吉寧礦2103工作面殘余瓦斯含量與鉆孔取樣深度影響分析

鄭亮

摘要：為了在工作面開采前能準(zhǔn)確評(píng)判吉寧礦煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，以2103工作面為研究對(duì)象，采用DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置，研究了吉寧礦2103工作面同一鉆孔不同的取樣深度對(duì)殘余瓦斯含量值結(jié)果影響，以便找出吉寧礦準(zhǔn)確、科學(xué)取樣深度，降低取樣誤差。結(jié)果表明，準(zhǔn)確的取樣深度對(duì)工作面的瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判以及礦井工作面安全生產(chǎn)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：工作面；瓦斯；含量；抽采

DOI：10.12433/zgkjtz.20232139

一、井下測(cè)定瓦斯含量的測(cè)定方法

目前，煤層瓦斯含量測(cè)定一般采用間接法和直接法。間接法是在等溫吸附線計(jì)算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)井下煤層原始瓦斯壓力和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的煤吸附常數(shù)及工業(yè)分析綜合結(jié)果，運(yùn)用朗格繆爾方程計(jì)算。該方法存在煤層原始瓦斯壓力測(cè)定工藝較為復(fù)雜、成本偏高等缺點(diǎn)。間接法測(cè)定時(shí)需實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力，在煤壁中打孔進(jìn)行封孔，但在本煤層封孔時(shí)密封性差，測(cè)定值誤差大。直接法具有操作簡(jiǎn)便、時(shí)間影響小、流程科學(xué)合理等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)定的數(shù)值真實(shí)客觀把握現(xiàn)場(chǎng)安全指標(biāo)需求，因而在條件具備時(shí)首選瓦斯含量直接測(cè)定方法。但是，直接法在保證氣密性方面等不佳。這就要求在工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及操作過程中找出全流程、各步驟影響因素并提出切實(shí)有效的解決措施，提高直接法測(cè)定瓦斯含量的精準(zhǔn)性。

二、 概況

（一）吉寧礦概況

井田位于山西省鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)樊家原村一帶。整合區(qū)地理坐標(biāo)為：東經(jīng)110°33′34″～110°37′46″，北緯35°48′05″～35°50′36″。

井田面積17.6843km2，批準(zhǔn)開采2#～10#煤層，生產(chǎn)規(guī)模為300萬噸/年。整合后井田呈不規(guī)則多邊形，東西長(zhǎng)3.5～6.3km，南北寬2.9～4.7km，面積為17.6843km2。

吉寧礦開采2#、10#煤層（現(xiàn)開采2#煤），2#煤位于山西組中下部，全區(qū)穩(wěn)定可采，上距K8砂巖24.56～45.34m，平均厚度32.47m。煤層厚度5.69～

7.20m，平均厚度6.22m，屬于厚煤層。含0～2層夾矸，一般含一層夾石，夾矸厚度0～0.70m，平均厚度0.36m。頂?shù)装逡话銥槟鄮r或粉砂巖。井田內(nèi)及附近所有鉆孔均見到該煤層，且為厚煤層，厚度變化較大，井田內(nèi)自南向東北厚度逐漸變大，至Jn1-2號(hào)孔厚度最大。該煤層屬于穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。10#煤層位于太原組下段的頂部K2灰?guī)r下，上距2#煤層為35.02～48.70m，平均為43.77m。煤層厚度為0.78～4.05m，平均為2.37m。含0-1層夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。頂板為石灰?guī)r、泥巖，底板為泥巖、鋁質(zhì)泥巖、粉砂巖，屬于全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

（二）2103工作面概況

2103工作面可采走向長(zhǎng)度為1855m，傾斜長(zhǎng)240m，工作面基礎(chǔ)儲(chǔ)量為3873240t，可采儲(chǔ)量為3602113.2t，工作面井下位置北面為未開拓區(qū)域，與F5斷層防隔水煤柱平均相距142m，2103切眼東面平均留設(shè)153m保護(hù)煤柱與天潤(rùn)德通煤礦礦界相隔，南面0～1000m段留設(shè)25m保護(hù)煤柱與已開采的2101工作面相隔，西面為2#回風(fēng)大巷。該工作面煤層整體向北西傾斜，工作面標(biāo)高為275～308m，地面標(biāo)高為587～798m，傾角為-2°～+6°，一般為+2°。工作面內(nèi)2#煤層局部節(jié)理發(fā)育，煤層普氏硬度約為1.6。在煤層中下部夾一層泥巖矸石，厚度0.1～0.3m，煤層厚度變化不大，區(qū)域內(nèi)無河流沖刷帶及巖漿侵入體影響，屬于穩(wěn)定煤層。

2#煤層原始瓦斯含量平均為8.23m3/t，透氣性系數(shù)為0.023008～0.085813m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.059d-1，屬較難抽放煤層。原始瓦斯壓力0.41MPa，煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.61，瓦斯放散初速度8.8mmHg，吸附常數(shù)a值為29.786m3/t、b值為0.651MPa-1。煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量35%。自燃傾向性為自燃，自燃等級(jí)為Ⅱ級(jí)，煤層自燃發(fā)火期3～6個(gè)月。

（三） 2103工作面瓦斯抽采情況

2103膠帶順槽里程200～963m，位于2101膠帶區(qū)域預(yù)抽鉆孔覆蓋范圍內(nèi)，該段預(yù)抽鉆孔間距3m，鉆孔長(zhǎng)度為300m，鉆孔開工日期2013年4月20日，結(jié)束日期2013年8月23日，共施工200個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺49563m，傾角為-5°～+1°，在施工過程中未出現(xiàn)瓦斯、水異常現(xiàn)象。最短預(yù)抽時(shí)間33個(gè)月，累計(jì)抽放量為7068131m?。

2103膠帶順槽本煤層預(yù)抽鉆孔從里程963m開始施工至切眼，鉆孔長(zhǎng)度為260m。鉆孔開工日期2016年11月，結(jié)束日期2017年12月，共計(jì)施工278個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺62030m，傾角從-7°～+7°，在施工過程中未出現(xiàn)瓦斯、水異常現(xiàn)象，累計(jì)抽放量為4492800m?。

2103膠帶順槽本煤層部分鉆孔在施工過程中，遇到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，深度未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此在2103軌道順槽補(bǔ)打鉆孔。鉆孔開工日期為2017年11月，結(jié)束日期為2018年3月，共施工194個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺23346m，鉆孔傾角為-5°～+5°，在施工過程中未出現(xiàn)瓦斯、水異常現(xiàn)象，累計(jì)抽放量為3110400m?。

（四）瓦斯預(yù)抽時(shí)間

2103工作面主要通過施工本煤層鉆孔提前抽采以降低煤體瓦斯含量，輔以高位鉆孔以及上隅角鉆孔，用于回采期間對(duì)采空區(qū)裂隙帶及上隅角瓦斯進(jìn)行抽采，以有效降低工作面瓦斯涌出量，確保安全。

2103工作面本煤層鉆孔于2017年12月施工完畢，抽采濃度平均40%，抽采純量17～14m3/min。按照礦銜接計(jì)劃，2103工作面計(jì)劃在2018年9月份開始初采，本煤層鉆孔最短預(yù)抽時(shí)間在8個(gè)月以上。

三、 工作面瓦斯含量測(cè)定

（一）測(cè)定原理

直接法測(cè)定瓦斯含量是應(yīng)用瓦斯解吸儀測(cè)定煤樣瓦斯解吸量，根據(jù)其解吸規(guī)律和煤樣暴露時(shí)間計(jì)算損失瓦斯量，實(shí)驗(yàn)室得到瓦斯殘存量和粉碎瓦斯解吸量，通過瓦斯解吸量、損失量、粉碎瓦斯解吸量和殘存瓦斯量之和等數(shù)據(jù)得到工作面殘余瓦斯含量。本次測(cè)定使用中煤科工重慶院生產(chǎn)的DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置，主要研究殘余瓦斯含量與鉆孔取樣深度的關(guān)系，其目的是給出解決取樣過程中殘余瓦斯含量的相關(guān)影響因素，為礦井工作面瓦斯抽采達(dá)標(biāo)提供精準(zhǔn)的瓦斯含量參數(shù)。

（二）工作面測(cè)定方法

打鉆：在2103軌道、膠帶巷雙向每隔100m垂直煤壁施工1個(gè)孔徑75mm、孔深12～58m的鉆孔。

采樣：當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)到預(yù)定位置時(shí)，用備好的煤樣罐接取550g煤屑。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定：煤樣取出后，選取煤樣粒徑較大且質(zhì)量大于500g，快速封入煤樣筒并擰緊密封，然后將煤樣筒與瓦斯解吸測(cè)定儀快速連接，開始井下現(xiàn)場(chǎng)瓦斯解析。

井下解吸儀連接前進(jìn)行準(zhǔn)確讀初值，氣體涌出后迅速讀取液面刻度并打開秒表計(jì)時(shí)，并實(shí)施全過程記錄好暴露時(shí)間、解吸時(shí)間，每一個(gè)階段時(shí)間量管讀取相關(guān)必要數(shù)據(jù)。每隔1min讀取量管的1次數(shù)據(jù)，時(shí)間達(dá)到 30min時(shí)停止解吸。解吸完畢后，將煤樣筒密封，待升井時(shí)一同帶入實(shí)驗(yàn)室。

（三）測(cè)定結(jié)果

本次測(cè)定選取了2103工作面共7個(gè)鉆孔測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)孔深均不同，測(cè)定結(jié)果如表1所示。

根據(jù)2103工作面瓦斯含量測(cè)定結(jié)果，繪制了2103工作面各個(gè)鉆孔瓦斯含量與取樣深度擬合曲線、2103工作面瓦斯含量與取樣深度擬合函數(shù)、2103工作面所有鉆孔瓦斯含量與取樣深度擬合曲線，如圖1、表2、圖2所示。

四、不同取樣深度的瓦斯含量分析

通過圖1、圖2可以看出鉆孔孔深最深為58m，但是瓦斯含量值不高。鉆孔取樣深度在12～20m時(shí)，可能由于兩端巷道瓦斯預(yù)排在等值寬度范圍的影響，瓦斯含量較小。深度在20～30m時(shí)，瓦斯含量有增高的趨勢(shì)，但還不是最高。深度在30～40m時(shí)，瓦斯解吸量大，瓦斯含量最高。深度在40～50m和50m～60m時(shí)，隨著取樣深度的增加，風(fēng)排瓦斯大，瓦斯損失大，井下解吸在1～30min內(nèi)瓦斯解吸量小，瓦斯含量有下降的趨勢(shì)。

隨著工作面鉆孔取樣深度的增加，鉆機(jī)在施工鉆孔時(shí)受煤層瓦斯壓力及構(gòu)造煤因素，出現(xiàn)夾鉆、偏移等影響因素，造成取出的煤樣誤差較大。

隨著工作面鉆孔取樣深度的增加，取樣時(shí)間也相應(yīng)增加，煤在長(zhǎng)時(shí)間摩擦下，煤樣的粒度變小或呈粉碎狀，造成殘余瓦斯含量值變小，其結(jié)果不能反映工作面真實(shí)參數(shù)。

五、結(jié)論

測(cè)定結(jié)果表明，吉寧礦2103工作面在殘余瓦斯量煤樣取樣過程中深度在30～40m時(shí)，測(cè)得殘余瓦斯含量曲線結(jié)果達(dá)到最佳值。實(shí)驗(yàn)證明，鉆孔取樣深度在30～40m時(shí)，是取樣鉆孔設(shè)計(jì)合理依據(jù)，也是優(yōu)化取樣鉆孔施工工程量和取樣時(shí)間最優(yōu)措施，成果為礦井采掘工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、瓦斯抽采達(dá)標(biāo)提供了重要的瓦斯治理技術(shù)參數(shù)支撐。

通過對(duì)吉寧礦2103工作面的實(shí)際取樣結(jié)果分析，取樣結(jié)果非常準(zhǔn)確，能夠客觀地反映2103工作面各地點(diǎn)的瓦斯含量情況。在今后吉寧礦的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定及工作面瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判中，能夠?yàn)榈V井節(jié)省大量人力、物力并縮短取樣時(shí)間，確保取樣工作順利開展。

參考文獻(xiàn)：

[1]金新，管強(qiáng)盛.高轉(zhuǎn)速干式螺旋鉆進(jìn)篩管完孔技術(shù)在新景礦瓦斯治理中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2022，41（10）：115-118.

[2]劉程，孫東玲，武文賓，等.我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害超前大區(qū)域精準(zhǔn)防控技術(shù)體系及展望[J].煤田地質(zhì)與勘探，2022，50（08）：82-92.

[3]武沛武.瓦斯抽采鉆孔機(jī)械造穴的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)[J].煤炭科技，2021，42（05）：110-113.

[4]劉巖.高突礦井大采高工作面瓦斯抽采實(shí)踐研究[J].能源與節(jié)能，2022（06）：102-105.