新元煤矿区域预测瓦斯含量临界值研究

李炎涛王兆丰杨宏民（山西煤炭运销集团阳泉有限公司,山西阳泉04500；河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003）



新元煤矿区域预测瓦斯含量临界值研究

李炎涛1王兆丰2杨宏民2
（1山西煤炭运销集团阳泉有限公司,山西阳泉04500；
2河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003）

摘要在实验室对3#煤层的坚固性系数进行了测定，结果表明：新元煤矿3#煤层的最小坚固性系数为0.18，将其代入经验公式，得出了新元煤矿最小突出瓦斯压力为0.74 MPa，并结合不同水分条件下的原煤瓦斯含量与瓦斯压力对应关系，确定出了新元煤矿区域预测瓦斯含量临界值为8.21 m3/t。在新元煤矿31003巷、西七中间巷进行了现场考察，并测定了考察过程中的钻屑瓦斯解吸指标K1值和Δh2值，结果表明，实验得出的区域预测瓦斯含量临界值是可靠的。

关键词瓦斯含量临界值；最小坚固性系数；钻屑瓦斯解吸指标

0引言

根据煤与瓦斯突出的综合作用假说[1]，煤与瓦斯突出是瓦斯、地应力以及煤的物理力学性质综合作用的结果，瓦斯是控制煤与瓦斯突出的三大要素之一。高压瓦斯的存在是突出的基础条件和能量来源，它不但参与了煤体的破碎，还是抛出煤体的主要动力。煤层瓦斯含量是控制瓦斯突出的直接因素，只有在瓦斯含量达到一定值的时候，煤层才具有突出的可能性[2-3]。煤层瓦斯含量不仅决定着突出的难易程度，还影响着突出的强度。我国的不少矿区把煤层瓦斯含量作为评价瓦斯突出的标准[4]。但由于煤与瓦斯突出是一种极为复杂的动力现象，不同类型的瓦斯突出具有不同的预测敏感指标及临界值，同一矿井的不同煤层或同一煤层的不同水平，完全可能具有不同的预测敏感指标及临界值[5]。因此，需要根据矿井、煤层甚至突出危险区的瓦斯地质情况选择合适的突出预测敏感指标及其临界值。本文针对新元煤矿情况，研究了新元煤矿的区域预测瓦斯含量临界值，并进行了现场验证。

1煤样基础参数测定

在实验室采用落锤法对新元煤矿的最小坚固性系数[6]进行了测定，按照煤的工业分析方法(GB212-2001)对煤样的挥发分[7]进行了测定，测定结果见表1。

表1煤的坚固性性系数测定

2最小突出瓦斯压力确定

研究表明，煤层瓦斯压力越高，突出的危险性就越大，瓦斯突出的最小突出瓦斯压力与煤的坚固性系数有关，且煤层的最小瓦斯突出压力与煤的坚固性系数存在着函数关系，因此可以利用经验公式来计算最小突出瓦斯压力，目前常用的经验公式有以下3种：

（1）煤炭科学研究总院重庆分院胡千庭、文光才等人的研究成果表明：

式中：Pmin——煤层发生瓦斯突出时的最小瓦斯压力，MPa；

fmin——软煤分层最小坚固性系数。

（2）北票矿务局提供的达到突出瓦斯压力的经验公式为：

Pmin=2.79fmin+0.39

（3）俞启香等研究结果表明发生突出的瓦斯压力最小值可通过下式来计算：

Pmin=5! 0.1+0.017Vfmin"

式中：V——软煤分层的挥发分含量，由于要计算的

是发生突出的最小瓦斯压力，因此，根

据新元煤矿的基础参数测定结果表1，

挥发分取16.5%。

由表1中数据我们可以看出，在测定的3组煤样中，其坚固性系数的变化区间为0.18~0.41，其中坚固性系数最小的煤样为西七中间巷距巷口770 m处，f值为0.18，取该值作为计算最小突出瓦斯压力的fmin。将测定的最小坚固性系数fmin=0.18代入各个经验公式，可求得各自对应的消突最小突出瓦斯压力，计算结果见表2。

表2最小突出瓦斯压力计算

从上面的表中可以看出，在新元煤矿目前的开拓区域内，三个经验公式计算出的消突最小突出瓦斯压力（相对压力）为0.88 MPa、0.76 MPa、0.89 MPa，取其中的最小值0.76 MPa作为新元煤矿开拓区域的消突最小突出瓦斯压力。但是考虑到目前开拓的只是部分区域，所揭露的软分层煤样并一定能代表整个矿井的煤层赋存情况，有可能存在着坚固性系数小于0.18的区域，且上述计算值为经验公式，因此计算出来的结果并不能代表整个矿井的最小突出瓦斯压力。同时，考虑到计算结果与《防治煤与瓦斯突出规定》区域预测与区域消突评价的最小突出瓦斯压力值0.74 MPa（表压）相差仅0.02 MPa，所以，为安全起见，将0.74 MPa作为新元煤矿区域消突临界压力值。

3区域预测瓦斯含量临界值确定

根据本人的硕士论文[8]，确定了不同水分条件下的瓦斯含量与瓦斯压力的对应关系，将确定的瓦斯压力临界值0.74 MPa代入上述公式可以确定不同水分条件下对应的煤层瓦斯含量：

从上面可以看出，瓦斯压力为0.74 MPa时对应的瓦斯含量区间[9.03 m3/t~10.20 m3/t]，最小瓦斯含量为9.03 m3/t。综上，安全起见，在采用煤层瓦斯含量指标进行区域预测时，其临界值理应取其临界域的下限，即9.03 m3/t。但是，考虑到煤层水分赋存的不均衡性、煤层瓦斯吸附的复杂性、试验样本的局限性，在其临界域下限的基础上还应考虑一定的安全系数，安全系数取1.1，即将8.21 m3/t作为新元煤矿区域预测瓦斯含量临界值。

同时，考虑到目前煤与瓦体突出机理仍处于假设阶段，究竟“突出三要素”（瓦斯、地应力及煤的物理力学性质）在突出过程中各自贡献多大仍没有定论，而地质构造附近煤层瓦斯赋存极为不平衡，同时构造应力加剧了地应力的复杂程度，由于构造应力作用，地质构造附近的煤体往往受到不同程度的破坏，而仅用瓦斯含量指标难以完整的表征突出三要素的变化。因此在地质构造附近，在进行区域预测或者消突效果检验时，临界值仍取8.0 m3/t进行区域预测。

4现场应用与考察

本次考察的对象为31003正巷、西七中间巷，在采取了顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯防突区域防突措施后，预抽4个月后开始掘进，掘进前在工作面迎头施工3个长度为50 m左右的钻孔测定煤层残余瓦斯含量。研究期间，跟踪考察了这两条巷道的煤层瓦斯含量W、钻屑瓦斯解吸指标K1值和Δh2值，预测钻孔布置见图1。其中在31003正巷测试了9组煤层瓦斯含量，在31003副巷测试了8组煤层瓦斯含量，测定结果见表3。

图1钻屑解吸法预测钻孔布置示意

表3残余瓦斯含量测定结果

从表3可看出，经过2个月的预抽，测试的残余瓦斯含量区间为6.05 m3/t~8.31 m3/t，其中有6组残余瓦斯含量超出了《防治煤与瓦斯突出规定》给出的临界值8 m3/t，但并未超出瓦斯含量临界值8.21 m3/t[8]，并且在施工过程中无瓦斯动力现象（卡钻、顶钻、响煤炮等），因此可以认为这两个区域已经达到消突。同时为了进一步验证31003正巷、西七中间巷的突出危险性，对两条巷道跟踪考察期间的钻屑瓦斯解吸指标与考察距离进行了整理，并绘制了钻屑瓦斯解吸指标与考察距离的曲线，如图2和图3所示。

图3西七中间巷钻屑瓦斯解吸指标随巷道变化

从图3可以看出，在31003巷考察的170 m内，测定的最大钻屑瓦斯解吸指标K1值为0.31 mL/g· min0.5，最大值为192 Pa，均没有超过《防治煤与瓦斯突出规定》给出的临界值0.50 mL/g·min0.5和200 Pa；从图4可以看出，在西七中间巷考察的180 m内，测定的最大钻屑瓦斯解吸指标K1值为0.30 mL/ g·min0.5，最大值为192 Pa，均没有超过《防治煤与瓦斯突出规定》给出的临界值0.50 mL/g·min0.5和200 Pa。在考察期间，两条巷道均未发生煤与瓦斯突出现象，因此得出的区域预测瓦斯含量临界值8.21 m3/t是可信的。

5结语

（1）在实验室测定了新元煤矿3#煤层的坚固性系数，从中选取了其中的最小坚固性系数为0.18，并将其带入了经验公式，计算出了3#煤层的最小始突瓦斯压力为0.76 MPa，同时考虑到计算结果与《防治煤与瓦斯突出规定》规定结果相差不大，初步确定了新元煤矿区域预测瓦斯压力临界值为0.74 MPa。

（2）根据建立的不同水分条件下的瓦斯含量与瓦斯压力对应关系，计算出了0.74 MPa下对应的瓦斯含量，在保留了1.1的安全系数下的情况下，确定了区域预测瓦斯含量临界值是8.21 m3/t；在地质构造附近，瓦斯含量临界值取8.0 m3/t。

（3）采用计算出的瓦斯含量临界值对31003巷、西七中间巷进行了现场考察，并测定了考察过程中的钻屑瓦斯解吸指标K1值和Δh2值，结果表明，实验得出的区域预测瓦斯含量临界值是可靠的。

参考文献

[1]俞启香.矿井瓦斯防治［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1992.

[2]孙丽娟，刘玉洲，等.煤与瓦斯突出区域预测方法及应用［J］.煤炭工程，2010（2）：98-100.

[3]陆国桢.“瓦斯地质”的回顾与展望[J] .焦作矿业学院学报，1993，12（6）：1-3.

[4]张子敏，张玉贵.瓦斯地质规律与瓦斯预测[M] .北京：煤炭工业出版社，2005：90-91.

[5]近藤精一，石川达雄，安部郁夫.吸附科学(原著第二版) [M] .李希国，译.北京：化学工业出版社, 2006（1）: 35-30.

[6]中华人民共和国煤炭工业部.煤的坚固性系数测定方法(MT/49-87) [S] .1987.

[7]中国煤炭工业协会. GB/T 212-2008.中华人民共和国国家标准－煤的工业分析方法[S] .北京：中国标准出版社.2008年.

[8]李炎涛.新元煤矿原煤瓦斯含量与瓦斯压力对应关系及其应用研究[D] .河南：河南理工大学，2013: 61-62.

李炎涛，男，1987年出生，河南新郑人，硕士研究生，现在阳泉市上社煤炭有限责任公司通风工区工作，主要从事通风与安全方面的研究。

Study on the Threshold of Area Predict Gas Content of Xinyuan Coal Mine

Li Yantao1Wang Zhaofeng2Yang Hongmin2
(1.Yangquan CO.,LTD. of Shanxi Coal Transportation and Sales Group, Yangquan, Shanxi 04500;
2. Institute of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454003）

Abstract：The consistence coefficient of 3#coal seam is determined in the laboratory, the results show that minimum consistence coefficient of 3# coal seam in Xinyuan Coal Mine is 0.18, using it into the empirical formula，it is concluded that the minimum outburst gas pressure of Xinyuan Coal Mine is 0.74 MPa, and combining with corresponding relation between raw coal gas content and gas pressure in different moisture conditions, it is identified the threshold of area predict gas content in Xinyuan Coal Mine is 8.21m3/t. The field investigation is carried on in 31003 roadway and west 7th middle roadway of Xinyuan Coal Mine, and the drilling gas desorption index K1and Δh2in the process of inspection are measured, the results show that the threshold of area predict gas content by experiment is reliable.

Key words：threshold of gas content; minimum consistence coefficient; drilling gas desorption index

收稿日期：2016-01-06

作者简介

中图分类号TD712

文献标识码A

文章编号1000-4866 (2016) 01-0018-04