六盘水矿区“三软”煤层瓦斯参数变化特征

纪发波 李红祥 王胜利 常宏

摘 要：为防治煤矿瓦斯事故，本文分析了六盘水矿区煤层的“三软”特征，以某煤矿为工程背景，开展了岩石力学实验，分析了瓦斯参数变化特征，结果表明，煤层中的瓦斯压力与钻孔半径成正比，与抽采时间成反比。

关键词：六盘水;“三软”煤层;瓦斯参数

1、引言

众所周知，贵州省矿区普遍存在“三软”煤层，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的数量及伤亡人数在全国瓦斯事故中均处于前列，是我国煤矿瓦斯灾害防治的重点区域。六盘水矿区煤炭产量占全省1/3以上，煤炭企业税收占全市财政税收的25%左右，煤炭产业是六盘水市名副其实的支柱产业。但近年来，瓦斯事故仍然频发，如2018年盘州市松河煤矿、梓木嘎煤矿先后发生煤与瓦斯突出事故，造成了人员伤亡和经济损失。国家安监总局领导及六盘水市李恒超副市长均提出，要立足六盘水市煤层赋存情况和生产技术条件，探究瓦斯事故根源，遏制重特大事故的发生，解决当前迫切的安全形势。因此，本文根据六盘水矿区“三软”煤层的特殊赋存特征，对瓦斯参数变化规律进行研究，从而为六盘水矿区瓦斯防治提供一定的借鉴。

2、六盘水矿区“三软”煤层特征

六盘水矿区为典型峰丛地貌，受滑动构造和高地应力影响，煤体多为鳞片状或糜棱状等情况，有一定的流变现象，整体上强度均比较低。且受断层、褶皱和构造盆地影响，煤层厚度不稳定，尖灭、厚薄不均的现象比较明显，导致瓦斯赋存也不均衡，瓦斯压力、瓦斯含量变化较大。同时，煤层的透气性交叉，瓦斯表现为吸着状态，吸附能力强。由于煤矿生产规模不断加大，矿井逐步转入深部开采，瓦斯压力普遍增大。在较高的煤巷掘进速度下，瓦斯放散速度有所提高，容易引发煤与瓦斯突出事故。

项目组对六盘水矿区某煤矿顶底板进行取样，测试了围岩物理力学性能，结果如表1所示。需要说明的是，由于巷道围岩受高应力影响，节理、裂隙发育广泛，取样数量有限，制成岩心只有11组，且个别试件并非标准岩样。

另外，项目组也对该矿的瓦斯地质资料进行了分析，现场观测了煤体的破坏类型，采取煤岩样在实验室内对煤的瓦斯放散初速度和坚固性系数进行了测试。结果表明，该矿主采煤层受地质构造影响显著，原生结构及其特征已不存在，煤体大多呈粉状及粉泥状，是以糜棱煤为主的构造煤，煤的强度极低，手捻即碎，容易发生煤与瓦斯突出;实验室测得煤的硬度较低，普氏硬度系数f值在0.14～0.27之间，而实验室测得煤的瓦斯放散初速度Δp值则在19.5～35.4之间;在掘进工作面现场测得的煤体瓦斯含量为7.76～14.01m3/t，平均9.52m3/t，瓦斯压力0.21～1.12MPa，平均0.68MPa。

3、瓦斯参数变化特征分析

瓦斯压力场方程是确定瓦斯压力和分析瓦斯分布规律的理论技术基础，并且对于煤矿瓦斯防治具有现实的指导意义。在达西定律的基础上，国内外学者也开展了大量深入的研究工作，孙锐、王兆丰等（2010）建立了有限流场的瓦斯流动理论方程，并求出了该方程的解析解，推导出了中间煤柱的瓦斯压力分布计算式;杨宁波等（2010）以达西定律和煤层瓦斯流动理论假设为基础，运用质量守恒定律，建立了钻孔周围煤体瓦斯流动的数学模型，得到了钻孔周围瓦斯流动的方程及其定解条件。

项目组上述煤矿收集了垂直于煤层的两个抽放钻孔的数据，并利用Excel软件对数据进行拟合，如图1所示。拟合后的函数分别为：

是钻孔中瓦斯的质量-体积浓度，即：单位体积气体中瓦斯的质量数，g/m3，是关于时间t的函数。

煤层中径向不稳定流的瓦斯压力场方程可表示为：

由上述公式可以看出，煤层中瓦斯压力与钻孔半径成正比，与时间成反比。在应力增高区，会出现瓦斯压力异常现象。经过同理分析可知，钻孔瓦斯涌出初速度、综放工作面前方支承应力、瓦斯涌出量及掘进工作面前方的瓦斯压力关于时间或距离的曲线具有相同的变化趋势，它们可以用同一类型的方程进行描述。

4、小结

本文分析了六盘水矿区“三软”煤层的特征，并基于此运用理论分析和软件拟合的方法构建了单一巷道（钻孔）的瓦斯压力场方程，对于不稳定流，钻孔中瓦斯的质量浓度函数为指数函数，并且瓦斯压力与半径成正比，与时间成反比。

参考文献：

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作者簡介：

纪发波（1996.11-），男，贵州六盘水人，本科在读，主要从事采矿工程方面的学习和研究工作

项目基金：六盘水师范学院大学生项目（LPSSYDXS19110）

（六盘水师范学院矿业与土木工程学院  贵州   六盘水   553004）