低滲透煤層孔隙結(jié)構(gòu)及瓦斯涌出規(guī)律分析

曹 涵

（潞安環(huán)能股份有限公司王莊煤礦抽采科，山西 長(zhǎng)治 046031）

煤體的孔隙結(jié)構(gòu)是影響瓦斯賦存及滲流特性的主要因素，對(duì)煤層瓦斯的吸附能力具有直接影響。研究瓦斯涌出規(guī)律是制定瓦斯抽放措施的重要依據(jù)，對(duì)瓦斯治理具有重要意義。本文以王莊煤礦9105工作面為例，對(duì)其煤層孔隙結(jié)構(gòu)和瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行研究分析，為工作面瓦斯治理提供依據(jù)。

1 工程概況

王莊煤礦生產(chǎn)能力710萬t/a，主采二疊系3號(hào)煤層，煤層均厚6.7m，屬高瓦斯礦井，主要采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝。9105工作面位于王莊煤礦+540新區(qū)，工作面標(biāo)高377～522m，煤層普式硬度1～3，平均煤厚6.5m，煤層傾角2～12°，可采儲(chǔ)量1000萬t，采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝，采放比1:1.17。工作面設(shè)計(jì)回采長(zhǎng)度3432m，切眼長(zhǎng)度340m，采用全錨網(wǎng)支護(hù)，是王莊煤礦首個(gè)超大型回采工作面，也是王莊煤礦未來發(fā)展銜接的重要工作面。9105工作面特殊性主要體現(xiàn)在：高瓦斯工作面，低滲透煤層，工作面最長(zhǎng)，工作面推進(jìn)度最長(zhǎng)。按照工作面日產(chǎn)量9000t計(jì)算，預(yù)測(cè)開采層瓦斯涌出量34.04m3/min，鄰近層瓦斯涌出量3.46m3/min，采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量約為37.50m3/min。

2 低滲透煤層微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

低滲透煤層的滲透特性研究很大程度上局限于煤層氣儲(chǔ)層瓦斯的滲透特性，即低滲透煤層的滲透特性研究主要是煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的研究，主要包括煤的堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯放散初速度、瓦斯吸附常數(shù)、鉆孔自然瓦斯涌出特征參數(shù)、透氣性系數(shù)、煤層瓦斯壓力和煤的破壞類型等。

（1）在9105工作面運(yùn)巷切眼和+540皮帶大巷取煤樣進(jìn)行測(cè)定，得出煤的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.46和0.44，瓦斯放散初速度Δp為16.16和13.79，瓦斯吸附常數(shù)b為1.230MPa-1，煤層真密度為1.44m3/t，孔隙率為3.47%。

（2）在9105回風(fēng)巷160m處和+540皮帶大巷取煤樣測(cè)定，煤層透氣性系數(shù)分別為1.341m2/(MPa2·d)和 3.354m2/(MPa2·d)。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)考察，9105工作面煤層以硬煤為主，顏色煤樣光澤呈亮與半亮，次生節(jié)理面多，且不規(guī)則，與原生節(jié)理呈網(wǎng)狀節(jié)理，用手極易剝成小塊，中等硬度，破壞類型屬Ⅱ類。

（4）在3號(hào)煤層9105回風(fēng)巷、9105進(jìn)風(fēng)巷、+540皮帶大巷各布置1個(gè)鉆孔，百米鉆孔自然瓦斯流量測(cè)定及計(jì)算結(jié)果顯示，自然瓦斯涌出量衰減系數(shù)分別為0.0438d-1和0.0346d-1和0.0302d-1，百米鉆孔初始瓦斯涌出量分別為0.1118×10-3m3/min·hm、0.0865×10-3m3/min·hm 和 0.0746×10-3m3/min·hm。

（5）煤層瓦斯壓力測(cè)定地點(diǎn)選擇在了煤層較為堅(jiān)硬致密、無斷層、無裂隙的地點(diǎn)，測(cè)定結(jié)果為：9105回風(fēng)巷1430m處為0.34MPa，9105回風(fēng)巷160m處為0.31MPa，+540皮帶大巷為0.33MPa。根據(jù)煤層瓦斯含量、瓦斯吸附常數(shù)、煤質(zhì)分析等參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果，用郎格繆爾間接方法計(jì)算煤層瓦斯壓力顯示，9105回風(fēng)巷160m處瓦斯壓力為0.28MPa，+540皮帶大巷為0.25MPa。

3 工作面瓦斯涌出量

3.1 煤層瓦斯含量

在3號(hào)煤層9105運(yùn)巷切眼、9105回風(fēng)巷和+540皮帶大巷處采集了三個(gè)煤樣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)解析?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的瓦斯含量及煤質(zhì)化驗(yàn)分析結(jié)果見表1。

表1 瓦斯含量及煤質(zhì)化驗(yàn)分析結(jié)果

3.2 煤層瓦斯分布

根據(jù)在9105運(yùn)巷切眼、9105回風(fēng)巷和+540皮帶大巷處采集的三個(gè)煤樣煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，王莊煤礦+540新區(qū)3號(hào)煤層埋深265.45m時(shí)，甲烷成分3.9%，氮?dú)獬煞诌_(dá)到86.82%；埋深在328.12m處，甲烷成分達(dá)到80.12%，氮?dú)獬煞譃?8.68%。可以推斷出煤層埋深265.45m時(shí)處于瓦斯風(fēng)化帶，埋深328.12m時(shí)處于甲烷帶，而按照已有瓦斯含量與埋深關(guān)系曲線推斷，煤層埋深大于296.6m區(qū)域?qū)偌淄閹?，其上均為瓦斯風(fēng)化帶。

3.3 工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

本次礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)選用分源預(yù)測(cè)法，9105工作面采用全部垮落法管理頂板，工作面日產(chǎn)量為5727t，根據(jù)已有瓦斯含量等值線圖，該區(qū)域煤層瓦斯含量最大值為10m3/t?；夭晒ぷ髅嫱咚箒碓窗ㄩ_采層瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出兩類。

（1）開采層瓦斯涌出量計(jì)算：

【11】呂天成《曲品》，見中國(guó)戲曲研究院編《中國(guó)古典戲曲論著集成（六）》，中國(guó)戲劇出版社1959年版，第230頁(yè)。

其中：

q1-開采煤層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；

K1-圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取值1.3；

K2-工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，取值1.18；

K3-采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù)，取值0.81；

m-開采層厚度，取6.82m；

M-工作面采高，取6.82m；

W0-煤層瓦斯含量，取最大值，10m3/t；

經(jīng)過計(jì)算，9105工作面開采層瓦斯相對(duì)涌出量為8.08m3/t。

（2）鄰近層瓦斯涌出量

其中：

q2-鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；

mi-第i個(gè)鄰近層煤層厚度，m；

ηi-第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率，%；

Woi-第i個(gè)鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；

Wci-第i個(gè)鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t，參考3號(hào)煤層取3.12m3/t。

經(jīng)過計(jì)算，9105工作面鄰近層瓦斯相對(duì)涌出量為0.87m3/t。

綜上所述，9105工作面瓦斯涌出量預(yù)計(jì)結(jié)果為：相對(duì)瓦斯涌出量為8.95m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為37.50m3/min。其中開采層瓦斯涌出量約占整個(gè)回采工作面瓦斯涌出的90.3%，在鄰近層瓦斯涌出量中，上鄰近層瓦斯涌出約占整個(gè)鄰近層瓦斯涌出的35%，下鄰近層占65%。

4 結(jié)論

通過對(duì)9105工作面煤層孔隙結(jié)構(gòu)和瓦斯賦存和涌出規(guī)律進(jìn)行分析，為后續(xù)9105工作面設(shè)計(jì)及低滲透煤層瓦斯綜合治理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。按照分析結(jié)果，9105工作面最終選擇采用U+高抽巷通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽排，高抽巷層位選擇距離煤層頂板10～15m垂距，距離回風(fēng)巷水平距離12～16m。9105工作面高抽巷在2016年～2018年8月份瓦斯抽采數(shù)據(jù)，最低抽采瓦斯?jié)舛仁?.4%，最高抽采瓦斯?jié)舛仁?5.6%，平均抽采瓦斯?jié)舛仁?2.2%，上隅角瓦斯平均濃度是0.69%，回風(fēng)流每日瓦斯?jié)舛绕骄?.6%，最大值0.75%，無瓦斯超限現(xiàn)象。