一缘煤矿瓦斯灾害防治技术研究.pdf

致 谢 致 谢 本论文是在王继仁教授的悉心指导下完成的，没有王继仁教授的指导、鼓励及资 金上的大力支持，论文是不可能得以顺利完成的。师从三载，收获颇丰，感触亦深。 王继仁老师优秀的做人品质，严谨的治学态度，开拓创新的精神，高屋建瓴把握全 局的能力，忘我的工作精神给学生树立起潜移默化的典范作用，这也是导师传授给 学生最宝贵的财富。在此，谨向我的导师致以深深的敬意。 感谢邓存宝老师以及张兴华院长对我论文的研究与撰写中给予的无私帮助。 . i . 摘 要 摘 要 本文主要对一缘煤矿瓦斯基础参数进行测定，并应用单项指标法对矿井瓦斯突 出危险性进行了预测。通过对矿井瓦斯赋存规律的研究，说明一缘煤矿煤层上覆岩 层的厚度及顶底板岩性对瓦斯赋存规律的影响较大，根据埋深和含量的关系，给出 了 矿 井 瓦 斯 含 量 梯 度 曲 线 ， 并 根 据 瓦 斯 含 量 梯 度 曲 线 利 用 等 值 线 绘 制 软 件 surfer8.0 绘制 15 号煤层瓦斯含量等值线，并通过 autocad2008 输出，提交 15# 煤层的瓦斯地质图。 根据一缘煤矿瓦斯含量大的特点，通过收集近几年一缘煤矿瓦斯统计资 料，对矿井瓦斯涌出量进行了预测，预测结果显示与矿井瓦斯涌出特征基本一 致。研究 150103 工作面瓦斯涌出特征，并根据一缘煤矿特殊的瓦斯涌出规律， 提出了瓦斯灾害治理的一些措施，主要是瓦斯抽放方案的优化，并确定 150109 工作面高位抽巷的位置。 关键词：关键词：瓦斯；基础参数；突出危险性；含量梯度；高位抽巷 - ii - abstract the paper mainly determine gas basic parameters of yiyuan mine,single index method is used to predicte the mine gas danger. by the study of rule of gas in yiyuan mine, the paper shows that thickness of the overlying bedrock and roof and floor lithologic characters have an large effect on rule of gas. according to burying depth and content relations, gradient curve of gas content is showed, isopleths protracting sofeware surfer8.0 is used to draw the isoline map of num.15 coal seam. which is printed through autocad2008. gas the geological is showed.on the basis of the characteristic large gas content, according to surveys of gas in yiyuan mine conducted over the last few years, amount of gas emission is estimated, it shows that the forecast results correspond to gas emission characteristic. research of 150103 face gas emission features,and accord to yiyuan mine special gas emission law,control measures on the question of gas drainage optimization is offered,the mainly method is the optimization of gas drainage scheme,and identify high roadway 150109 faces position. keywords:gas;basic parameters;outburst hazard;content gradient;gas drainage in high level roadway - iii - 目 录 目 录 摘 要 .i abstract. ii 引言引言 . 1 1 绪论 . 2 1.1 论文的研究背景及意义 .2 1.1.1 我国煤矿安全形势严峻瓦斯灾害严重. 2 1.1.2 研究背景 . 2 1.1.3 研究意义 . 3 1.2 国内外研究历史及现状 .3 1.3 论文的主要内容及技术路线 .6 1.3.1 论文的主要内容 . 6 1.3.2 论文的技术路线 . 7 2 矿井瓦斯基础参数测定. 8 2.1 煤层瓦斯含量的测定 .8 2.2 煤的瓦斯吸附常数 a，b 值 .11 2.3 煤层瓦斯压力 .12 2.4 钻孔瓦斯自然涌出特征 .17 2.5 煤层透气性系数 .19 3 矿井瓦斯等级鉴定. 20 3.1 矿井概况 .20 3.1.1 可采煤层特征 . 20 3.1.2 井田开拓布置 . 21 3.1.3 采煤方法 . 22 3.1.4 矿井通风 . 22 3.2 煤层突出危险性预测 .22 3.2.1 煤的破坏类型的确定 . 22 - iv - 3.2.2 煤的坚固性系数（f）的测定 . 23 3.2.3 煤的瓦斯放散初速度（p）的测定 . 24 3.2.4 煤与瓦斯突出危险性预测 . 25 3.3 矿井瓦斯涌出量预测 .26 3.3.1 回采工作面瓦斯涌出量预测：. 26 3.3.2 掘进工作面瓦斯涌出量 . 29 3.3.3 矿井瓦斯涌出量预测 . 30 3.3.4 矿井瓦斯风排资料统计 . 32 3.4 矿井瓦斯等级鉴定结果 .33 4 矿井瓦斯赋存规律研究. 34 4.1 矿井瓦斯地质规律研究 .34 4.1.1 矿井地质构造 . 34 4.1.2 煤层顶底板岩性对瓦斯赋存的影响规律研究 . 35 4.1.3 煤层上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响. 36 4.1.4 岩溶陷落柱对瓦斯赋存的影响. 37 4.2 煤层瓦斯含量分布规律 .37 4.2.1 瓦斯含量梯度 . 37 4.2.2 数学方法与软件工具 . 38 4.2.3 数据来源 . 39 4.2.4 瓦斯含量等值线 . 39 5 一缘煤矿瓦斯灾害综合防治技术研究 . 41 5.1 一缘煤矿瓦斯灾害治理现状 .41 5.1.1 150103 工作面布置概况 . 41 5.1.2 150103 工作面瓦斯来源分析. 41 5.1.3 150103 工作面瓦斯涌出规律及特征研究 . 43 5.1.4 150103 现有的抽采方案 . 47 5.1.5 150103 工作面高位抽巷 . 53 5.2 150109 高位瓦斯抽巷抽放的确定 .53 - v - 5.2.1 高抽巷在裂隙带内高度的确定 . 53 5.2.2 顶板高抽巷水平位置的确定. 54 5.2.3 顶板高抽巷的施工. 56 5.2.4 通过高位钻孔考察高抽巷位置的合理性 . 56 6 结论及建议 . 61 6.1 结论 .61 6.2 展望 .61 - 1 - 引言引言 高效安全生产是煤矿工作的重中之重，制约煤矿高效安全生产的主要灾害 因素就是瓦斯灾害。煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象，不仅能够摧毁 井巷设施、破坏矿井通风系统，而且会造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引 起瓦斯爆炸与火灾等事故。因此，加强煤矿瓦斯监测，对煤矿瓦斯基础参数进 行测定以及对可能具有突出危险性的矿井进行煤与瓦斯突出鉴定是非常必要 的。根据晋中市安全生产监督管理局市安监煤安200611 号文件对煤矿瓦斯鉴 定报告，山西和顺一缘煤业有限公司瓦斯相对涌出量为 10.24m3/t，瓦斯绝对涌 出量为 12.85m3/min；二氧化碳相对涌出量为 1.11 m3/t，绝对涌出量为 1.39 m3/min，为高瓦斯矿井。一缘煤矿矿井瓦斯赋存丰富，瓦斯含量大，同时伴有 井下动力现象的出现，直接制约着煤矿的安全生产和发展。因此，掌握矿井瓦 斯地质规律、矿井瓦斯赋存规律以及瓦斯基础参数， 作为指导安全生产的依据， 以便进行高效的瓦斯预测与治理，有的放矢的综合防治瓦斯灾害，更好地用于 指导矿井安全生产和瓦斯资源开发利用，构建本质安全型矿井，以促使矿井的 持续健康发展。 - 2 - 1 绪论绪论 1.1 论文的研究背景及意义 1.1.1 我国煤矿安全形势严峻瓦斯灾害严重 我国是一个多煤少油的国家，已探明的煤炭储量占世里煤炭储量的 33.8 ，可采储量位居世界第二位，产量位居世界第一位，出口量仅次于澳大利亚。 煤炭在我国一次性能源结构中处于绝对位置，并将长期处于能源战略的核心地 位。2010 年煤炭在一次性能源生产和消费中仍占据 60%左右。因此煤炭开采成 为我国能源战略的重中之重。 随着我国煤炭开采技术的发展以及煤炭资源的慢慢枯竭，煤层采深在慢慢 增加，伴随而来的就是深部动力灾害的增加。深部动力灾害的主要灾害之一就 是煤与瓦斯突出。近年来，我国煤矿各类灾害事故死亡人数都在 600 人左右， 而尤其以瓦斯灾害最为严重。据统计，在煤矿各企业所发生的一次性死亡人数 10 人以上的事故中，瓦斯事故分别占事故起数的 72.7%、死亡人数的 77%。而 瓦斯事故又尤其以煤与瓦斯突出事故为主。尤其是 2004 年发生的“10.20”大 平矿难、“11.28”陈家山矿难和 2005 年“2.14”新孙家湾矿难，死亡人数共 达 528 人，引起了国内外广泛关注，影响极其恶劣。瓦斯灾害成为制约我国煤 矿安全、高效生产的最大障碍。人们通过多年的实践，得出与煤与瓦斯灾害作 斗争的宝贵经验，主要是要掌握矿井瓦斯地质规律、对矿井瓦斯进行突出鉴定 与预测以及矿井瓦斯涌出规律，通过对这些基础数据的掌握，拿出有效的治理 办法，才能够尽量避免瓦斯灾害的发生。 1.1.2 研究背景 随着煤矿开采条件越趋复杂性以及开采深度向纵向深度不断增加，煤层瓦斯含 量逐渐增大，采掘工作面瓦斯涌出量也呈逐年上升趋势，以致于造成瓦斯超限，事 故增多，尤其是高产高效矿井，由于开采强度大、生产集中、采掘速度快，使采煤 工作面瓦斯大量涌出，经常造成回风流和局部瓦斯超限的情况。煤矿瓦斯灾害已经 成为矿井最严重的灾害之一。国家监督部门对矿井瓦斯的研究及管理方面给予了极 大重视。由于瓦斯灾害的发生具有隐蔽性、不确定性的特点，这给对瓦斯灾害的研 究以及瓦斯预测带来了很大技术上的难度，始终未能取得较大突破，因此对瓦斯地 - 3 - 质规律及赋存运移规律的研究在时间上具有一定的紧迫性。为此，国家各级煤炭主 管部门以及各大煤炭企业集团都把瓦斯诊治工作放在首位，相继出台了一系列的法 律法规，力求掌握每个矿井的瓦斯基础情况，其中规定了资源整合高瓦斯矿井以及 煤与瓦斯突出矿井必须加快瓦斯基础参数测定以及突出危险性鉴定工作，任何开采 工作面都必须进行矿井瓦斯涌出量预测的工作。 根据山西省煤矿企业兼并重组整合工作领导组办公室文件关于晋中市和 顺县煤矿企业兼并重组整合方案（部分）的批复，和顺一缘煤矿现为资源整合 矿井，归属于潞安集团。一缘煤矿位于山西省和顺县义兴镇凤台村，东距县城 约 2.5km，行政区划属义兴镇管辖，其地理坐标： 东经：11330381130150 北纬：371914372128； 井田东邻联松联办一矿，北、西、南均无煤矿分布。本区位于沁水煤田东 北 部 。 井 田 范 围 为 不 规 则 的 多 边 形 ， 其 东 西 最 宽 约 1.96km ， 南 北 最 长 约 4.22km ，井田面积为 5.6898km2。井田范围内瓦斯含量高，属高瓦斯矿井，瓦 斯灾害严重制约着煤矿安全生产。 1.1.3 研究意义 本文围绕和顺一缘煤矿主采 15#煤层的瓦斯地质规律、煤的构造、煤层赋 存条件等因素对矿井瓦斯赋存及涌出规律做深入研究，通过矿井瓦斯基础参数 的测定，揭示矿井瓦斯概况，根据瓦斯基础参数对矿井进行了瓦斯涌出量预测 及突出危险性预测。并提出了如何防治瓦斯灾害的措施，保证矿井安全生产。 为高瓦斯矿井煤炭的安全生产、高效回采提供了可靠的科学依据，具有较大的 实用价值。 1.2 国内外研究历史及现状 （1）矿井瓦斯涌出量预测技术。 矿井瓦斯涌出量是矿井通风设计、瓦斯抽放和瓦斯管理必不可少的参数。 在研究瓦斯来源和瓦斯涌出量时，要同时考虑瓦斯地质条件和采矿技术条件。 目前国内瓦斯涌出量预测方法主要有三类：矿山统计法、煤层瓦斯含量法和瓦 斯来源分析法。 - 4 - 由于瓦斯涌出量预测是煤矿安全生产中非常重要的课题之一。我国从“七 五”一直到“十一五”开始不间断地研究矿井瓦斯涌出量预测技术。十几年来， 先后建立了地勘瓦斯含量解吸法、矿井瓦斯涌出量分源预测法等。针对具体情 况，国内很多专家学者结合了具体煤矿的特点以及实际情况，探讨出很多瓦斯 涌出量预测方法。莫亚林等人对基于煤壁瓦斯涌出初速度的综掘工作面给出了 其较为准确的瓦斯涌出量预测方法 1。此方法依托综掘工作面具有采、装、运 连续作业的特点和煤壁瓦斯涌出特征，并在此基础上建立了综掘工作面瓦斯涌 出量预测模型。李曲等人采用了基因表达式程序设计方法，对采煤工作面进行 瓦斯涌出量预测 2,建立了采煤工作面瓦斯涌出量的预测模型。袁东升应用三维 灰趋势面分析法，对矿井瓦斯涌出量进行预测 34。谢生荣5等人根据综合机 械采煤的特点和瓦斯流动理论，将瓦斯涌出源划分为煤壁（围岩）瓦斯涌出、 落煤瓦斯涌出、采空区（残煤）瓦斯涌出、以及上下邻近层（未采分层）瓦斯 涌出四个部分，系统地研究了综采工作面瓦斯涌出源的涌出规律，分别对各瓦 斯涌出源的瓦斯涌出量进行了预测，建立了一种适应性更加广泛且准确率更高 的综采工作面的瓦斯涌出量预测模型。 瓦斯涌出可以看作是一个非常复杂的关系，受空间、时间及煤层瓦斯赋存 条件的影响很大，具有多变性，在西方主要产煤国家和地区研究建立了瓦斯涌 出动态预测方法。例如： 1964 年，美国 lindine 等人根据所观察到的煤层气 含量和残余气含量与深度之间存在的非线性函数关系，提出了第一个预测生产 矿井瓦斯涌出量的经验模型。1968 年，airey 用数学方法，从理论上推导出第 一个预测矿井静止工作面瓦斯释放量的偏微分方程，采用解析法求解方程，建 立了一维、单孔隙的产量预测解析模型。 俄罗斯在进行瓦斯含量、涌出量预测的基础上，提出了煤层瓦斯分区分带 特性的研究。预测范围得到进一步的推广，并且能够对矿井中长期瓦斯涌出态 势及防治对策做出合理的评价及建议。 （2）矿井瓦斯抽采技术。 解决煤矿瓦斯灾害的一项重要措施就是对矿井瓦斯进行抽采。对于高瓦斯矿井 来说，当采掘速度较快或者矿井瓦斯涌出量较大时，靠矿井通风方法不能解决回采 工作面的瓦斯超限问题，就必须进行先抽采后掘进。煤层瓦斯预抽就是要从根本 - 5 - 上降低煤层瓦斯含量、瓦斯压力，保证高瓦斯矿井在低瓦斯状态下开采的唯一 途径 6。 目前，提高矿井瓦斯抽采率的方法有很多种。国内主要使用的方法是：钻 孔布置方式的改进，提高煤层透气性以及瓦斯抽放设备的不断更新。 煤是一种多孔介质，由于孔隙的存在，造成煤体内能够吸附瓦斯。煤的孔 隙裂隙分为两种：原生裂隙和再生裂隙，孔隙、裂隙在方向上存在一定的规律 性。煤层的物理性质和煤体的结构构造在一定程度上是由煤层的节理裂隙构造 决定的。煤的这种裂隙结构的特点对煤层瓦斯的赋存及抽采难易程度等产生重 要的影响 7。 煤层瓦斯抽采的一个重要难题就是煤层透气性的问题，煤层透气性差，抽 采效果不明显，对解决煤层瓦斯问题是一个瓶颈，因此，如何提高煤层透气性 成为一个比较棘手的课题。目前国内提高煤层透气性的技术主要有：水压致裂 和爆破致裂 8等。何伯温等人认为：煤是一种复杂的多孔性结构的介质，煤的 孔隙裂隙原生裂隙和再生裂隙两种，孔隙、裂隙方向具有一定的规律。煤层中 的节理裂隙构造在很大程度上决定着煤层的结构构造和物理性质，对瓦斯的赋 存及瓦斯抽采效果等产生重要的影响 9。因此选择合适的钻孔布置方式对瓦斯 抽采率的影响是非常大的。针对低透气性煤层抽采困难的问题，前苏联顿巴斯 和卡拉干达矿区最早提出并付诸实施了交叉钻孔强化预抽瓦斯的方法，显著提 高了低透气性煤层的瓦斯抽放率 10。 这种钻孔布置方式的特点是使工作面走向 方向与煤层节理方向垂直，沿工作面走向方向布置长距离、大孔径抽放钻孔。 既能提高钻孔的有效抽放半径， 又能最大限度地保证每个钻孔的有效抽放时间, 同时还能使每个钻孔都长时间处于卸压带和塑性极限应力带内，煤层透气性大 增，使抽放效果最大化 11。在受采动影响区域内，容易造成煤体发生塑性破坏， 使该应力带的煤体发生膨胀破坏现象，大量裂隙的产生给超前动压区抽放瓦斯 创造了有利条件 12。因此可以充分利用采动影响区，沿工作面轨道顺槽将瓦斯 钻孔始终定位在卸压带和塑性极限应力带 13。 钻孔密封是煤矿瓦斯抽采中一项 极为重要的技术工艺，封孔质量的好坏直接影响到抽放瓦斯量和抽采率。 德国、 日本全面推广应用聚氨酯封孔技术；俄罗斯用橡胶圈封孔器；美国主要用水泥 及其配套的机械装置封孔；英国用树脂及橡胶圈封孔器。 - 6 - 由于我国瓦斯矿井中有相当多的煤层的特点具有低透气性、难抽采、瓦斯 抽放率、瓦斯抽放量和抽放浓度低的特点。针对这些特点，对于如何改变煤层 瓦斯的渗透性和提高煤层瓦斯抽放率成为瓦斯综合治理研究亟待解决的困难 问题。目前，国内外在研究煤层气开采和井下瓦斯抽采过程中，提高煤层透气 性的方法主要有：水力压裂法、有控致裂爆破法、顺煤层定向长钻孔、大直径 钻孔卸压法、网孔布置法、泡沫压裂法、惰性气体置换法及酸性处理法等。有 些方法在国外煤层气的开采过程中试验成功，有些在我国煤矿井下试验过，取 得了相当不错的效果，但从综合效果上来看，由于生产条件、施工技术、安全 条件、生产成本等因素的影响，瓦斯抽采及煤层气开采的效果并不显著，或在 实际生产中难于应用和实施。 （3）瓦斯灾害防治技术 瓦斯灾害防治技术目前已经从局部性短兵相接的单项技术逐步发展成为 向区域性的以建立本质安全矿井为目的的包括瓦斯灾害易发区域的预测技术、 高效瓦斯抽采及抽采效果评价技术、瓦斯灾害监测预警技术等综合技术方向发 展 14。瓦斯灾害易发区域预测技术包括地质雷达超前探测地质构造技术、ps 波长距离构造超前探测技术、煤层瓦斯含量直接测定技术等等。瓦斯灾害监测 技术包括：红外瓦斯传感器技术、宽带监控系统。矿井瓦斯预警技术包括：瓦 斯地质及瓦斯赋存分析与预测、区域煤与瓦斯突出危险性预测、采掘工作面煤 与瓦斯突出危险性预测、瓦斯变化实时监控与预测、瓦斯爆炸危险性预测、系 统管理、矿图维护与输入输出等等。 1.3 论文的主要内容及技术路线 1.3.1 论文的主要内容 本文主要通过在收集一缘煤矿矿井基础资料的同时，对一缘煤矿瓦斯基础参数 进行测定，结合一缘煤矿瓦斯地质规律，根据煤与瓦斯突出预测单项指标法对矿井 突出危险性进行了预测；同时绘制矿井瓦斯地质图，给出矿井瓦斯的分布规律；并 对矿井瓦斯涌出量进行了预测分析，给出了治理瓦斯灾害的一些方法，主要是瓦斯 抽采方案的优化，并确定 150109 工作面高位抽巷的位置。 - 7 - 1.3.2 论文的技术路线 本文采取的研究方法是：首先对矿井收集资料，利用现场及实验室测定瓦 斯基础参数；用单项指标法对矿井突出危险性进行预测；利用 suffer 软件绘制 出矿井瓦斯地质图，同时给出矿井瓦斯分布规律；采用分源预测法对矿井瓦斯 涌出量进行预测；根据实验数据和矿井瓦斯条件，给出了治理一缘煤矿瓦斯灾 害的一些技术及方案。 - 8 - 2 矿井瓦斯基础参数测定矿井瓦斯基础参数测定 2.1 煤层瓦斯含量的测定 煤层瓦斯含量是指单位体积或者单位重量的煤体中含有的瓦斯量，通常用 m3/t 来表示。它是计算瓦斯储量和进行瓦斯涌出量预测的基础，也是判定煤与 瓦斯突出危险性的重要参数之一。 测定方法有直接法和间接法，本文主要采用直接法测定煤层瓦斯含量。 直接法测定煤层瓦斯含量，即利用煤层钻孔采集原始煤体煤芯，用解吸法 直接测定煤层瓦斯解吸量。该方法测定煤层瓦斯含量的原理是：根据煤样瓦斯 解吸量、解吸规律推算煤样从采集开始至装罐解吸测定前的损失瓦斯量，再利 用解吸测定后煤样中残存瓦斯量计算煤层瓦斯含量。从和顺一缘煤矿工作面的 现场条件出发，并根据瓦斯含量测定方法分析，得出测定一缘煤矿瓦斯含量的 步骤如下： （1）由于一缘煤矿掘进工作面没有 42mm 的麻花钻杆，因此，在新暴露 的掘金工作面煤壁上，用风钻和 75mm 的麻花钻杆垂直煤壁打一个孔深 10m 以上的钻孔，当钻孔钻至 10m 时开始取样，并记录采样开始时间 t1；通过现场 解析及实验对比情况分析，这种打钻方式较原来的使用 42mm、孔深 8m 打钻 速度快，原煤瓦斯损失量较小，可以更加真实的接近瓦斯损失量的数值。 （2）将采集的新鲜煤样装罐并记录采样地点和采样时间。煤样装罐后将 解析仪针头插入煤样罐，开始计时解吸测定的时间 t2，用 fhj-2 型瓦斯解吸速 度测定仪（图 2.1）测定不同时间 t 下的煤样累积瓦斯解吸总量 vi ，瓦斯解吸 速度测定一般为 2h， 解吸测定停止后用扳手及螺丝刀拧紧煤样罐以保证其不漏 气，并将记录的采样地点及时间的标签贴在煤样罐上，送实验室测定煤样残存 瓦斯量。 - 9 - 图 2.1 fhj2 型解吸速度测定仪 figure 2.1 fhj-2 desorptional rate tester （3）损失量计算 将不同解吸时间下测得的数据按下式换算成标准状态下的体积 v0i： v0i= ）（ ）（ w 5 isw0 t27310013. 1 h81. 92 .273 + vpp （2.1） 式中：v0i换算成标准状态下的解吸瓦斯体积，ml； vi不同时间解吸瓦斯测定值，ml； p0大气压力，pa； hw量管内水柱高度，mm； pshw下饱和水蒸汽压力，pa； tw量管内水温，。 煤样解吸测定前的暴露时间为 t0， t0=t2-t1， 本次测定 t0选择在 2 分钟以内， 具体情况根据井下实际操作为准；不同时间 t 下测定的 v0i值所对应的煤样实 际解吸时间为 t0+t；用 excel 表格绘制全部测点（t0+t） 0.5，v0i，将测点的直 线关系段延长与纵坐标轴相交，直线在纵坐标轴上的截距即为瓦斯损失量。 （4）将解吸测定后的煤样连同煤样罐送实验室测定其残存瓦斯含量、水 分、灰分、挥发份等； （5）根据煤样损失瓦斯量、解吸瓦斯量及残存瓦斯量和煤中可燃质重量， 即可求出煤样的瓦斯含量： x= （v0+v1+v2） /g0 （2.2） 式中：v0标准状态下煤样瓦斯解吸量，ml； - 10 - v1标准状态下煤样损失瓦斯量，ml； v2标准状态下煤样残存瓦斯量，ml； g0煤样可燃质重量，g； x煤样瓦斯含量，ml/gr。 为了满足瓦斯含量直接测定对煤芯的质量要求，重庆煤科院根据煤层特征 研制 zcy-1 型孔射取样和取芯管取样工艺及装置。 改造后的取芯工艺及装置适 用于结构较完整、硬度较大的煤层进行井下取芯，提高了瓦斯含量测定的准确 率 15。 本次实验适使用原始测定方法在一缘煤矿进行了煤层瓦斯含量实测工作， 选取了具有代表性的四个点作为瓦斯含量测定，这四个点分别为：150109 运输 顺槽距皮带巷 295m，150109 运顺掘进面距第二个躲避硐 10m 处，150109 运输 顺槽距皮带巷 80m，材料巷第二拐点。下面用一个实例来说明瓦斯损失量的计 算方法：在 150109 运输顺槽距皮带巷 295m 处通过打钻、取样、井下解吸，推 算瓦斯损失量（图 2.2）。实验室测定煤样残存瓦斯量、水分、灰分、挥发分、 煤样重量、可燃质质量及瓦斯成分表 2.1。然后将所得煤层瓦斯含量测定结果列 入表 2.2。 y = 797.43x - 1025.3 r2 = 0.8843 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 -101234 时间（t0.5) 解析量（ml） 图 2.2 150109 运输顺槽距皮带巷 295m 处煤样瓦斯损失量计算 figure 2-2 coal gass loss calculation in 150109 transport far 295m away from lane belt - 11 - 表 2.1 煤质化验结果一览表 table 2.1 list of coal quality test results 煤质分析 自然瓦斯成份 测定地点 煤样 重量 (g) 可燃质 重量 (g) mad (%) aad (%) vdaf (%) n (%) ch4 (%) co2 (%) c2 c8 (%) 150109 运 输顺槽距皮 带巷 295m 420 383.46 1.2351.530.5147.5551.53 0.51 0.41 150109 运 顺掘进面距 第二个躲避 硐 10m 处 440 337.92 1.2721.9311.8231.1867.04 1.27 0.51 表 2.2 直接法测定瓦斯含量结果一览表 table 2.2 list of gas content results by direct method 测定地点 测定 煤层 埋深 （m） 解吸量 (m3/t.r) 损失量 (m3/t.r) 残存量 (m3/t.r) 瓦斯含量 (m3/t.r) 原煤瓦斯含 量（m3/t） 150109 运输顺槽 距皮带巷 295m 15 440 13.55 2.67 1.72 17.94 14.67 150109 运顺掘进 面 距 第 二 个 躲 避 硐 10m 处 15 421 11.80 2.96 2.33 17.09 13.98 150109 运输顺槽 距皮带巷 80m 15 433 10.48 1.94 2.33 14.74 12.06 材料巷第二拐点 15 390 9.51 1.54 2.33 13.38 10.95 备注 未进行过残存量测定的按实验室化验的最大残存量计算 2.2 煤的瓦斯吸附常数 a，b 值 煤的瓦斯吸附常数 a、b 值是衡量煤吸附瓦斯能力大小的指标。测定方法 是在现场采取新鲜煤样送至实验室进行测定。 - 12 - 其测定步骤如下： （1）从井下采集新鲜煤样破碎后取 0.20.25mm 粒度的试样 300400g 装入密封测定罐中； （2）在恒温 60高真空（10-210-3mmhg）条件下脱气 2 天左右； （3）在 30恒温和 0.15.0mpa 压力条件下，进行不同瓦斯压力下的吸 附平衡，并测定瓦斯平衡压力下的吸附瓦斯量； （4）根据不同平衡瓦斯压力下的吸附瓦斯量（一般不少于 6 个点），按 朗格缪尔方程 w=abp/(1+bp)回归计算出纯煤（煤中可燃质）的瓦斯吸附常数 a 和 b 值。 煤样的瓦斯吸附试验结果如表 2.3： 表 2.3 煤样吸附瓦斯试验结果 table 2.3 test results of gas adsorption of coal 吸附常数 采样地点 a （m3/tr） b (mpa-1) 灰 份 aad (%) 水 份 mad (%) 挥发份 vdad (%) 真密度 trd (m3/t) 视密度 tcd (m3/t) 材料下山 300m 处 34.152 1.207 16.341.86 8.68 1.50 2.3 煤层瓦斯压力 煤层瓦斯压力 p 是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔 隙壁的压力。 煤层瓦斯压力的物理意义， 是指未暴露煤层煤体的原始瓦斯压力， 其单位是 mpa（兆帕），它是煤体内含瓦斯压缩能高低的重要标志，也是预测 煤与瓦斯突出危险性的重要参数之一。 煤层原始瓦斯压力确定方法有二种，其一为直接测压法，一般利用石门揭 煤巷道在揭煤前打穿层钻孔穿透煤层，封孔测定煤层原始瓦斯压力；其二为间 接法，即利用新鲜煤样，测定煤层原始瓦斯含量，然后用郎格缪尔方程反推煤 层原始瓦斯压力。 本次鉴定采用直接法进行瓦斯压力测定 16， 根据煤矿井下煤层瓦斯压力的 直接测定方法（aq/t 10472007），由于一缘煤矿井下巷道基本沿煤层掘进， 没有石门揭煤巷道，也没有条件适合的岩巷，测定时选择测定煤层原始瓦斯压 - 13 - 力，选择的钻孔位置避开了采动、瓦斯抽采、及其他人为卸压影响范围，保证 测压钻孔与其距离不小于 50m 范围内。因此，经过对井下实际情况的勘察，选 择了处于井田境界处的 09 备采面切眼处的 3 个地点，测定的数值具有一定的 代表性。 一、测定方法 煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量的一个重要因素，也是煤层中瓦斯流动 的动力，它不仅决定煤层瓦斯含量与瓦斯涌出量的大小，而且还是预测煤与瓦 斯突出危险性的主要参数之一。本次煤层瓦斯压力测定地点选择在了煤层较为 坚硬致密、避开断层和裂隙的地点。在煤层中布置小倾角的钻孔，孔深 60m 左 右，具体钻孔参数如表 2.4 所示： 表 2.4 钻孔施工参数一览表 table 2.4 list of borehole constructions parameters 测定地点 成孔 时间 封孔 时间 钻孔 长度 封孔 长度 钻孔 倾角 钻孔 方位角 钻孔 直径 钻孔 性质 1#压力孔 （09 切眼距回顺 75 米） 6 月 4 日6 月 5 日60m 52m 5 90 68mm 煤孔 2#压力孔 （09 切眼距回顺 82 米） 6 月 18 日6月18日60m 42m 7 90 68mm 煤孔 3#压力孔 （09 切眼距回顺 118 米） 6 月 25 日6月25日60m 50m 7 90 68mm 煤孔 二、封孔方法 16 .测压钻孔内插入带有压力表接头的 4 分镀锌铁管及 60mm 的挡板（挡 板处用棉纱缠紧）和一节注浆用 6 分镀锌铁管（长度 1.5m），注浆用 6 分镀锌 铁管在孔口外端安设球形阀门，测压镀锌铁管每节长度 2m，为保证其气密性， 管接头部分采用密封胶带缠绕,测压室管端头用的细铜纱网包裹， 以防煤屑及杂 物进入堵塞管路。 先用聚氨酯封孔剂将 4 分测压管和 6 分注浆管在孔口 200mm 处封住， 再将特制的圆锥形木楔外缠棉纱后，牢牢打入孔口内。 - 14 - 将泥浆泵或柱塞泵（该矿因没有泥浆泵，选用矿用潜水泵代替）联接 注浆管。 封孔材料采用 525#水泥、膨胀水泥、早强剂（或速凝剂）等，经搅拌 桶（油桶代用即可）充分搅拌均匀成粘稠状，用潜水泵注入孔内，待测压管见 浆液返出立即停泵，同时关闭设置在注浆管孔口的球形阀。 经 24h 水泥浆凝固后， 安上压力表并详细记录压力上升与时间的关系， 直到压力稳定为止，稳定后的压力即为煤层瓦斯压力。 三、瓦斯压力测定 通过近 2 个月的观测，压力表的读数已经稳定，各地点的瓦斯压力的测定数值 如表 2.5： 表 2.5 瓦斯压力测定结果一览表 table 2.5 list of the gas pressure measurements results 测定地点 煤层瓦斯压力（mpa） 1#压力孔（09 切眼距回顺 75 米） 0.80 2#压力孔（09 切眼距回顺 82 米） 0.15 3#压力孔（09 切眼距回顺 118 米） 0.56 通过对煤层瓦斯压力的观测，得到瓦斯压力随时间的变化趋势，如图 2.3 图 2.4 图 2.5： - 15 - 图 2.3 1#压力孔瓦斯压力随时间变化趋势 figure 2.3 1 # pressure hole gas pressure trend over time 图 2.4 2#压力孔瓦斯压力随时间变化趋势 figure 2.4 2 # pressure hole gas pressure trend over time - 16 - 图 2.5 3#压力孔瓦斯压力随时间变化趋势 figure 2.5 3 # pressure hole gas pressure trend over time 图 2.6 瓦斯压力测点布置图 figure 2.6 layout of gas pressure measuring point 根据所测瓦斯压力过程及测定结果显示，1 号钻孔瓦斯压力值最大，2 号钻孔 瓦斯压力值最小，且和 1 号钻孔相差较大，通过分析测定瓦斯压力时的封孔距离可 - 17 - 知，2 号钻孔封孔距离为 42m，1 号和 3 号钻孔封孔距离均大于 50m，因此，可以 断定 2 号钻孔可能因钻孔密封性差导致所测数据不准确。同时 1 号钻孔封孔较好， 所测数据接近煤层瓦斯压力值。 2.4 钻孔瓦斯自然涌出特征 表征钻孔自然瓦斯涌出特征的参数有两个，它们是钻孔初始瓦斯涌出强度 q0 和钻孔瓦斯流量衰减系数。钻孔瓦斯流量衰减系数是评价煤层瓦斯预抽难易程 度的一个重要指标。q0