特厚煤层瓦斯测定及分布规律研究

裴韶华， 刘 硕

（1.太原煤炭气化（集团）有限责任公司， 山西 太原 030006；2.太原理工大学矿业工程学院， 山西 太原 030024）

引言

瓦斯作为成煤过程中的产物，是一种无色无味的气体，当其达到一定的浓度后会使人因缺氧而死亡，因此瓦斯已经成为煤矿安全生产的最主要问题。目前，瓦斯事故仍然是我国每年伤亡人数最多、经济亏损最大以及突发频率较高的煤矿劣性事件，不仅给各矿带来了沉重的经济负担，对主体企业的社会形象也造成了不好的影响，因此各煤矿加大安全投入和加强瓦斯治理力度是确保各矿井可以安全高效产煤的基础[1-2]。

瓦斯的治理及预防是煤矿企业安全生产中及其重要的内容之一。准确的测定矿井煤层瓦斯含量，预测瓦斯分布规律，是降低瓦斯事故发生率的基础[3-5]。本文采用钻孔煤屑解析法对山西某矿5号煤层瓦斯含量进行了测定，以此为基础对煤层瓦斯分布规律进行了研究，从而为之后瓦斯抽采措施的制定提供了事实依据。

1 工程背景

山西某矿矿井瓦斯绝对涌出量为1.70 m3/min，相对涌出量为4.30 m3/t，为低瓦斯矿井。目前矿井主采煤层为5号煤层，煤层平均厚度12.27 m，一般含2～5层夹矸，局部含有6～8层厚的夹矸，煤层的结构较为复杂多样，属于全区内稳定的可以开采的煤层。

矿井采用中央分列式通风系统。即矿井工业场地内的副斜井为主要进风，主斜井为辅助进风，工业场地外的西部设有回风斜井进行回风；该矿通风的方式为压入式通风。新鲜风流通过主斜井、副斜井进风，进而经过轨道大巷和皮带大巷进风，回风大巷作为专门回风大巷，盘区内采煤工作面的运输巷作为进风顺槽，回风巷则对应作为回风顺槽。采用一进一回的通风方式，各煤层和各盘区的乏风然后经过回风大巷排至总回风巷，进而通过回风斜井最终排至地面。

2 瓦斯含量测定研究

2.1 瓦斯含量测定

本次利用钻孔煤屑解析法进行测定，该测定方法的步骤如下。

1）在已经裸露掘进作业空间或者回采作业空间煤壁上，打设直径为42 mm、深20 m的钻孔，钻至20 m时采集样本，同时把此时的时间记录为t1。

2）把所收集的样品放入罐中，同时记录下样品的初始解析时间t2，此处采用FHJ-2型号的解析速率监测仪，如下页图1所示，监测记录样品的累积瓦斯解析总量在不同的时间t下的值Vi，监测时间通常2h，解析测定完毕结束将样品罐拧紧以防泄露，移送到室内进行残留瓦丝量测定。

3）损失量计算。把不同时间段内的解析检测结果依照下式折换为标准状态下的体积V0i：

式中：V0i为解析瓦斯体积，mL；Vi为不同阶段内瓦斯的解析量，mL；P0为大气压力，Pa；hw为测管内水柱高度，mm；Ps为下饱和水蒸汽压力，Pa；tw为测管内水温，℃。将[（t0+t）0.5，V0i]表达在二维坐标图中，则该曲线同纵坐标轴相交点的值，就是样品中瓦斯损失量，如图2所示。

4）把检测后残留样品以及试管一并进行室内的残留瓦斯、灰分、水分的测定。

5）依照样品瓦斯的散耗值、解析值、残留值以及可燃质的质量，可以得到样品中瓦斯含量：

式中：V0为标准状况时样品瓦斯解吸值，mL；V1为标准状况时样品损失瓦斯值，mL；V2为标准状况时样品残留瓦斯量，mL；G0为样品可燃质的质量，g；W为样品可燃质瓦斯含量，mL/g。

原先煤体样品中的瓦斯含量依照下式进行计算：

式中：W0为原始煤体样品的瓦斯含量，mL/g；Aad为煤中的灰分，%；Mad为煤中的水分，%。

图1 瓦斯解析设备示意图

图2 不同时间下瓦斯解析体积量

2.2 瓦斯含量测定结果

对该井田内地勘钻孔瓦斯含量测值进行分析可知：各钻孔煤样灰分实验室测值为8.37%～20.12%，均小于40%；现场采取煤样装入密封罐后送实验室无漏气现象且钻孔位置附近无较大构造。

根据经验，现有的地勘解吸法测定煤层瓦斯含量，存在着钻孔取样深度越大，煤层瓦斯含量预测值越低的问题。另外，由于取样过程中的煤样样品质量、密封效果和含量测定方法等原因，地勘钻孔测定的煤层瓦斯含量往往较煤层的真实瓦斯含量值小。因此，在利用地勘瓦斯含量时，为减小误差，应对煤样进行测值校正，5号煤层运输巷掘进处实测值（埋深为125 m，瓦斯含量为1.34 m3/t）与钻孔补4（埋深为 121.48 m，瓦斯含量为 0.68 m3/t），钻孔 Z301（埋深为125.01 m，瓦斯含量为0.73 m3/t）位置相近，也无构造隔开，同属一个瓦斯单元，对比得校正系数K分别为 1.97、1.84，这里取 1.97。

3 煤层瓦斯含量分布规律

煤层瓦斯含量会由于井田地质因素不同而不同，地质因素其中包括煤层埋深、煤的质量、地质构造、煤层顶底板岩性以及煤的物理化学性质等等。

根据在该矿井井下实测和钻孔瓦斯含量数据，对5号煤层的瓦斯含量分布规律进行分析。

对上述瓦斯测定结果进行分析，得知5号煤层的瓦斯含量会随着煤层埋深的增加而呈现线性增长的趋势，通过线性回归，得出瓦斯含量分布规律如下。

1）5号煤层的瓦斯含量会随着煤层埋深的增加而加大，它们两者之间遵循的统计关系如下：

式中：W为煤层瓦斯含量，m3/t；H为煤层埋藏深度，m。

2）5号煤层甲烷组分为15.58%～25.43%，二氧化碳组分为3.56%～21.69%，氮气组分为50.36%～79.98%，推断5号煤层处于氮气带、氮气带-甲烷带。

3）5号煤体中所含瓦斯含量的增长梯度为0.62 m3/（t·100 m）。

4）5煤层中瓦斯的含量分布规律：整个井田的南部区域煤体中所含瓦斯量值小，在1.4 m3/t以下。中部区域以及东北部区域所含瓦斯量值比南部区域大，在1.8～2.2 m3/t之间；最大值为2.2 m3/t。

4 结论

本文采用钻孔煤屑解析法，在山西某矿现有开采区域瓦斯进行测定，具体结论主要如下。

1）影响5号煤层的瓦斯含量的主要因素为埋深，煤层中瓦斯含量会随着煤层埋深的增加而加大，埋深每增加100 m，瓦斯含量增加0.62 m3/t。

2）5号煤层瓦斯含量中甲烷占比较高，为15.58%～25.43%，其次为二氧化碳和氮气，因此判断该煤层处于氮气带、氮气带-甲烷带。

3）煤层瓦斯含量在井田内的分布自南向北逐渐增大，瓦斯含量最大为2.2 m3/t。