王 熠

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053）

我國煤層埋藏較深，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤與瓦斯突出問題嚴(yán)重，特別是松軟煤層的吸附性、透氣性較差，導(dǎo)致瓦斯抽采困難。隨著礦井采掘深度的不斷延伸，開采強(qiáng)度的不斷增加，淺部資源日益減少，深部開采礦井?dāng)?shù)量逐漸增多，瓦斯突出成為制約礦井安全生產(chǎn)的重要難題。為了對煤礦瓦斯進(jìn)行及時抽排，我國眾多學(xué)者對瓦斯覆存規(guī)律進(jìn)行研究，此前王彥凱、趙興超[1]對煤層的瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行研究，根據(jù)現(xiàn)場實測瓦斯數(shù)據(jù)，給出了影響瓦斯賦存的因素，并構(gòu)建了煤層瓦斯壓力的預(yù)測方程，為煤礦防治瓦斯提供了依據(jù)。蘭玉海、李青松[2]通過分析現(xiàn)采煤層瓦斯賦存規(guī)律，并給出了區(qū)域防突措施的設(shè)計。經(jīng)過驗證表明，相鄰工作面瓦斯含量變化規(guī)律類似，呈現(xiàn)出在停采線至切眼走向平均值上下起伏，但總體呈下降趨勢。本文以鎮(zhèn)城底礦22603 工作面為工程背景，對煤層瓦斯覆存規(guī)律及防突技術(shù)進(jìn)行研究，為礦井瓦斯治理提供參考。

1 礦井概況

鎮(zhèn)城底礦位于西山煤電西北部，井田占地面積約16.63 km2，年設(shè)計生產(chǎn)能力為190 萬t?，F(xiàn)在主要開采3 號煤，煤厚1.65 m，煤層傾角3.0°～12.0°，平均5.0°；煤層頂、底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖。礦井田結(jié)構(gòu)相對簡單，主要構(gòu)造形式為單斜延伸構(gòu)造，井田的地層坡度均值在5.0°左右。22603 工作面現(xiàn)主要開采太原組3 號煤層，煤層厚度3.2～15.7 m，煤層的平均厚度為9.1 m。鎮(zhèn)城底礦屬于低瓦斯礦井，隨著采掘深度的不斷延伸，開采強(qiáng)度的加大，開采的煤層逐步出現(xiàn)了高瓦斯區(qū)域，采前預(yù)抽效果不理想。為此，對煤層瓦斯覆存規(guī)律及防突技術(shù)進(jìn)行研究非常重要。

2 礦井瓦斯覆存規(guī)律研究

影響瓦斯覆存的因素有許多，首先是地質(zhì)條件會直接影響瓦斯的覆存規(guī)律，再者就是褶曲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在高應(yīng)力或者高氣壓的區(qū)域形成的，由于其變形較大，釋放的能量也多，使得瓦斯含量在褶曲區(qū)域內(nèi)較高。當(dāng)煤層存在斷層時，由于斷層的存在使得瓦斯能夠較好地擴(kuò)散，此時煤層的瓦斯?jié)舛群肯鄬^低。

頂板物理特性對瓦斯的覆存也十分重要，當(dāng)煤層頂板多為高滲透性巖體時，此時瓦斯的運移擴(kuò)散效果極佳，瓦斯含量相對較低，而當(dāng)巷道頂板巖層屬于低滲透性巖體時，此時由于瓦斯擴(kuò)散十分困難，使得瓦斯聚集現(xiàn)象嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，3 號煤層的頂板為泥巖，其對瓦斯覆存影響較小。

瓦斯含量與巷道頂板的厚度有著直接的關(guān)系，巷道頂板越厚，巷道的瓦斯含量越高，擬合曲線類似于直線。同樣，鎮(zhèn)城底礦3 號煤層的巷道頂板越厚，此時巷道頂板的瓦斯含量越高，由此可以看出，3 號煤層頂板厚度與瓦斯含量有著密切的關(guān)系。對影響瓦斯覆存的主要因素進(jìn)行分析，選定灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn)行研究，灰色關(guān)聯(lián)理論是根據(jù)各自因素間的差異及相似程度而給出的關(guān)系方法，當(dāng)不同因素的變化趨勢類似時關(guān)聯(lián)度高，當(dāng)變化趨勢不一致時則相反。進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時，首先對分析數(shù)列進(jìn)行確定，分析數(shù)列包括煤層的埋深、煤層的厚度、覆巖的厚度、砂巖的厚度，通過對比分析數(shù)列與比較數(shù)列的差值，從而給出各因素影響程度。完成分析數(shù)列的建立后，對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行設(shè)置，這里僅選定6 組鉆孔進(jìn)行檢測，所以矩陣為6 階矩陣。對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量鋼化處理后，計算差值矩陣和最值，最后計算灰色關(guān)聯(lián)度，根據(jù)計算，煤層瓦斯影響因子檢測數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 煤層瓦斯影響因子檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)檢測樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，利用matla 軟件進(jìn)行矩陣的計算，從而給出不同影響因素的關(guān)聯(lián)度，灰色關(guān)聯(lián)度值如表2 所示。

表2 灰色關(guān)聯(lián)度表

從表2 可以看出，四種影響因素中，對瓦斯覆存影響最大的為覆巖的厚度，而煤層厚度及煤層埋深對鎮(zhèn)城底礦瓦斯覆存影響差距不大，對瓦斯覆存影響最小的因素為砂巖厚度，所以在進(jìn)行防突設(shè)計時，可充分對覆巖厚度、煤層厚度進(jìn)行防突設(shè)計，以保證鎮(zhèn)城底礦3 號煤層的正常開采[3]。

22603 工作面所開采的3 號煤層瓦斯壓力大、含量高，在收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行防突治理研究，對瓦斯的運移情況進(jìn)行研究，利用COMSOL 軟件進(jìn)行模擬，首先建立長×寬×高為10 m×10 m×7 m 的模型，在模型中心布置鉆孔，對模型進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定，材料的彈性模量為3.5 MPa，初始瓦斯壓力為1 MPa，將煤巖的密度設(shè)定為1 360 kg/m3，泊松比為0.32，完成設(shè)定后對模型進(jìn)行計算，給出100 d 時瓦斯壓力的切面圖，如圖1 所示。

圖1 瓦斯壓力的切面圖

由圖1 可知，瓦斯壓力沿著鉆孔中心軸向外呈現(xiàn)增大的趨勢，在鉆孔中心軸附近瓦斯壓力最小，壓力最大值為0.52 MPa，隨著距中心鉆孔距離的增加，瓦斯壓力呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，瓦斯壓力值由小變大，這是由于瓦斯由模型四周擴(kuò)散至鉆孔周邊，使得鉆孔附近瓦斯壓力降低[4]。

3 瓦斯防突技術(shù)研究

現(xiàn)階段，礦井防突技術(shù)有煤層保護(hù)層開采技術(shù)和鉆孔抽采瓦斯技術(shù)，鎮(zhèn)城底礦選定鉆孔預(yù)抽采技術(shù)。在工作面距離煤層20 m 的位置布置底板巖巷，在底板巖巷上布置鉆場，鉆場間距為40 m，在每個鉆場上布置穿層鉆孔來對巷道的瓦斯進(jìn)行抽采，鉆孔的直徑為94 mm，鉆孔的封孔深度為12 m，鉆孔間距為6 m×6 m，對鉆孔的瓦斯進(jìn)行抽采，鉆場的抽采參數(shù)變化趨勢圖如圖2 所示。

圖2 鉆場抽采參數(shù)變化曲線圖

由圖2 可知，在鉆場瓦斯抽采期間，隨著工作面的推進(jìn)，整個工作面的瓦斯抽采混合流量和純流量的變化趨勢大致呈現(xiàn)相同的趨勢，混合流量抽采均值為50 m3/min，純量的抽采均值為0.8 m3/min。隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯抽采濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，抽采的瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）最大值為2.03%，經(jīng)過測量，瓦斯?jié)舛鹊玫搅擞行У目刂疲Ｕ狭讼锏赖恼ｉ_采[5]。

4 結(jié)論

1）采用灰色關(guān)聯(lián)法對鎮(zhèn)城底礦22603 工作面所開采的3 號煤層瓦斯的覆存規(guī)律和影響因素進(jìn)行分析，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對瓦斯覆存影響程度由大至小依次為覆巖厚度、煤層厚度、煤層埋深、砂巖厚度，這為礦井瓦斯防治提供了依據(jù)。

2）利用數(shù)值模擬軟件對瓦斯壓力進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，瓦斯壓力沿著鉆孔中心軸向外呈現(xiàn)增大的趨勢，在鉆孔中心軸附近瓦斯壓力最小，壓力最大值為0.52 MPa。經(jīng)現(xiàn)場實踐，通過鉆孔抽排對瓦斯進(jìn)行防治，經(jīng)過抽排后，礦井瓦斯含量得到了有效控制，保證了礦井的正常生產(chǎn)。