瓦斯关键参数检测方法及治理建议

王晋茂

（山西高平科兴牛山煤业有限公司，山西 高平 048400）

引言

瓦斯是煤矿生产不可避免的产物，严重威胁着掘进、采煤工作面的安全生产。因此，精确掌握煤矿瓦斯的相关参数特征对预测瓦斯的涌出量和突出量具有指导作用，进而可精准开展对掘进工作面、综采工作面瓦斯的治理工作[1]。本文以山西高平科兴牛山煤业为例，开展关于瓦斯地质基础、关键参数的测定方法及设备选型，为后续瓦斯的治理工作提供支撑。

1 工程概况

牛山煤业地处山西省高平市，该矿井含煤地层包括有山西组和太原组。该矿井可采煤层包括有3号、9 号、15 号，其对应的具体地质条件如下：

1）3 号煤为区内主要的可采煤层，赋存于山西组的下部，煤层厚0～9.71 m，平均5.71 m，顶板为砂岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩,全区稳定可采。

2）9 号煤层位于太原组下部，煤层厚0～2.65 m，平均厚1.74 m，结构简单，0～1 层矸石。煤层顶板多为中粗砂岩，局部为泥岩、砂质泥岩；底板为砂质泥岩。9 号煤层在井田内较稳定，结构简单，为区内较稳定的可采煤层。

3）15 号煤层位于太原组下部，煤层厚1.77～5.76 m，平均4.25 m。煤层结构简单—复杂，直接顶板为泥岩或石灰岩，底板为泥岩或粉砂质泥岩，本煤层区内稳定发育，属全区稳定可采煤层。

2 瓦斯关键参数的测定

为精确了解牛山煤业瓦斯的相关参数特征，以该煤业3 号、9 号煤层为例对瓦斯吸附常数a、b 值，瓦斯含量，瓦斯压力，钻孔瓦斯流量衰减系数等参数进行测定[2]。本次瓦斯参数测定瓦斯的取样地点主要为如图1 所示的一采区机轨合一巷、一采区回风巷、90102 进风巷、90102 回风巷和90101 首采面。

图1 瓦斯取样地点

2.1 瓦斯吸附常数a 值和b 值的测定

a 值表示煤可燃基的极限吸附瓦斯量，即在某一温度下当瓦斯压力趋近于无穷大时的最大吸附瓦斯量，也称朗缪尔体积，单位为m3/t；b 为朗缪尔压力倒数，也为一吸附常数，单位为MPa-1。本项参数测定所选设备为HCA 高压容量法瓦斯吸附装置[3]，取样地点为一采区机轨合一巷和一采区回风巷，90102 进风巷和回风巷四个位置。

2.2 瓦斯含量的测定

煤层瓦斯含量指的是单位质量煤质中所含瓦斯的体积。目前，针对瓦斯含量测定所依据的标准为：GB/T 23250—2009，可采用直接法测定和间接法测定。本项参数的取样地点为一采区机轨合一巷、一采区回风巷、90102 进风巷、90102 回风巷和90101 首采面，分别记为1 号、2 号、3 号、4 号和5 号。

2.3 瓦斯压力的测定

煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产生的作用力，由游离瓦斯形成，即瓦斯作用于孔隙壁的压力[4]。目前，针对瓦斯压力测定所依据的标准为AQ-T 1047—2007。本项参数的取样地点为一采区机轨合一巷、一采区回风巷、90102 进风巷、90102 回风巷和90101 首采面。

2.4 瓦斯流量衰减系数β 的测定

瓦斯流量衰减系数是衡量煤层瓦斯抽放难易程度的重要指标，它表示钻孔瓦斯流量随时间变化的衰减速度，可通过测定流量与时间的关系来计算，如式（1）所示：

式中，Q0为钻孔成孔初始时的瓦斯流量；Qt为钻孔1 d 后排放时的瓦斯流量；t 为钻孔瓦斯涌出经历过时间，取t=1 d。

3 瓦斯参数测定结果分析

3.1 瓦斯吸附常数a 值和b 值的测定结果

瓦斯吸附常数a 值和b 值的测定结果如表1 所示。

表1 瓦斯吸附常数a值和b 值的测定结果

如表1 所示：3 号煤层吸附常数a 的平均值为40.475 5 m3/t；b 的平均值为1.631 5 MPa-1；9 号煤层吸附常数a 的平均值为36.070 4 m3/t；b 的平均值为1.5233 MPa-1。

3.2 瓦斯含量测定结果分析

瓦斯含量测定结果汇总如表2 所示。

表2 3 号、9 号煤层瓦斯含量测定结果汇总 mL/g

分析表2 可知：牛山煤业3 号煤层瓦斯含量为3.63～3.77 m3/t，测定的煤层最大瓦斯含量为3.77 m3/t，煤层瓦斯含量较低；9 号煤层瓦斯含量为2.62～2.73 m3/t，测定的煤层最大瓦斯含量为2.73 m3/t，煤层瓦斯含量较低。通风完全可以满足煤层开采所需要的瓦斯工作条件，不需要进行瓦斯抽采工作。

3.3 瓦斯压力的测定

瓦斯压力的测定需依据测压钻孔完成，但是在实际测量过程中发现测压钻孔存在封孔不严的问题，导致所测得瓦斯压力值不准确[5]。因此，本文采用间接法对瓦斯压力值进行测定，即根据瓦斯含量值对瓦斯压力进行反推算，经推算所得瓦斯压力值如表3 所示。

表3 瓦斯压力值测定结果

3.4 瓦斯衰减系数的测定

根据“2.4”所述，瓦斯衰减系数需掌握煤层的起始流量和最终流量以及所测定的天数，瓦斯衰减系数的测定结果如表4 所示。

表4 瓦斯衰减系数测定结果

4 牛山煤业瓦斯治理建议

经对牛山煤业3 号、9 号煤层的瓦斯关键参数测定结果的分析，对其瓦斯治理提出如下建议：

1）在地质构造处，煤层的坚固性系数将变小，同时煤层瓦斯压力、放散初速度及破坏类型均会发生变化，遇到地质构造带或瓦斯涌出异常区时，必须及时测定煤层瓦斯含量、瓦斯压力等基础参数，准确掌握煤层瓦斯相关参数，为矿井进一步瓦斯治理提供依据。如有瓦斯涌出异常现象，须采取区域防突、局部防突、瓦斯抽采等必要的安全技术措施。

2）煤层瓦斯参数随着采掘巷道向新区域的延伸逐渐发生变化，建议矿方将瓦斯参数测定工作常态化，随时掌握煤层瓦斯的变化及突出危险性情况，确保矿井安全生产。

5 结论

1）3 号、9 号煤层吸附常数a 分别为40.48 m3/t、36.070 4 m3/t，吸附常数b 分别为1.63 MPa-1、1.523 3 MPa-1；3 号、9 号煤层瓦斯含量分别为3.77 m3/t 和2.73 m3/t，瓦斯压力值均为0.05 MPa，瓦斯流量衰减系数分别为0.115 d-1、0.095 d-1。

2）工作面瓦斯参数属于动态变化，矿方应将瓦斯测定列为常态化工作，随时并对应性地采取区域防突、局部防突、瓦斯抽采等必要的安全技术措施。