吉宁矿2103工作面残余瓦斯含量与钻孔取样深度影响分析

郑亮

摘要：为了在工作面开采前能准确评判吉宁矿煤层瓦斯抽采达标，以2103工作面为研究对象，采用DGC型瓦斯含量直接测定装置，研究了吉宁矿2103工作面同一钻孔不同的取样深度对残余瓦斯含量值结果影响，以便找出吉宁矿准确、科学取样深度，降低取样误差。结果表明，准确的取样深度对工作面的瓦斯抽采达标评判以及矿井工作面安全生产具有重要意义。

关键词：工作面；瓦斯；含量；抽采

DOI：10.12433/zgkjtz.20232139

一、井下测定瓦斯含量的测定方法

目前，煤层瓦斯含量测定一般采用间接法和直接法。间接法是在等温吸附线计算法的基础上，根据井下煤层原始瓦斯压力和实验室测定的煤吸附常数及工业分析综合结果，运用朗格缪尔方程计算。该方法存在煤层原始瓦斯压力测定工艺较为复杂、成本偏高等缺点。间接法测定时需实测煤层瓦斯压力，在煤壁中打孔进行封孔，但在本煤层封孔时密封性差，测定值误差大。直接法具有操作简便、时间影响小、流程科学合理等优点，测定的数值真实客观把握现场安全指标需求，因而在条件具备时首选瓦斯含量直接测定方法。但是，直接法在保证气密性方面等不佳。这就要求在工作面现场实施及操作过程中找出全流程、各步骤影响因素并提出切实有效的解决措施，提高直接法测定瓦斯含量的精准性。

二、 概况

（一）吉宁矿概况

井田位于山西省乡宁县枣岭乡樊家原村一带。整合区地理坐标为：东经110°33′34″～110°37′46″，北纬35°48′05″～35°50′36″。

井田面积17.6843km2，批准开采2#～10#煤层，生产规模为300万吨/年。整合后井田呈不规则多边形，东西长3.5～6.3km，南北宽2.9～4.7km，面积为17.6843km2。

吉宁矿开采2#、10#煤层（现开采2#煤），2#煤位于山西组中下部，全区稳定可采，上距K8砂岩24.56～45.34m，平均厚度32.47m。煤层厚度5.69～

7.20m，平均厚度6.22m，属于厚煤层。含0～2层夹矸，一般含一层夹石，夹矸厚度0～0.70m，平均厚度0.36m。顶底板一般为泥岩或粉砂岩。井田内及附近所有钻孔均见到该煤层，且为厚煤层，厚度变化较大，井田内自南向东北厚度逐渐变大，至Jn1-2号孔厚度最大。该煤层属于稳定的全区可采煤层。10#煤层位于太原组下段的顶部K2灰岩下，上距2#煤层为35.02～48.70m，平均为43.77m。煤层厚度为0.78～4.05m，平均为2.37m。含0-1层夹矸，结构简单。顶板为石灰岩、泥岩，底板为泥岩、铝质泥岩、粉砂岩，属于全区可采的稳定煤层。

（二）2103工作面概况

2103工作面可采走向长度为1855m，倾斜长240m，工作面基础储量为3873240t，可采储量为3602113.2t，工作面井下位置北面为未开拓区域，与F5断层防隔水煤柱平均相距142m，2103切眼东面平均留设153m保护煤柱与天润德通煤矿矿界相隔，南面0～1000m段留设25m保护煤柱与已开采的2101工作面相隔，西面为2#回风大巷。该工作面煤层整体向北西倾斜，工作面标高为275～308m，地面标高为587～798m，倾角为-2°～+6°，一般为+2°。工作面内2#煤层局部节理发育，煤层普氏硬度约为1.6。在煤层中下部夹一层泥岩矸石，厚度0.1～0.3m，煤层厚度变化不大，区域内无河流冲刷带及岩浆侵入体影响，属于稳定煤层。

2#煤层原始瓦斯含量平均为8.23m3/t，透气性系数为0.023008～0.085813m2/MPa2·d，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.059d-1，属较难抽放煤层。原始瓦斯压力0.41MPa，煤层坚固性系数0.61，瓦斯放散初速度8.8mmHg，吸附常数a值为29.786m3/t、b值为0.651MPa-1。煤尘具有爆炸危险性，抑制煤尘爆炸最低岩粉用量35%。自燃倾向性为自燃，自燃等级为Ⅱ级，煤层自燃发火期3～6个月。

（三） 2103工作面瓦斯抽采情况

2103胶带顺槽里程200～963m，位于2101胶带区域预抽钻孔覆盖范围内，该段预抽钻孔间距3m，钻孔长度为300m，钻孔开工日期2013年4月20日，结束日期2013年8月23日，共施工200个钻孔，累计进尺49563m，倾角为-5°～+1°，在施工过程中未出现瓦斯、水异常现象。最短预抽时间33个月，累计抽放量为7068131m?。

2103胶带顺槽本煤层预抽钻孔从里程963m开始施工至切眼，钻孔长度为260m。钻孔开工日期2016年11月，结束日期2017年12月，共计施工278个钻孔，累计进尺62030m，倾角从-7°～+7°，在施工过程中未出现瓦斯、水异常现象，累计抽放量为4492800m?。

2103胶带顺槽本煤层部分钻孔在施工过程中，遇到复杂地质构造，深度未能达到设计要求，因此在2103轨道顺槽补打钻孔。钻孔开工日期为2017年11月，结束日期为2018年3月，共施工194个钻孔，累计进尺23346m，钻孔倾角为-5°～+5°，在施工过程中未出现瓦斯、水异常现象，累计抽放量为3110400m?。

（四）瓦斯预抽时间

2103工作面主要通过施工本煤层钻孔提前抽采以降低煤体瓦斯含量，辅以高位钻孔以及上隅角钻孔，用于回采期间对采空区裂隙带及上隅角瓦斯进行抽采，以有效降低工作面瓦斯涌出量，确保安全。

2103工作面本煤层钻孔于2017年12月施工完毕，抽采浓度平均40%，抽采纯量17～14m3/min。按照矿衔接计划，2103工作面计划在2018年9月份开始初采，本煤层钻孔最短预抽时间在8个月以上。

三、 工作面瓦斯含量测定

（一）测定原理

直接法测定瓦斯含量是应用瓦斯解吸仪测定煤样瓦斯解吸量，根据其解吸规律和煤样暴露时间计算损失瓦斯量，实验室得到瓦斯残存量和粉碎瓦斯解吸量，通过瓦斯解吸量、损失量、粉碎瓦斯解吸量和残存瓦斯量之和等数据得到工作面残余瓦斯含量。本次测定使用中煤科工重庆院生产的DGC型瓦斯含量直接测定装置，主要研究残余瓦斯含量与钻孔取样深度的关系，其目的是给出解决取样过程中残余瓦斯含量的相关影响因素，为矿井工作面瓦斯抽采达标提供精准的瓦斯含量参数。

（二）工作面测定方法

打钻：在2103轨道、胶带巷双向每隔100m垂直煤壁施工1个孔径75mm、孔深12～58m的钻孔。

采样：当钻头钻进到预定位置时，用备好的煤样罐接取550g煤屑。

现场测定：煤样取出后，选取煤样粒径较大且质量大于500g，快速封入煤样筒并拧紧密封，然后将煤样筒与瓦斯解吸测定仪快速连接，开始井下现场瓦斯解析。

井下解吸仪连接前进行准确读初值，气体涌出后迅速读取液面刻度并打开秒表计时，并实施全过程记录好暴露时间、解吸时间，每一个阶段时间量管读取相关必要数据。每隔1min读取量管的1次数据，时间达到 30min时停止解吸。解吸完毕后，将煤样筒密封，待升井时一同带入实验室。

（三）测定结果

本次测定选取了2103工作面共7个钻孔测点，每个测点孔深均不同，测定结果如表1所示。

根据2103工作面瓦斯含量测定结果，绘制了2103工作面各个钻孔瓦斯含量与取样深度拟合曲线、2103工作面瓦斯含量与取样深度拟合函数、2103工作面所有钻孔瓦斯含量与取样深度拟合曲线，如图1、表2、图2所示。

四、不同取样深度的瓦斯含量分析

通过图1、图2可以看出钻孔孔深最深为58m，但是瓦斯含量值不高。钻孔取样深度在12～20m时，可能由于两端巷道瓦斯预排在等值宽度范围的影响，瓦斯含量较小。深度在20～30m时，瓦斯含量有增高的趋势，但还不是最高。深度在30～40m时，瓦斯解吸量大，瓦斯含量最高。深度在40～50m和50m～60m时，随着取样深度的增加，风排瓦斯大，瓦斯损失大，井下解吸在1～30min内瓦斯解吸量小，瓦斯含量有下降的趋势。

随着工作面钻孔取样深度的增加，钻机在施工钻孔时受煤层瓦斯压力及构造煤因素，出现夹钻、偏移等影响因素，造成取出的煤样误差较大。

随着工作面钻孔取样深度的增加，取样时间也相应增加，煤在长时间摩擦下，煤样的粒度变小或呈粉碎状，造成残余瓦斯含量值变小，其结果不能反映工作面真实参数。

五、结论

测定结果表明，吉宁矿2103工作面在残余瓦斯量煤样取样过程中深度在30～40m时，测得残余瓦斯含量曲线结果达到最佳值。实验证明，钻孔取样深度在30～40m时，是取样钻孔设计合理依据，也是优化取样钻孔施工工程量和取样时间最优措施，成果为矿井采掘工作面瓦斯涌出量预测、瓦斯抽采达标提供了重要的瓦斯治理技术参数支撑。

通过对吉宁矿2103工作面的实际取样结果分析，取样结果非常准确，能够客观地反映2103工作面各地点的瓦斯含量情况。在今后吉宁矿的瓦斯基础参数测定及工作面瓦斯抽采达标评判中，能够为矿井节省大量人力、物力并缩短取样时间，确保取样工作顺利开展。

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