紀(jì)發(fā)波 李紅祥 王勝利 常宏

摘 要：為防治煤礦瓦斯事故，本文分析了六盤水礦區(qū)煤層的“三軟”特征，以某煤礦為工程背景，開展了巖石力學(xué)實驗，分析了瓦斯參數(shù)變化特征，結(jié)果表明，煤層中的瓦斯壓力與鉆孔半徑成正比，與抽采時間成反比。

關(guān)鍵詞：六盤水;“三軟”煤層;瓦斯參數(shù)

1、引言

眾所周知，貴州省礦區(qū)普遍存在“三軟”煤層，煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的數(shù)量及傷亡人數(shù)在全國瓦斯事故中均處于前列，是我國煤礦瓦斯災(zāi)害防治的重點(diǎn)區(qū)域。六盤水礦區(qū)煤炭產(chǎn)量占全省1/3以上，煤炭企業(yè)稅收占全市財政稅收的25%左右，煤炭產(chǎn)業(yè)是六盤水市名副其實的支柱產(chǎn)業(yè)。但近年來，瓦斯事故仍然頻發(fā)，如2018年盤州市松河煤礦、梓木嘎煤礦先后發(fā)生煤與瓦斯突出事故，造成了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。國家安監(jiān)總局領(lǐng)導(dǎo)及六盤水市李恒超副市長均提出，要立足六盤水市煤層賦存情況和生產(chǎn)技術(shù)條件，探究瓦斯事故根源，遏制重特大事故的發(fā)生，解決當(dāng)前迫切的安全形勢。因此，本文根據(jù)六盤水礦區(qū)“三軟”煤層的特殊賦存特征，對瓦斯參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究，從而為六盤水礦區(qū)瓦斯防治提供一定的借鑒。

2、六盤水礦區(qū)“三軟”煤層特征

六盤水礦區(qū)為典型峰叢地貌，受滑動構(gòu)造和高地應(yīng)力影響，煤體多為鱗片狀或糜棱狀等情況，有一定的流變現(xiàn)象，整體上強(qiáng)度均比較低。且受斷層、褶皺和構(gòu)造盆地影響，煤層厚度不穩(wěn)定，尖滅、厚薄不均的現(xiàn)象比較明顯，導(dǎo)致瓦斯賦存也不均衡，瓦斯壓力、瓦斯含量變化較大。同時，煤層的透氣性交叉，瓦斯表現(xiàn)為吸著狀態(tài)，吸附能力強(qiáng)。由于煤礦生產(chǎn)規(guī)模不斷加大，礦井逐步轉(zhuǎn)入深部開采，瓦斯壓力普遍增大。在較高的煤巷掘進(jìn)速度下，瓦斯放散速度有所提高，容易引發(fā)煤與瓦斯突出事故。

項目組對六盤水礦區(qū)某煤礦頂?shù)装暹M(jìn)行取樣，測試了圍巖物理力學(xué)性能，結(jié)果如表1所示。需要說明的是，由于巷道圍巖受高應(yīng)力影響，節(jié)理、裂隙發(fā)育廣泛，取樣數(shù)量有限，制成巖心只有11組，且個別試件并非標(biāo)準(zhǔn)巖樣。

另外，項目組也對該礦的瓦斯地質(zhì)資料進(jìn)行了分析，現(xiàn)場觀測了煤體的破壞類型，采取煤巖樣在實驗室內(nèi)對煤的瓦斯放散初速度和堅固性系數(shù)進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，該礦主采煤層受地質(zhì)構(gòu)造影響顯著，原生結(jié)構(gòu)及其特征已不存在，煤體大多呈粉狀及粉泥狀，是以糜棱煤為主的構(gòu)造煤，煤的強(qiáng)度極低，手捻即碎，容易發(fā)生煤與瓦斯突出;實驗室測得煤的硬度較低，普氏硬度系數(shù)f值在0.14～0.27之間，而實驗室測得煤的瓦斯放散初速度Δp值則在19.5～35.4之間;在掘進(jìn)工作面現(xiàn)場測得的煤體瓦斯含量為7.76～14.01m3/t，平均9.52m3/t，瓦斯壓力0.21～1.12MPa，平均0.68MPa。

3、瓦斯參數(shù)變化特征分析

瓦斯壓力場方程是確定瓦斯壓力和分析瓦斯分布規(guī)律的理論技術(shù)基礎(chǔ)，并且對于煤礦瓦斯防治具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量深入的研究工作，孫銳、王兆豐等（2010）建立了有限流場的瓦斯流動理論方程，并求出了該方程的解析解，推導(dǎo)出了中間煤柱的瓦斯壓力分布計算式;楊寧波等（2010）以達(dá)西定律和煤層瓦斯流動理論假設(shè)為基礎(chǔ)，運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，建立了鉆孔周圍煤體瓦斯流動的數(shù)學(xué)模型，得到了鉆孔周圍瓦斯流動的方程及其定解條件。

項目組上述煤礦收集了垂直于煤層的兩個抽放鉆孔的數(shù)據(jù)，并利用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖1所示。擬合后的函數(shù)分別為：

是鉆孔中瓦斯的質(zhì)量-體積濃度，即：單位體積氣體中瓦斯的質(zhì)量數(shù)，g/m3，是關(guān)于時間t的函數(shù)。

煤層中徑向不穩(wěn)定流的瓦斯壓力場方程可表示為：

由上述公式可以看出，煤層中瓦斯壓力與鉆孔半徑成正比，與時間成反比。在應(yīng)力增高區(qū)，會出現(xiàn)瓦斯壓力異常現(xiàn)象。經(jīng)過同理分析可知，鉆孔瓦斯涌出初速度、綜放工作面前方支承應(yīng)力、瓦斯涌出量及掘進(jìn)工作面前方的瓦斯壓力關(guān)于時間或距離的曲線具有相同的變化趨勢，它們可以用同一類型的方程進(jìn)行描述。

4、小結(jié)

本文分析了六盤水礦區(qū)“三軟”煤層的特征，并基于此運(yùn)用理論分析和軟件擬合的方法構(gòu)建了單一巷道（鉆孔）的瓦斯壓力場方程，對于不穩(wěn)定流，鉆孔中瓦斯的質(zhì)量濃度函數(shù)為指數(shù)函數(shù)，并且瓦斯壓力與半徑成正比，與時間成反比。

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作者簡介：

紀(jì)發(fā)波（1996.11-），男，貴州六盤水人，本科在讀，主要從事采礦工程方面的學(xué)習(xí)和研究工作

項目基金：六盤水師范學(xué)院大學(xué)生項目（LPSSYDXS19110）

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院? 貴州? ?六盤水? ?553004）