四棵树二号井煤层瓦斯赋存及涌出规律研究

王正帅，杨 周

（1.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037;2.乌苏四棵树煤炭有限责任公司，新疆 维吾尔 833300）

0 引 言

新疆煤炭资源丰富，预测资源量2.19 万亿t，居全国之首[1]。近年来煤炭产量逐渐提升，已居全国第四，2021 年原煤产量3.19 亿t。已逐渐由低强度开发向高强度开发转变，由浅埋深向大埋深转变，由机械化向智能化转变，但不利的是近些年很多矿井瓦斯等级提高，由低瓦斯升级为高瓦斯、高瓦斯升级为突出矿井，甚至个别矿井在两三年内由低瓦斯升级为了突出矿井。艾维尔沟[2-4]、库拜[5]等矿区瓦斯灾害已成为制约安全生产的第一灾害。其他矿区瓦斯灾害也日渐突显，普通钻孔抽采[6]、定向长钻孔抽采[7]、地面井抽采[8]、水力化增透措施[9-10]等也逐渐得到引进与应用。

但目前不少矿井仍存在瓦斯基本参数不全、瓦斯赋存规律不清、瓦斯涌出规律不明，低瓦斯、高瓦斯矿井瓦斯超限时常发生。本文对四棵树二号井A5 煤层的瓦斯气体组分进行测试确定了瓦斯分带，测定了原始瓦斯压力和瓦斯含量，现场考察研究了工作面产量和风量对工作面绝对瓦斯涌出量、上隅角瓦斯浓度及回风流瓦斯浓度的影响，为矿井掌握煤层瓦斯赋存及涌出规律，制定瓦斯治理和管理措施、确定生产任务提供参考。

1 矿井概况

四棵树煤炭公司二号井位于乌苏市西南约41 km，属乌苏市吉尔格勒特蒙古自治乡管辖，交通较为便利。井田走向长1 200～2 000 m，宽600～800 m，面积1.175 4 km2。井田含煤地层为下侏罗统八道湾组（J1b），共含煤3 层，自上而下编号为A5、A4、A3，平均可采总厚度为8.64 m。A5 煤层为厚—特厚煤层，是井田内主采煤层，煤厚3.4～5.4 m，平均厚度为4.39 m，为较稳定煤层。矿井采用斜井开拓单水平（+1 170 m）上下山开采，采区在A5 煤层中布置了3 条下山，上山阶段垂高约180 m，下山阶段垂高约49 m。

A5 煤层呈黑色，条痕显黑色—褐黑色，条带状结构，煤的容重A5 为1.33 t/m3，属长焰煤，属特低灰—中灰、特低磷—中磷、特低硫、高熔灰分、中高强度富油—高油煤，是良好的工业动力用煤，也是较好的炼油煤和气化用煤。煤尘具有爆炸性。煤层自燃倾向性为易—很易自燃。

2 瓦斯赋存规律

研究区域为二号井A5 煤层的未采范围，其范围为走向上西以A5 煤层停采线为界，东以井田边界为界；倾向范围为+1 170～+1 130 m，距地表深度约300～400 m，该范围北部、西部、南部均为采空区，研究区域如图1 中虚线所示。

图1 研究区域及瓦斯含量、压力、气样测点示意Fig.1 Research area and gas content,pressure,gas sample measuring point diagram

2.1 瓦斯气体组分与瓦斯分带

根据煤化过程生成瓦斯特点，煤层瓦斯组分沿赋存深度表现为带状分布。煤层瓦斯自上向下分为4 个带：CO2-N2带、N2带、N2-CH4带、CH4带。其中，前3 个带通常称为瓦斯风化带，各瓦斯分带依据气体组分的划分标准见表1。

表1 煤层瓦斯垂向各带主要气体组分Table 1 Main gas components in vertical zones of coal seam gas

采集3 个A5 煤层气样，其采集方法为施工上向钻孔，并于钻孔底部抽取气样。施工地点为A508 轨道顺槽里程约350 m、A508 运输顺槽里程约290 m、A507 运输顺槽里程约190 m 处，具体位置如图1 所示。钻孔施工完毕后立即送入铁管（管内固定胶皮管）至孔底，并用聚氨酯封孔8 m；然后用抽气泵将孔内气体抽出采样并送实验室测定气体组分，其测定结果见表2。根据实验室测定数据，气体组成中CO2小于10%、N2介于20%～80%、CH4介于20%～ 80%。因此，研究区域A5煤层瓦斯分带属于N2-CH4带。

表2 A5 煤层瓦斯气样组分Table 2 Gas sample components of A5 coal seam

2.2 瓦斯参数赋存规律

2.2.1 瓦斯压力

对研究区域内A5 煤层进行了瓦斯压力测定，在选择测压孔位置时，避开了断层、地质构造裂隙带、采动、瓦斯抽采及其他人为卸压等影响范围，并保证测压钻孔与上述影响范围间距不小于50 m。同一地点设2 个测压钻孔，2 个钻孔见煤点或者测压气室的距离应大于20 m。钻孔布置如图1 所示，测压情况见表3。

表3 瓦斯压力测定结果Table 3 Gas pressure measurement results

瓦斯压力测定结束后，拆卸压力表时5-1 钻孔内有水涌出且拆表后数天有水流出，5-2 钻孔无水涌出，5-1 和5-2 号钻孔测压室较近，分析认为5-1 号钻孔见顶板含水层。钻孔5-2 封孔效果较好，封孔长度满足要求。综合分析后取5-2 号钻孔压力（0.62 MPa）为该测点煤层瓦斯压力。

2.2.2 瓦斯含量

对研究区域内A5 煤层进行瓦斯含量测定，其钻孔布置如图1 所示，测定结果见表4。A5 煤层最大原始瓦斯含量2.72 m3/t，可解吸瓦斯含量最大2.28 m3/t。

表4 瓦斯含量测定结果Table 4 Determination results of gas content

2.3 瓦斯涌出规律分析

采煤工作面为A507 综放采煤工作面，其采煤方法为走向长壁后退式综采放顶煤，全部垮落法管理顶板。考察研究期为80 d，期间内采煤过程中每天3 个班分别统计监测统计工作面产量、工作面风量、工作面绝对瓦斯涌出量、上隅角瓦斯浓度、回风流瓦斯浓度情况。工作面每班产量共设计4 个区间，其中，第一区间300 t 左右，第二区间600 t 左右，第三区间700 t 左右，第四区间900 t 左右，每个区间大约生产15～20 d。

对统计的数据进行分析，得到工作面绝对瓦斯涌出量与班产量的关系，如图2 所示，工作面绝对瓦斯涌出量为1.12～8.48 m3/min，最大值是最小值的约8 倍，反映出工作面瓦斯赋存不均匀，存在局部异常区域，但整体上呈现出工作面产量越大工作面绝对瓦斯涌出量越大的规律，较大的几个绝对瓦斯涌出量均出现在班产量900 t 左右时。同时得出，工作面绝对瓦斯涌出量5 m3/min 对应的班产量约为600 t，其日产量约为1 800 t。

图3 为上隅角瓦斯浓度与班产量的关系，当工作面班产量超过605 t 时易出现上隅角超限，监测期间的5 次超限均发生在班产量605 t 以上，班产量290～ 370 t（第一区间）时，上隅角瓦斯浓度0.1%～0.58%；班产量545～625 t（第二区间）时，上隅角瓦斯浓度0.16%～1.29%；班产量695～790 t（第三区间）时，上隅角瓦斯浓度0.19%～1.06%；班产量825～905 t（第四区间）时，上隅角瓦斯浓度0.25%～1.51%。整体上呈现上隅角瓦斯浓度随日产量增加而增大的规律，而且产量越大上隅角瓦斯浓度分布越发散，越不易控制。

图3 A507 采煤工作面上隅角瓦斯浓度与产量Fig.3 Gas concentration and yield in upper corner of A507 coal mining face

图4 为回风流瓦斯浓度与班产量的关系，产量由第一区间提高到第四区间时，回风流最小瓦斯浓度从0.08%增加到了0.16%，其中第一区间到第二区间增幅最大，此后虽最小瓦斯浓度仍有增大，但增加幅度不大，具体见表5。

表5 不同产量区间瓦斯浓度Table 5 Gas concentration in different production intervals

图4 A507 采煤工作面回风流瓦斯浓度与产量Fig.4 Gas concentration and yield of return air flowin A507 coal mining face

图5 为工作面绝对瓦斯涌出量与工作面风量的关系，工作面回采期间风量控制较稳定，基本在892～912 m3/min。从图5 也可以看出风量基本稳定的情况下，工作面的绝对瓦斯涌出量差别很大，如风量892 m3/min 时，绝对瓦斯涌出量最小为3.39 m3/min，最大为7.94 m3/min；风量908 m3/min 时，绝对瓦斯涌出量最小为2.92 m3/min，最大为8.48 m3/min，相差近3 倍，同样说明工作面瓦斯赋存不稳定、差异较大。另外，随着风量的变化绝对瓦斯涌出量没有呈现出规律性变化，也说明风量对工作面绝对瓦斯涌出量不构成影响。

图5 A507 采煤工作面绝对瓦斯涌出量与风量Fig.5 Absolute gas emission and air volume of A507 coal mining face

3 结 论

（1）A5 煤层瓦斯气体组成中CO2小于10%、N2介于20%～ 80%、CH4介于20%～ 80%，A5 煤层瓦斯分带属于N2-CH4带。

（2）研究区域内A5 煤层最大相对瓦斯压力0.62 MPa，最大原始瓦斯含量2.72 m3/t，最大可解吸瓦斯含量2.28 m3/t。

（3）区域内瓦斯赋存不稳定、差异较大，存在局部异常区，工作面绝对瓦斯涌出量及上隅角瓦斯浓度整体上呈现出随产量增加而增大的规律，工作面绝对瓦斯涌出量5 m3/min 对应的班产量约为600 t，产量越大上隅角瓦斯浓度分布约发散，越不易控制。

（4）回风流瓦斯浓度随班产量从300 t 左右提升至600 t 左右时增加幅度较大，但从600 t 左右提升到900 t 左右时增加不明显。工作面绝对瓦斯涌出量差别很大，但风量对其不构成影响。