裴韶華， 劉 碩

（1.太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 山西 太原 030006；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

引言

瓦斯作為成煤過(guò)程中的產(chǎn)物，是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，當(dāng)其達(dá)到一定的濃度后會(huì)使人因缺氧而死亡，因此瓦斯已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)的最主要問(wèn)題。目前，瓦斯事故仍然是我國(guó)每年傷亡人數(shù)最多、經(jīng)濟(jì)虧損最大以及突發(fā)頻率較高的煤礦劣性事件，不僅給各礦帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，對(duì)主體企業(yè)的社會(huì)形象也造成了不好的影響，因此各煤礦加大安全投入和加強(qiáng)瓦斯治理力度是確保各礦井可以安全高效產(chǎn)煤的基礎(chǔ)[1-2]。

瓦斯的治理及預(yù)防是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)中及其重要的內(nèi)容之一。準(zhǔn)確的測(cè)定礦井煤層瓦斯含量，預(yù)測(cè)瓦斯分布規(guī)律，是降低瓦斯事故發(fā)生率的基礎(chǔ)[3-5]。本文采用鉆孔煤屑解析法對(duì)山西某礦5號(hào)煤層瓦斯含量進(jìn)行了測(cè)定，以此為基礎(chǔ)對(duì)煤層瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行了研究，從而為之后瓦斯抽采措施的制定提供了事實(shí)依據(jù)。

1 工程背景

山西某礦礦井瓦斯絕對(duì)涌出量為1.70 m3/min，相對(duì)涌出量為4.30 m3/t，為低瓦斯礦井。目前礦井主采煤層為5號(hào)煤層，煤層平均厚度12.27 m，一般含2～5層夾矸，局部含有6～8層厚的夾矸，煤層的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜多樣，屬于全區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的可以開(kāi)采的煤層。

礦井采用中央分列式通風(fēng)系統(tǒng)。即礦井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)的副斜井為主要進(jìn)風(fēng)，主斜井為輔助進(jìn)風(fēng)，工業(yè)場(chǎng)地外的西部設(shè)有回風(fēng)斜井進(jìn)行回風(fēng)；該礦通風(fēng)的方式為壓入式通風(fēng)。新鮮風(fēng)流通過(guò)主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，進(jìn)而經(jīng)過(guò)軌道大巷和皮帶大巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)大巷作為專(zhuān)門(mén)回風(fēng)大巷，盤(pán)區(qū)內(nèi)采煤工作面的運(yùn)輸巷作為進(jìn)風(fēng)順槽，回風(fēng)巷則對(duì)應(yīng)作為回風(fēng)順槽。采用一進(jìn)一回的通風(fēng)方式，各煤層和各盤(pán)區(qū)的乏風(fēng)然后經(jīng)過(guò)回風(fēng)大巷排至總回風(fēng)巷，進(jìn)而通過(guò)回風(fēng)斜井最終排至地面。

2 瓦斯含量測(cè)定研究

2.1 瓦斯含量測(cè)定

本次利用鉆孔煤屑解析法進(jìn)行測(cè)定，該測(cè)定方法的步驟如下。

1）在已經(jīng)裸露掘進(jìn)作業(yè)空間或者回采作業(yè)空間煤壁上，打設(shè)直徑為42 mm、深20 m的鉆孔，鉆至20 m時(shí)采集樣本，同時(shí)把此時(shí)的時(shí)間記錄為t1。

2）把所收集的樣品放入罐中，同時(shí)記錄下樣品的初始解析時(shí)間t2，此處采用FHJ-2型號(hào)的解析速率監(jiān)測(cè)儀，如下頁(yè)圖1所示，監(jiān)測(cè)記錄樣品的累積瓦斯解析總量在不同的時(shí)間t下的值Vi，監(jiān)測(cè)時(shí)間通常2h，解析測(cè)定完畢結(jié)束將樣品罐擰緊以防泄露，移送到室內(nèi)進(jìn)行殘留瓦絲量測(cè)定。

3）損失量計(jì)算。把不同時(shí)間段內(nèi)的解析檢測(cè)結(jié)果依照下式折換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積V0i：

式中：V0i為解析瓦斯體積，mL；Vi為不同階段內(nèi)瓦斯的解析量，mL；P0為大氣壓力，Pa；hw為測(cè)管內(nèi)水柱高度，mm；Ps為下飽和水蒸汽壓力，Pa；tw為測(cè)管內(nèi)水溫，℃。將[（t0+t）0.5，V0i]表達(dá)在二維坐標(biāo)圖中，則該曲線同縱坐標(biāo)軸相交點(diǎn)的值，就是樣品中瓦斯損失量，如圖2所示。

4）把檢測(cè)后殘留樣品以及試管一并進(jìn)行室內(nèi)的殘留瓦斯、灰分、水分的測(cè)定。

5）依照樣品瓦斯的散耗值、解析值、殘留值以及可燃質(zhì)的質(zhì)量，可以得到樣品中瓦斯含量：

式中：V0為標(biāo)準(zhǔn)狀況時(shí)樣品瓦斯解吸值，mL；V1為標(biāo)準(zhǔn)狀況時(shí)樣品損失瓦斯值，mL；V2為標(biāo)準(zhǔn)狀況時(shí)樣品殘留瓦斯量，mL；G0為樣品可燃質(zhì)的質(zhì)量，g；W為樣品可燃質(zhì)瓦斯含量，mL/g。

原先煤體樣品中的瓦斯含量依照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：W0為原始煤體樣品的瓦斯含量，mL/g；Aad為煤中的灰分，%；Mad為煤中的水分，%。

圖1 瓦斯解析設(shè)備示意圖

圖2 不同時(shí)間下瓦斯解析體積量

2.2 瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

對(duì)該井田內(nèi)地勘鉆孔瓦斯含量測(cè)值進(jìn)行分析可知：各鉆孔煤樣灰分實(shí)驗(yàn)室測(cè)值為8.37%～20.12%，均小于40%；現(xiàn)場(chǎng)采取煤樣裝入密封罐后送實(shí)驗(yàn)室無(wú)漏氣現(xiàn)象且鉆孔位置附近無(wú)較大構(gòu)造。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有的地勘解吸法測(cè)定煤層瓦斯含量，存在著鉆孔取樣深度越大，煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)值越低的問(wèn)題。另外，由于取樣過(guò)程中的煤樣樣品質(zhì)量、密封效果和含量測(cè)定方法等原因，地勘鉆孔測(cè)定的煤層瓦斯含量往往較煤層的真實(shí)瓦斯含量值小。因此，在利用地勘瓦斯含量時(shí)，為減小誤差，應(yīng)對(duì)煤樣進(jìn)行測(cè)值校正，5號(hào)煤層運(yùn)輸巷掘進(jìn)處實(shí)測(cè)值（埋深為125 m，瓦斯含量為1.34 m3/t）與鉆孔補(bǔ)4（埋深為 121.48 m，瓦斯含量為 0.68 m3/t），鉆孔 Z301（埋深為125.01 m，瓦斯含量為0.73 m3/t）位置相近，也無(wú)構(gòu)造隔開(kāi)，同屬一個(gè)瓦斯單元，對(duì)比得校正系數(shù)K分別為 1.97、1.84，這里取 1.97。

3 煤層瓦斯含量分布規(guī)律

煤層瓦斯含量會(huì)由于井田地質(zhì)因素不同而不同，地質(zhì)因素其中包括煤層埋深、煤的質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)造、煤層頂?shù)装鍘r性以及煤的物理化學(xué)性質(zhì)等等。

根據(jù)在該礦井井下實(shí)測(cè)和鉆孔瓦斯含量數(shù)據(jù)，對(duì)5號(hào)煤層的瓦斯含量分布規(guī)律進(jìn)行分析。

對(duì)上述瓦斯測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析，得知5號(hào)煤層的瓦斯含量會(huì)隨著煤層埋深的增加而呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，通過(guò)線性回歸，得出瓦斯含量分布規(guī)律如下。

1）5號(hào)煤層的瓦斯含量會(huì)隨著煤層埋深的增加而加大，它們兩者之間遵循的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如下：

式中：W為煤層瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋藏深度，m。

2）5號(hào)煤層甲烷組分為15.58%～25.43%，二氧化碳組分為3.56%～21.69%，氮?dú)饨M分為50.36%～79.98%，推斷5號(hào)煤層處于氮?dú)鈳А⒌獨(dú)鈳?甲烷帶。

3）5號(hào)煤體中所含瓦斯含量的增長(zhǎng)梯度為0.62 m3/（t·100 m）。

4）5煤層中瓦斯的含量分布規(guī)律：整個(gè)井田的南部區(qū)域煤體中所含瓦斯量值小，在1.4 m3/t以下。中部區(qū)域以及東北部區(qū)域所含瓦斯量值比南部區(qū)域大，在1.8～2.2 m3/t之間；最大值為2.2 m3/t。

4 結(jié)論

本文采用鉆孔煤屑解析法，在山西某礦現(xiàn)有開(kāi)采區(qū)域瓦斯進(jìn)行測(cè)定，具體結(jié)論主要如下。

1）影響5號(hào)煤層的瓦斯含量的主要因素為埋深，煤層中瓦斯含量會(huì)隨著煤層埋深的增加而加大，埋深每增加100 m，瓦斯含量增加0.62 m3/t。

2）5號(hào)煤層瓦斯含量中甲烷占比較高，為15.58%～25.43%，其次為二氧化碳和氮?dú)?，因此判斷該煤層處于氮?dú)鈳А⒌獨(dú)鈳?甲烷帶。

3）煤層瓦斯含量在井田內(nèi)的分布自南向北逐漸增大，瓦斯含量最大為2.2 m3/t。