四棵樹二號井煤層瓦斯賦存及涌出規律研究

王正帥，楊 周

（1.中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037;2.烏蘇四棵樹煤炭有限責任公司，新疆 維吾爾 833300）

0 引 言

新疆煤炭資源豐富，預測資源量2.19 萬億t，居全國之首[1]。近年來煤炭產量逐漸提升，已居全國第四，2021 年原煤產量3.19 億t。已逐漸由低強度開發向高強度開發轉變，由淺埋深向大埋深轉變，由機械化向智能化轉變，但不利的是近些年很多礦井瓦斯等級提高，由低瓦斯升級為高瓦斯、高瓦斯升級為突出礦井，甚至個別礦井在兩三年內由低瓦斯升級為了突出礦井。艾維爾溝[2-4]、庫拜[5]等礦區瓦斯災害已成為制約安全生產的第一災害。其他礦區瓦斯災害也日漸突顯，普通鉆孔抽采[6]、定向長鉆孔抽采[7]、地面井抽采[8]、水力化增透措施[9-10]等也逐漸得到引進與應用。

但目前不少礦井仍存在瓦斯基本參數不全、瓦斯賦存規律不清、瓦斯涌出規律不明，低瓦斯、高瓦斯礦井瓦斯超限時常發生。本文對四棵樹二號井A5 煤層的瓦斯氣體組分進行測試確定了瓦斯分帶，測定了原始瓦斯壓力和瓦斯含量，現場考察研究了工作面產量和風量對工作面絕對瓦斯涌出量、上隅角瓦斯濃度及回風流瓦斯濃度的影響，為礦井掌握煤層瓦斯賦存及涌出規律，制定瓦斯治理和管理措施、確定生產任務提供參考。

1 礦井概況

四棵樹煤炭公司二號井位于烏蘇市西南約41 km，屬烏蘇市吉爾格勒特蒙古自治鄉管轄，交通較為便利。井田走向長1 200～2 000 m，寬600～800 m，面積1.175 4 km2。井田含煤地層為下侏羅統八道灣組（J1b），共含煤3 層，自上而下編號為A5、A4、A3，平均可采總厚度為8.64 m。A5 煤層為厚—特厚煤層，是井田內主采煤層，煤厚3.4～5.4 m，平均厚度為4.39 m，為較穩定煤層。礦井采用斜井開拓單水平（+1 170 m）上下山開采，采區在A5 煤層中布置了3 條下山，上山階段垂高約180 m，下山階段垂高約49 m。

A5 煤層呈黑色，條痕顯黑色—褐黑色，條帶狀結構，煤的容重A5 為1.33 t/m3，屬長焰煤，屬特低灰—中灰、特低磷—中磷、特低硫、高熔灰分、中高強度富油—高油煤，是良好的工業動力用煤，也是較好的煉油煤和氣化用煤。煤塵具有爆炸性。煤層自燃傾向性為易—很易自燃。

2 瓦斯賦存規律

研究區域為二號井A5 煤層的未采范圍，其范圍為走向上西以A5 煤層停采線為界，東以井田邊界為界；傾向范圍為+1 170～+1 130 m，距地表深度約300～400 m，該范圍北部、西部、南部均為采空區，研究區域如圖1 中虛線所示。

圖1 研究區域及瓦斯含量、壓力、氣樣測點示意Fig.1 Research area and gas content,pressure,gas sample measuring point diagram

2.1 瓦斯氣體組分與瓦斯分帶

根據煤化過程生成瓦斯特點，煤層瓦斯組分沿賦存深度表現為帶狀分布。煤層瓦斯自上向下分為4 個帶：CO2-N2帶、N2帶、N2-CH4帶、CH4帶。其中，前3 個帶通常稱為瓦斯風化帶，各瓦斯分帶依據氣體組分的劃分標準見表1。

表1 煤層瓦斯垂向各帶主要氣體組分Table 1 Main gas components in vertical zones of coal seam gas

采集3 個A5 煤層氣樣，其采集方法為施工上向鉆孔，并于鉆孔底部抽取氣樣。施工地點為A508 軌道順槽里程約350 m、A508 運輸順槽里程約290 m、A507 運輸順槽里程約190 m 處，具體位置如圖1 所示。鉆孔施工完畢后立即送入鐵管（管內固定膠皮管）至孔底，并用聚氨酯封孔8 m；然后用抽氣泵將孔內氣體抽出采樣并送實驗室測定氣體組分，其測定結果見表2。根據實驗室測定數據，氣體組成中CO2小于10%、N2介于20%～80%、CH4介于20%～ 80%。因此，研究區域A5煤層瓦斯分帶屬于N2-CH4帶。

表2 A5 煤層瓦斯氣樣組分Table 2 Gas sample components of A5 coal seam

2.2 瓦斯參數賦存規律

2.2.1 瓦斯壓力

對研究區域內A5 煤層進行了瓦斯壓力測定，在選擇測壓孔位置時，避開了斷層、地質構造裂隙帶、采動、瓦斯抽采及其他人為卸壓等影響范圍，并保證測壓鉆孔與上述影響范圍間距不小于50 m。同一地點設2 個測壓鉆孔，2 個鉆孔見煤點或者測壓氣室的距離應大于20 m。鉆孔布置如圖1 所示，測壓情況見表3。

表3 瓦斯壓力測定結果Table 3 Gas pressure measurement results

瓦斯壓力測定結束后，拆卸壓力表時5-1 鉆孔內有水涌出且拆表后數天有水流出，5-2 鉆孔無水涌出，5-1 和5-2 號鉆孔測壓室較近，分析認為5-1 號鉆孔見頂板含水層。鉆孔5-2 封孔效果較好，封孔長度滿足要求。綜合分析后取5-2 號鉆孔壓力（0.62 MPa）為該測點煤層瓦斯壓力。

2.2.2 瓦斯含量

對研究區域內A5 煤層進行瓦斯含量測定，其鉆孔布置如圖1 所示，測定結果見表4。A5 煤層最大原始瓦斯含量2.72 m3/t，可解吸瓦斯含量最大2.28 m3/t。

表4 瓦斯含量測定結果Table 4 Determination results of gas content

2.3 瓦斯涌出規律分析

采煤工作面為A507 綜放采煤工作面，其采煤方法為走向長壁后退式綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板。考察研究期為80 d，期間內采煤過程中每天3 個班分別統計監測統計工作面產量、工作面風量、工作面絕對瓦斯涌出量、上隅角瓦斯濃度、回風流瓦斯濃度情況。工作面每班產量共設計4 個區間，其中，第一區間300 t 左右，第二區間600 t 左右，第三區間700 t 左右，第四區間900 t 左右，每個區間大約生產15～20 d。

對統計的數據進行分析，得到工作面絕對瓦斯涌出量與班產量的關系，如圖2 所示，工作面絕對瓦斯涌出量為1.12～8.48 m3/min，最大值是最小值的約8 倍，反映出工作面瓦斯賦存不均勻，存在局部異常區域，但整體上呈現出工作面產量越大工作面絕對瓦斯涌出量越大的規律，較大的幾個絕對瓦斯涌出量均出現在班產量900 t 左右時。同時得出，工作面絕對瓦斯涌出量5 m3/min 對應的班產量約為600 t，其日產量約為1 800 t。

圖3 為上隅角瓦斯濃度與班產量的關系，當工作面班產量超過605 t 時易出現上隅角超限，監測期間的5 次超限均發生在班產量605 t 以上，班產量290～ 370 t（第一區間）時，上隅角瓦斯濃度0.1%～0.58%；班產量545～625 t（第二區間）時，上隅角瓦斯濃度0.16%～1.29%；班產量695～790 t（第三區間）時，上隅角瓦斯濃度0.19%～1.06%；班產量825～905 t（第四區間）時，上隅角瓦斯濃度0.25%～1.51%。整體上呈現上隅角瓦斯濃度隨日產量增加而增大的規律，而且產量越大上隅角瓦斯濃度分布越發散，越不易控制。

圖3 A507 采煤工作面上隅角瓦斯濃度與產量Fig.3 Gas concentration and yield in upper corner of A507 coal mining face

圖4 為回風流瓦斯濃度與班產量的關系，產量由第一區間提高到第四區間時，回風流最小瓦斯濃度從0.08%增加到了0.16%，其中第一區間到第二區間增幅最大，此后雖最小瓦斯濃度仍有增大，但增加幅度不大，具體見表5。

表5 不同產量區間瓦斯濃度Table 5 Gas concentration in different production intervals

圖4 A507 采煤工作面回風流瓦斯濃度與產量Fig.4 Gas concentration and yield of return air flowin A507 coal mining face

圖5 為工作面絕對瓦斯涌出量與工作面風量的關系，工作面回采期間風量控制較穩定，基本在892～912 m3/min。從圖5 也可以看出風量基本穩定的情況下，工作面的絕對瓦斯涌出量差別很大，如風量892 m3/min 時，絕對瓦斯涌出量最小為3.39 m3/min，最大為7.94 m3/min；風量908 m3/min 時，絕對瓦斯涌出量最小為2.92 m3/min，最大為8.48 m3/min，相差近3 倍，同樣說明工作面瓦斯賦存不穩定、差異較大。另外，隨著風量的變化絕對瓦斯涌出量沒有呈現出規律性變化，也說明風量對工作面絕對瓦斯涌出量不構成影響。

圖5 A507 采煤工作面絕對瓦斯涌出量與風量Fig.5 Absolute gas emission and air volume of A507 coal mining face

3 結 論

（1）A5 煤層瓦斯氣體組成中CO2小于10%、N2介于20%～ 80%、CH4介于20%～ 80%，A5 煤層瓦斯分帶屬于N2-CH4帶。

（2）研究區域內A5 煤層最大相對瓦斯壓力0.62 MPa，最大原始瓦斯含量2.72 m3/t，最大可解吸瓦斯含量2.28 m3/t。

（3）區域內瓦斯賦存不穩定、差異較大，存在局部異常區，工作面絕對瓦斯涌出量及上隅角瓦斯濃度整體上呈現出隨產量增加而增大的規律，工作面絕對瓦斯涌出量5 m3/min 對應的班產量約為600 t，產量越大上隅角瓦斯濃度分布約發散，越不易控制。

（4）回風流瓦斯濃度隨班產量從300 t 左右提升至600 t 左右時增加幅度較大，但從600 t 左右提升到900 t 左右時增加不明顯。工作面絕對瓦斯涌出量差別很大，但風量對其不構成影響。