煤层预抽后残余瓦斯含量分布影响控因研究

丁 红

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.国家煤矿安全技术工程研究中心，重庆 400037)

回采工作面顺煤层瓦斯抽采作为一种有效的区域防突措施在我国大部分煤矿得到推广应用[1，2]，但是部分回采工作面在采取瓦斯抽采措施后仍然时有瓦斯事故发生，因此在进行回采作业前必须开展回采工作面瓦斯抽采效果评价[3，4]，其中残余瓦斯含量是进行瓦斯抽采效果评价的重要指标之一[5]。在回采工作面顺煤层钻孔预抽时，煤层瓦斯含量变化受到煤变质程度、煤层埋深、地质构造等多因素影响，导致预抽后的残余瓦斯含量分布规律无法准确判断，因此有必要对回采工作面残余瓦斯含量分布控制因素进行研究。针对煤层瓦斯分布的影响因素，许多学者开展了大量研究。石必明等[6]对上保护层开采下伏煤岩的力学特性及瓦斯抽采效果进行了研究；傅雪海等[7]探讨了煤基质收缩对煤层渗透率的影响；韩军等[8]解释了不同类型、不同部位及其组合关系褶皱对瓦斯聚集和逸散的双重性影响；王青元等[9]认为顺煤层断层所产生的构造煤是瓦斯高聚集区；王林杰[10]探讨了地质条件影响下瓦斯赋存特征及抽采后残余瓦斯分布；舒龙勇等[11]通过分析地质构造与煤层瓦斯含量之间的关系，总结出地质构造的四种类型以及对煤层瓦斯赋存的影响；殷帅峰等[12]认为薄煤层工作面顶板环形裂隙圈的宽度较小，且在采动过程中不能使上部亚关键层破断，致使亚关键层及以上岩层中不能发育贯通裂隙而富集瓦斯。以上学者对采动卸压、煤基质收缩或地质构造变化等单一影响因素下煤层瓦斯赋存特征和分布规律进行了研究，但是煤层预抽受到多因素综合作用，如何依托回采工作面钻孔抽采条件，确定预抽后的残余瓦斯含量分布的主控因素需要进行深入探讨。因此，基于煤岩体力学理论分析残余瓦斯含量分布的影响因素，以平庆煤矿117802回采工作面作为研究对象，采用Surfer软件拟合得到残余瓦斯含量分布等值线，并对不同开采因素、地质因素和抽采条件影响下的残余瓦斯含量分布变化规律和控制机理进行研究，最终确定残余瓦斯含量分布的影响控因，为回采工作面煤层残余瓦斯含量分布预测提供研究依据。

1 残余瓦斯含量影响因素

1)原始瓦斯含量分布。回采工作面顺煤层钻孔是对煤层瓦斯储量进行预抽，煤层瓦斯储量主要受原始瓦斯含量影响，原始瓦斯含量是未受采动影响和抽采作用时煤层原始赋存的瓦斯含量，由于煤层埋深、地质构造、煤质特性和围岩完整性等因素影响，导致原始瓦斯含量分布不均，在施加同等抽采条件的情况下，残余瓦斯含量的分布也会存在一定差异。

2)煤层埋深差异。煤层埋深是地面标高与煤层底板标高的差值，代表回采工作面煤层的埋藏深度，一般认为，随着埋深的增加，煤层瓦斯含量也会随之增大。

3)采掘活动影响。根据达西定律，瓦斯抽采效果受到煤层透气性系数的影响，煤体渗透率K与其承受压力存在如下关系[13，14]：

K=K0e-bσ

式中，K0为未承压煤样渗透率，10-3μm2；b为试验确定的经验常数，MPa-1；σ为煤体有效应力(煤体地应力减去孔隙压力)，MPa。

在回采工作面上保护层开采后会形成采空区，使得被保护煤层卸压，同时在部分区域会遗留煤柱，当煤柱宽度大于50m时底板集中应力呈现“倒铁塔”分布[15]，而当煤柱宽度小于50m时底板集中应力呈现“钟”形分布[16]，此时煤体有效应力发生变化，改变煤体渗透率，进而改变瓦斯在煤层中运移的通道。

4)地质构造作用。回采工作面煤层在成煤过程中，由于地质变化和构造影响，会形成一定的地质构造复杂区域，该区域与回采工作面巷道互联互通形成瓦斯运移通道，使煤层瓦斯流动释放。

5)预抽时间差异。预抽作用是残余瓦斯含量变化的动力，在相似的地质条件下，预抽时间的差异会使不同钻孔的抽采效果在时空上存在差异，导致残余瓦斯含量的分布存在差异。

2 残余瓦斯含量测试方法

残余瓦斯含量的测定主要是根据瓦斯损失量、瓦斯解吸量、粉碎瓦斯解吸量和残存瓦斯量计算得到残余瓦斯含量Qm，即Qm=Q1+Q2+Q3+Qc。首先，通过将煤样从煤层固定位置取出，及时采用煤样筒密封，测量煤样的瓦斯解吸速度及解吸量，根据暴露初期瓦斯解吸累计量与时间的函数关系，计算煤样在暴露时间内的瓦斯损失量Q1；瓦斯解吸量Q2包括地面瓦斯解吸量Q22与井下瓦斯解吸量Q21；将煤样筒中的部分煤样装入密封的粉碎系统加以粉碎，得到在粉碎过程及粉碎后一段时间所解吸出的粉碎瓦斯解吸量Q3；根据煤层工业分析参数(a、b值、水分、温度和孔隙率)，计算得到残存瓦斯量Qc。

3 测定结果及分析

3.1 试验区域概况

云南省平庆煤矿117802回采工作面走向长760m，倾斜长200m，开采范围内C7+8煤层倾角4°～8°，煤厚3.50m。117802机巷布置j1～j178上向顺层预抽钻孔，117802回风巷布置w1～w61、n1～n146和q16～q21-1下向顺层预抽钻孔，钻孔有效控制范围如图1所示。

图1 预抽钻孔有效控制区域

3.2 117802回采工作面残余瓦斯含量分布

117802回风巷每间隔18～45m布置1～2个残余瓦斯含量测点，共33个测点；117802机巷每间隔17～47m布置1～2个残余瓦斯含量测点，共34个测点，测点位置如图2所示，残余瓦斯含量测值见表1，采用Surfer软件拟合得到的残余瓦斯含量分布等值线如图3所示。

图2 残余瓦斯含量测点位置

表1 残余瓦斯含量测定结果

图3 残余瓦斯含量分布等值线

从表1和图3可以看出，117802回采工作面残余瓦斯含量分布在4～15m3/t，大部分区域分布在6～8m3/t，靠近切眼区域集中在8～12m3/t，117802机巷中段集中在8～15m3/t，形成残余瓦斯高含量集中带。残余瓦斯含量等值线呈区域集中或条带状分布，数据呈离散型分布，由工作面中部向两端逐渐增大，表明在工作面预抽区域内，残余瓦斯含量受到诸多因素的综合作用。

3.3 原始瓦斯含量与残余瓦斯含量对应关系

钻孔预抽前，117802回采工作面回风巷每间隔89～170m布置1～2个原始瓦斯含量测点，共6个测点；机巷每间隔66～180m布置1～2个原始瓦斯含量测点，共5个测点，测点位置如图4所示。

图4 原始瓦斯含量测点位置

原始瓦斯含量测点附近对应的残余瓦斯含量值如图5所示。从图5可以看出，117802回采工作面原始瓦斯含量分布在7～12m3/t，原始瓦斯含量测点附近的残余瓦斯含量呈现明显的两个区域，在正常区域残余瓦斯含量明显低于原始瓦斯含量，而在反转区域残余瓦斯含量不降反升超过原始瓦斯含量，反转区域测定点占全部测定点的45.5%。

图5 原始瓦斯含量与残余瓦斯含量对应关系

3.4 煤层埋深与残余瓦斯含量对应关系

117802回采工作面煤层埋深等值线如图6所示，埋深与残余瓦斯含量的相互关系如图7所示。从图6可以看出，117802回采工作面煤层埋深分布在195～300m，靠近切眼区域集中在大于260m，埋深等值线呈向切眼的条带状分布。从图7可以看出，不同埋深下的残余瓦斯含量基本上呈离散型分布，无特定相关关系，同时在埋深240～260m处的相对异常区域，残余瓦斯含量大于12m3/t。

图6 煤层埋深分布等值线

图7 残余瓦斯含量随煤层埋深变化

3.5 复合应力与残余瓦斯含量对应关系

由于C7+8煤层开采上覆C3煤层作为保护层，煤层平均间距28.98m，117802回采工作面属于采空区卸压保护范围[17]，但C3煤层开采后遗留部分煤柱，同时工作面开采范围受到区域构造影响，发育有F2正断层及附近小型断层，因此预抽钻孔有效控制范围可以划分为五类区域[18]，区域划分如图8所示。

复合应力作用区域与残余瓦斯含量分布关系如图9和图10所示。从图9和图10可以看出：窄煤柱集中应力区(Ⅲ区)的残余瓦斯含量分布在5～15m3/t；宽煤柱集中应力区(Ⅱ区)的残余瓦斯含量集中在5～10m3/t，但存在一个异常值达到13m3/t；采空区—煤柱区—断层带共同影响区(Ⅴ区)的残余瓦斯含量分布在5～11m3/t；采空区卸压区(Ⅰ区)的残余瓦斯含量分布在4～10m3/t；采空区—断层带共同卸压区(Ⅳ区)的残余瓦斯含量分布在6～9m3/t。不同复合应力作用下的残余瓦斯含量呈现明显的区域特征，残余瓦斯含量分布从大到小依次为：Ⅲ区>Ⅱ区>Ⅴ区>Ⅰ区>Ⅳ区。

图8 区域划分

图9 复合作用区域与残余瓦斯含量分布关系

图10 不同复合作用区域残余瓦斯含量对比

3.6 预抽时间与残余瓦斯含量对应关系

预抽时间与残余瓦斯含量对应关系如图11所示。从图11可以看出，117802回采工作面顺层钻孔预抽时间在2～6月时的残余瓦斯含量平均值均大于8m3/t(预抽时间3月时的残余瓦斯含量平均值虽然不大于8m3/t，但是最大值达到13m3/t)，而在预抽时间在7～10月时的残余瓦斯含量平均值均小于8m3/t，说明随着预抽时间的增加，残余瓦斯含量呈现逐渐下降的趋势。

图11 预抽时间与残余瓦斯含量分布关系

4 残余瓦斯含量分布的影响控因讨论

117802回采工作面残余瓦斯含量分布受到原始瓦斯含量分布、煤层埋深差异、采掘活动影响、地质构造作用和预抽时间差异等因素的综合影响。

1)原始瓦斯含量测点附近的残余瓦斯含量呈现明显的正常下降和反转增加两个区域，反转区域测定点占全部测定点的45.5%，表明原始瓦斯含量分布与残余瓦斯含量的最终分布无明显对应关系。

2)煤层埋深等值线呈明显由工作面外段向切眼的条带状分布，而不同煤层埋深下的残余瓦斯含量基本上呈离散型分布，同时在埋深240～260m处存在相对异常区域，表明煤层埋深差异与残余瓦斯含量分布无特定相关关系。

3)受采掘活动影响和地质构造作用时，在窄煤柱集中应力作用下，煤体变形收缩使得瓦斯运移通道受阻，渗透率变小，残余瓦斯含量处于最高水平15m3/t；随着煤柱宽度的增加，集中应力系数逐渐减小，残余瓦斯含量处于较高水平13m3/t；如果该区域虽然受到窄煤柱集中应力作用，但是在采空区和断层带共同作用下得到大范围卸压，瓦斯流动通道处于半开合状态，残余瓦斯含量处于平均水平11m3/t；当仅受到采空区卸压作用，煤层弹性潜能释放，煤层透气性增大，促进瓦斯抽采过程中的解吸、渗流，残余瓦斯含量处于较低水平10m3/t；如果该区域赋存开放性断层，在断层破裂面附近应力释放，煤层瓦斯沿破裂面逸散，同时在采空区卸压作用下，残余瓦斯含量处于最低水平9m3/t；表明在不同采掘活动和地质构造复合应力下，残余瓦斯含量分布呈现由集中应力区域往卸压作用区域规律性递减趋势。

4)顺层钻孔预抽时间差异系数较大时，预抽2～6月后残余瓦斯含量平均值大于8m3/t，而随着预抽时间的增加，预抽7～10月后残余瓦斯含量平均值均小于8m3/t，表明残余瓦斯含量分布与预抽时间呈现负相关关系。

综上，117802回采工作面残余瓦斯含量分布虽然受到诸多因素的影响，但是主要是受控于采掘活动、地质构造和预抽时间因素。

5 结 论

1)残余瓦斯含量分布主要受原始瓦斯含量分布、煤层埋深差异、采掘活动影响、地质构造作用和预抽时间差异等因素的综合影响，但其主控因素是采掘活动、地质构造和预抽时间。

2)不同采掘活动和地质构造复合应力作用下的残余瓦斯含量分布呈现明显的区域特征，由集中应力区域往卸压作用区域规律性递减，从大到小依次为：窄煤柱集中应力(Ⅲ区)、宽煤柱集中应力(Ⅱ区)、采空区—煤柱区—断层带共同影响(Ⅴ区)、采空区卸压(Ⅰ区)、采空区—断层带共同卸压(Ⅳ区)。

3)残余瓦斯含量分布与预抽时间呈现负相关关系，预抽2～6月后残余瓦斯含量平均值大于8m3/t，随预抽时间的增加，预抽7～10月后残余瓦斯含量平均值均小于8m3/t。