421回風石門揭露煤層現場勘察，C7、C9、C10、C11 煤層的破壞類型均為Ⅲ類，即強烈破壞煤。

3 不可采煤層瓦斯參數應用

3.1 煤層突出危險性判定

不可采煤層C7、C9、C10、C11 煤層測定的原始瓦斯含量數據中C7、C9煤層的瓦斯含量大于8 m3/t，測定瓦斯壓力均小于0.74 MPa，4層煤測定的瓦斯放散初速度(ΔP)均大于10，煤層堅固性系數均小于0.5，存在部分瓦斯參數超過《防治煤與瓦斯突出細則》規定的臨界值。說明4層不可采煤層均有突出危險性，需按煤與瓦斯突出煤層管理，其鄰近可采煤層從事采掘活動前必須同步對安全距離范圍內的不可采煤層進行抽采和消突。

3.2 采煤工作面瓦斯涌出量預測

C12是整個煤組的最下一層煤,C12煤層開采期間工作面涌出瓦斯由本煤層和上鄰近層瓦斯組成，采用以煤層瓦斯含量作為基礎參數的分源法對工作面瓦斯涌出量進行預測[9]，11204采煤工作面瓦斯涌出量預測按照《礦井瓦斯涌出量預測方法》(AQ1018-2006)進行。

1) 采煤工作面瓦斯涌出量。

q0=q1+q2

式中，q0為采煤工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；q1為開采煤層相對瓦斯涌出量，m3/t；q2為鄰近煤層相對瓦斯涌出量，m3/t.

2) 開采煤層(包括圍巖)瓦斯涌出量。

式中，K1為圍巖瓦斯涌出系數，C12煤層頂板以粉砂質泥巖為主，取1.1；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數，K2=1/c，c為回采率，C12煤層屬中厚煤層，c取95%；K3為采面順槽預排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數，K3=(L-2h)/L；h為掘進巷道瓦斯預排等值寬度，參照《礦井瓦斯涌出量預測方法》附錄表D.1取10.5 m；L為采煤工作面傾斜長度，取145 m；m為開采層厚度，C12煤層厚度為1.55 m；M為工作面采高，取1.55 m；W0為煤層瓦斯含量，根據勘探報告提供瓦斯含量和瓦斯梯度計算，得11204采面瓦斯含量為9.92 m3/t；WC為煤在標準大氣壓力下的殘存瓦斯含量,參照AQ1018-2006標準附錄C取值轉換為5.7 m3/t.

將數據代入公式,計算得q1=4.18 m3/t.

3) 鄰近層瓦斯涌出量。

式中，q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t；ηi為鄰近層瓦斯排放率，%,礦井煤層傾角為16°，為緩傾斜煤層，C12煤層鄰近層瓦斯排放率按圖2中曲線1取值；W0i為各鄰近層原始瓦斯含量，m3/t，按地勘報告提供的可采煤層含量和資質單位測定的不可采煤層瓦斯含量進行取值；WCi為各鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t，可采煤層按地勘報告提供揮發分結合AQ1018-2006標準附錄C取值，不可采煤層按資質單位測定結果取值；mi為各鄰近層煤厚，m.

1—上鄰近層；2—緩傾斜煤層下鄰近層；3—傾斜、急傾斜煤層下鄰近層；hi—第i鄰近層與開采層垂直距離；ηi—第i鄰近層瓦斯排放率圖2 鄰近層瓦斯排放率與層間距關系曲線圖

鄰近層瓦斯涌出量計算見表5.

表5 11204采面鄰近層瓦斯涌出量計算表

經計算，11204采面相對瓦斯涌出量為37.39 m3/t，絕對瓦斯涌出量31.87 m3/min，大于5 m3/min，根據《煤礦安全規程》規定采煤工作面及其鄰近層必須采用高、低負壓瓦斯抽采系統進行抽采。

3.3 瓦斯治理

瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的根本措施和主要途徑，而抽采達標是預防瓦斯事故的關鍵所在，防止瓦斯災害根本性措施是對煤層瓦斯進行高效抽采。11204 采面已形成，11204 采面及其上覆煤層的抽采采用立體式預抽模式，11204 采面本煤層回采區域瓦斯采用在運輸巷、回風巷施工順層鉆孔預抽，孔徑d75 mm，間距5 m，鉆孔交叉長度要求不小于10 m；鄰近層瓦斯預抽既要考慮煤層消突，又要考慮降低煤層瓦斯涌出量以及鉆機施工能力、鉆孔施工效率等因素。C12煤層的鄰近可采煤層為C8，C8煤層又是被保護層，根據《防治煤與瓦斯突出細則》要求開采C12煤層時必須抽采C8煤層瓦斯，C8與C12煤層之間存在C9、C10、C11三層不可采煤層，不可采煤層瓦斯需同步抽采，C11與C12的最小煤層間距為4.6 m，小于5 m，11204 采面開采前必須對11204 采面采動影響范圍內的C11煤層進行消突和措施效果檢驗，防止C12煤層采動影響或采空區垮落引起C11煤層突出，因此不可采煤層C11成為鄰近煤層防突和瓦斯抽采的重點。預抽鄰近層和被保護層的穿層鉆孔從11204 運輸巷和回風巷施工，鉆孔包括專門用于預抽C11煤層鉆孔和預抽C8、C9、C10煤層鉆孔，預抽C11煤層鉆孔終孔以穿過C11煤層0.5 m為止，預抽C8、C9、C10煤層的鉆孔終孔位置保證穿過C8煤層0.5 m. 穿層鉆孔孔徑為d94 mm，孔間距為4 m，鄰近層和被保護層瓦斯抽采鉆孔布置見圖3.

圖3 鄰近層和被保護層瓦斯抽采穿層鉆孔布置圖

4 效果分析

通過可采煤層瓦斯參數和不可采煤層瓦斯參數，對11204 采面開采層和鄰近層以及被保護層施工鉆孔進行預抽，地面安設2BEC-420 型水循環瓦斯抽放泵進行抽放，額定流量120 m3/min，高負壓抽采主管采用d530 mm×8 mm型螺旋焊管，采面回風巷和運輸巷支管安設d327 mm×7 mm型螺旋焊管。每個鉆孔施工結束及時進行封孔，封孔方式采用“兩堵一注”，封完孔后及時進行聯管抽放，預抽期間安設瓦斯流量計進行自動計量。AQ 1026—2006《煤礦瓦斯抽采基本指標》規定:在未考察出煤層始突深度情況下,采掘作業前必須將控制范圍內煤層的瓦斯含量降到8 m3/t以下或將瓦斯壓力降到0.74 MPa(表壓)以下[10]. 該礦為45萬t/年的生產礦井，工作面平均日產量為1 227 t，根據抽采達標要求預抽后工作面可解吸瓦斯量Wj應小于等于7 m3/t，為安全起見該礦抽采后的殘余瓦斯含量按6 m3/t，殘余瓦斯壓力按0.6 MPa進行管理。11204 采面本煤層和鄰近層瓦斯預抽期間對瓦斯量進行統計分析，C12煤層距切眼200 m的第一個評價單元經過預抽45天后抽采率達到要求，對C12煤層和C8、C9、C10、C11煤層殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量進行測定，評價塊段最大殘余瓦斯壓力為0.48 MPa，最大殘余瓦斯含量為4.5 m3/t，達到消突效果，即進行采煤工作面推進。11204 采面經過本煤層、鄰近層以及被保護層瓦斯綜合治理后，整個采面生產期間未出現瓦斯超限，最大瓦斯濃度為0.37%，也未出現過任何突出預兆，采面實現安全高效快速推進，平均產量達到12.5萬t/月。

5 結 論

11204采煤工作面通過測定上覆不可采煤層瓦斯參數，分析和研究煤層瓦斯賦存情況，制定立體式瓦斯治理方案，為采煤工作面消除安全隱患，保障工作面安全高效生產，通過上述定性定量分析得出下列結論：

1) 測定不可采煤層瓦斯參數，彌補礦區地質勘探報告瓦斯參數的不足，豐富了煤層瓦斯基礎參數體系，為煤層群瓦斯治理提供科學的依據。

2) 通過測定不可采煤層瓦斯參數，對鄰近煤層突出危險性進行判定，根據判定結果實施針對性瓦斯治理和消突措施。

3) 在充分分析近距離煤層群可采煤層和不可采煤層瓦斯參數基礎上，對煤層群采用本煤層鉆孔和穿層鉆孔相互結合的立體式綜合預抽模式，抽采期間對預抽瓦斯量進行統計，可實現瓦斯抽采定量控制，為煤層消突評價提供精確的數據，使評價結論客觀真實。通過對鄰近層瓦斯進行大量抽采，可大幅降低開采層的風流瓦斯，為煤層群高產高效生產創造條件。