煤层瓦斯抽放的难易程度影响因数分析

杜洪涛 徐海东 (新疆煤炭设计研究院有限责任公司)
摘要：煤的瓦斯含量直接影响煤层含瓦斯的多少和矿井瓦斯涌出量的大小，对于正确设计矿井通风，进行瓦斯抽放，以及生产矿井的正常通风瓦斯管理都有很大的意义。通过钻孔分析和测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量、钻孔瓦斯流量及衰减系数和煤层透气性系数等几项指标来判定煤层瓦斯抽放的难易程度。因此煤层的各项瓦斯参数指标是指导矿井生产和科研工作的重要基础资料。
关键词：瓦斯含量  瓦斯压力  煤层可抽性
        1　煤层瓦斯含量
        煤层瓦斯含量是指单位质量或单位体积的煤在自然状态下所含游离和吸附瓦斯的总和。采用间接法测定，即在现场测定煤层瓦斯压力基础上，取煤样在实验室作吸附实验，应用朗格缪尔公式进行计算含量。
        式中：x——瓦斯含量，m3/t；a、b——吸附常数；p——瓦斯压力，MPa；Mad——水份，%；Aad——灰份，%；F——孔隙率，%；ARD——视密度，t/m3。
        1.1　煤层瓦斯压力测定 测定煤层瓦斯压力的方法有多种，有用专用的机械装置和液体测压、水泥砂浆封孔测压及粘土测压法。①
在测压钻孔内插入带有压力表接头的紫铜管，管径为6～8mm，长度不小于7mm；②将特制的柱状粘土送入孔内，柱状粘土末端距紫铜管末端0.2～0.5m，每次送入0.3～0.5m，用堵棍捣实；③每堵1m粘土柱打入1个木塞，木塞直径小于钻孔直径10～15mm；④在孔口（0.5～1m）用水泥砂浆封堵。经24h水泥凝固后，安上压力表测压，稳定后的压力即为煤层瓦斯压力。
        理论与实践表明，计算煤层瓦斯含量时应当考虑水份、灰份、温度和瓦斯压缩系数的影响，对于一般矿井，瓦斯压力、温度不高，其温度、瓦斯压缩系数的影响较小，可以不考虑；但对于深部开采的高温、高瓦斯压力的矿井，应当考虑温度等影响。
        1.2　煤层瓦斯压力梯度 煤层瓦斯运移的总趋势是瓦斯由地层深部向地表逸散，这一规律决定了煤层瓦斯压力随深度的增加而增大。但即使在同一采深的情况下，不同矿区的瓦斯压力有很大差别，瓦斯压力梯度也不尽相同。
        式中：P——在深度H处的瓦斯压力，MPa；　H0——瓦斯风化带深度，m；H——距地表垂深，m；m——瓦斯压力梯度，MPa/m；　p0——瓦斯风化带；　H0——深处的瓦斯压力，取为0.15～0.2MPa。
        1.3　钻孔瓦斯流量及其衰减系数的测定 测定采用目前通行的方法，即利用测压钻孔测定煤层瓦斯压力，压力值稳定后卸下压力表，再利用煤气表测定钻孔瓦斯流量和其随时间的变化关系。目前采用煤气表人工读数方法能满足测试精度要求。
        在测压结束后卸下压力表，安上煤气表测定钻孔的自然瓦斯流量，并观测其随时间的变化值，直到稳定在某一数值为止；根据测定结果，计算钻孔瓦斯流量衰减系数。
        钻孔瓦斯流量衰减系数可以作为评估开采煤层瓦斯预抽难易程度的一个指标。钻孔瓦斯流量衰减系数的具体测定方法是：先测定初始流量q0，经时间t后（流量达到稳定），再测其瓦斯流量qt，然后用下式回归计算衰减系数a：
        式中a——钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；q0——钻孔初始瓦斯流量，m3/min；qt——经t时间后的钻孔瓦斯流量，m3/min；t——时间，d。
        1.4 煤层透气性系数的测定 国内外测定煤层透气性系数方法不尽相同，其结果也不相同；但具有一致性，一般突出煤层的原始煤层透气性系数较非突出煤层低。在井下直接测定煤层透气性系数方法，常用的有：P.M.克里切斯基法、马克尼瓦斯压力恢复曲线法和中国矿院方法，它们均是以径向不稳定流动理论为计算基础。
煤层透气性系数容易受应力状态、瓦斯排放等因素的影响（前苏联东方煤矿安全研究所研究表明：λ=aｅ-(bp+c)σ
式中a、b、c——经验系数；p——瓦斯压力，MPa；σ——应力垂直分量，MPa。
        2　煤层可抽性评价
        瓦斯抽放指标是用来衡量煤层瓦斯抽放难易程度的参数，常用的有煤层透气性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数。
        根据国家安全生产行业标准AQ1027－2006《煤矿瓦斯抽放规范》（以下简称《抽放规范》）的有关规定，将未卸压的原始煤层的抽放难易程度划分为：容易抽放、可以抽放、较难抽放三种类型，并规定了相应的取值范围。
        3　实例分析
        新疆天池能源有限责任公司丁家湾煤矿设计生产能力90万t/a。井田东西长约0.9～2.35km，南北宽约1.8～2.22km，面积4.0km2；井田为一单斜构造，地层大体上向西倾。井田构造的复杂程度属于中等。矿井采用斜井开拓，单水平上下山开采；主要开采煤层为A4、A3、A1-2煤层，开采煤种为气煤。
        矿井在开采过程中对布置A4、A1-2煤层的开采巷道进行了钻孔取样测试
        根据计算A3、A4煤层属于可以抽放煤层，建议在采掘活动中，严格执行先抽后采（掘）的原则，待按有关抽采标准和规范要求并经评价抽采防突有效后，方可进行采掘作业。
        ４ 结论
        煤层中的瓦斯以三种状态存在：游离瓦斯、吸附瓦斯和吸收瓦斯。吸收瓦斯量很少，在煤体内活动性不大，测量上也存在困难，一般不予测定。煤的瓦斯含量通常只是包括游离瓦斯和吸附瓦斯两部分。游离瓦斯可以根据煤的孔隙率与瓦斯压力经行计算，吸附瓦斯根据煤的吸附常数进行计算。通过钻孔分析和测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量、钻孔瓦斯流量及衰减系数和煤层透气性系数等指标是指导矿井开展瓦斯抽放设计及施工的科学依据。
参考文献：
[1]苏现波，陈江峰，等.煤层气地质学与勘探开发[M].北京：科学出版社.2001.
[2]许江，等.煤与瓦斯突出潜在危险区预测的研究[M].重庆：重庆大学出版社.2004.
[3]王强.煤矿瓦斯抽放规范、瓦斯利用及瓦斯灾害防治综合治理技术手册[M].北京：中国煤炭出版社.2007