李慧刚，崔文利

(陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西 榆林 719315)

0 引言

瓦斯被视为矿井五大自然灾害之一，因其具有波及范围广、破坏力大、影响严重等特点，一直是矿井灾害防治的重中之重[1]。瓦斯是成煤过程中地质作用的产物，其生成、运移、保存等均受综合地质作用的控制[2-5]。不同煤矿区或井田地质条件不同，致使煤层瓦斯赋存规律和分布特征也不尽相同[6-9]。对煤层瓦斯赋存规律的研究，可以从地质角度分析瓦斯的生成、运移及赋存规律，被认为是提高矿井瓦斯防治行之有效的研究方法及手段[10-13]。因此，在韩家湾煤矿井下现场实测煤层原始瓦斯压力和煤层瓦斯含量，并对瓦斯压力和瓦斯含量进行分析，得出煤层瓦斯赋存规律，对于韩家湾煤矿进行瓦斯灾害的防控及煤矿安全生产具有重要意义。

1 矿井概况

韩家湾矿井位于神北矿区北部，隶属于神木市大柳塔试验区韩家湾村管辖，井田东西长约5.0 km，南北宽约2.6 km，面积12.42 km2，开采煤层为3-1煤层、4-2煤层，开采标高范围为+1 240～+1 100 m，矿井核准生产能力为3 Mt/a，矿井保有资源量72.879 Mt。井田范围可采煤层5层，分别为1-2上、1-2、2-2、3-1、4-2煤层。1-2上煤层厚度0.45～3.2 m，平均厚1.85 m，煤层结构简单，不含夹矸；1-2煤层厚度0.57～5.58 m，平均厚3.2 m，煤层结构简单，不含夹矸；2-2煤层厚度1.48～3.64 m，平均厚2.68 m，煤层结构简单，含1层夹矸，上距1-2煤层平均间距24.75 m；3-1煤层厚度1.4～3.64 m，平均厚2.68 m，煤层结构简单，含1层夹矸，上距2-2煤层平均间距37.17 m；4-2煤层厚度1.8～2 m，平均厚1.92 m，煤层结构简单，上距3-1煤层平均间距38.14 m。井田地质构造结构简单，基本构造形态为一向西倾斜的近水平构造，倾角1°左右，矿井内未发现断层、褶皱，亦无岩浆活动。韩家湾煤矿为了建立和完善瓦斯防治系统，确保矿井安全生产，决定开展煤层瓦斯基本参数测定，以掌握井田范围内主采煤层的瓦斯赋存情况。

2 瓦斯各参数测定方法及结果

选择测定3-1、4-2煤层基础参数，包括煤层瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数、煤层瓦斯压力等参数。

2.1 煤层瓦斯含量测定

煤层瓦斯含量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，瓦斯含量测定方法分为直接法和间接法2种[14-16]。本次韩家湾煤矿3-1、4-2煤层瓦斯含量采用直接法进行测定。

直接法就是直接从采集的煤样中解吸瓦斯，确定瓦斯成分和瓦斯含量。该方法的优点是瓦斯含量系直接测定，避免了间接法测定相关参数时的测定误差。采用直接法测定煤层瓦斯含量，即测定可解吸瓦斯含量(Qm)与计算残存瓦斯含量(WC)的方法，将2部分含量之和作为煤层瓦斯含量。

其中可解吸瓦斯含量(Qm)的测定采用井下施工取芯钻孔取煤芯或煤屑，利用重庆研究院生产的“DGC型瓦斯含量直接测定装置”进行测定，其工作原理为：通过向煤层施工取芯钻孔，用井下取芯系统将煤芯或煤屑从煤层深部取出，及时放入煤样筒中密封；然后用井下解吸系统测量煤样筒中煤芯的瓦斯解吸速度及解吸量，并以此来计算瓦斯损失量(Q1)；将煤样筒带至实验室在解吸仪上测量从煤样筒中释放出的瓦斯量，与井下测量的瓦斯解吸量一起计算煤芯或煤屑瓦斯解吸量(Q2)；将煤样筒中的部分煤样经称量系统称重后装入密封的粉碎系统加以粉碎，测量在粉碎过程及粉碎后一段时间内常压下所解吸出的瓦斯量，并以此计算粉碎瓦斯解吸量(Q3)；借助水分测定系统、数据计算系统求解可解吸瓦斯含量：瓦斯损失量、煤芯瓦斯解吸量和粉碎瓦斯解吸量之和就是可解吸瓦斯含量，即Qm=Q1+Q2+Q3。

残存瓦斯含量(WC)可采用式(1)进行计算

(1)

式中，WC为残存瓦斯含量，m3/t；a，b为吸附常数；Ad为煤的灰分，%；Mad为煤的水分，%；π为煤的孔隙率，%；γ为煤的容度(视密度)，t/m3。

本次采用瓦斯含量直接测定法对韩家湾煤矿3-1、4-2煤层的原始瓦斯含量进行测定，测定结果见表1。

表1 直接法测定煤层瓦斯含量结果

2.2 瓦斯压力的测定

目前测定煤层瓦斯压力的方法有2种，即间接测定法和直接测定法。根据韩家湾煤矿目前开拓情况及巷道布置条件，按照有关规定，本次瓦斯压力测定采用直接法。

在选择煤层瓦斯基本参数测定地点和具体测压钻孔位置时，应避开地质构造裂隙带、采动等影响范围。在煤层中布置小倾角的钻孔，同一地点设2个测压钻孔，孔深40 m，具体钻孔参数及测试结果见表2。

表2 煤层钻孔施工及测定参数一览

从表2中可以看出，3-1煤层实测最大瓦斯压力为0.09 MPa(埋深144.4 m)，4-2煤层实测最大瓦斯压力为0.11 MPa(埋深191.6 m)。

2.3 煤的坚固性系数测定

选取待测煤样，使用落锤法进行测定，其原理：将一定量的重锤提升至相应高度，使其自由落下冲击煤样，测量煤样捣碎程度。

坚固性系数按(2)式计算

(2)

式中，f为坚固性系数；n为每组试样冲击次数，次；l为每组试样筛下煤粉的计量高度，mm。3-1、4-2煤层的坚固性系数测试结果见表3。

表3 煤的坚固性系数测定结果

2.4 煤的瓦斯放散初速度测定

瓦斯放散初速度指标表示煤放散瓦斯的能力。Δp所反映的是煤在常压下吸附瓦斯的能力和放散瓦斯的速度，是反映煤层突出区域危险性的一种单项指标。

瓦斯放散初速度按式(3)计算

Δp=p2-p1

(3)

Δp单位为Pa，保留到个位。设两试样分别为a1、a2，则a1与a2之差不应大于1，否则需装新样重新测试。测试结果见表4。

表4 瓦斯放散初速度测定结果

3 瓦斯赋存规律分析

3.1 煤层埋深与瓦斯含量关系

煤层埋深是指煤层顶板至地表的铅垂距离，煤层埋深包括煤层上覆基岩厚度和新生界厚度2部分，其中煤层上覆基岩厚度对煤层瓦斯赋存起控制作用。鉴于煤层埋深与标高2个因素相互影响，关系紧密，故在此主要比较煤层埋深与瓦斯含量的线性关系。

此次井下实测3-1煤层瓦斯含量时，当埋深由138.3 m增加到144.4 m时，瓦斯含量由0.78 m3/t增加到0.86 m3/t。实测4-2煤层瓦斯含量时，当埋深由181.2 m增加到191.4 m时，瓦斯含量由0.89 m3/t增加到0.98 m3/t。实测测点的瓦斯含量数值基本都符合随煤层埋深的增大而增加的规律。因而选择井下实测瓦斯含量测定结果与煤层埋深进行线性拟合，其拟合曲线如图1、2所示。

从图1与图2可以看出，煤层瓦斯含量随煤层埋深增加而增大，且都是成线性关系增加，3-1、4-2煤层瓦斯含量与埋深拟合关系分别为W=0.011 5h-0.801 7和W=0.008 8h-0.709 7。

图1 3-1煤层埋深与瓦斯含量线性拟合图

图2 4-2煤层埋深与瓦斯含量线性拟合图

3.2 煤层埋深与瓦斯压力关系

此次井下实测3-1煤层瓦斯压力时，当埋深由138.8 m增加到144.4 m时，原始瓦斯压力由0.04 MPa增加到0.09 MPa。实测4-2煤层瓦斯压力时，当埋深由181.2 m增加到191.6 m时，原始瓦斯压力由0.05 MPa增加到0.11 MPa。实测6组测点的原始瓦斯压力数值基本都符合随煤层埋深的增大而增加的规律。因而选择井下实测瓦斯压力测定结果与煤层埋深进行线性拟合，其拟合曲线如图3、4所示。

图3 3-1煤层埋深与瓦斯压力线性拟合图

从图3与图4可以看出，煤层原始瓦斯压力随煤层埋深增加而增大，且都是成线性关系增加，3-1、4-2煤层原始瓦斯压力与埋深拟合关系分别为P=0.004 2h-0.535 8和P=0.003 4h-0.554 6。

图4 4-2煤层埋深与瓦斯压力线性拟合图

3.3 煤层瓦斯含量与瓦斯压力预测模型

一般认为，在定量分析各因素对瓦斯赋存的影响时，当拟合相关性系数R2大于0.6时，认定为影响煤层瓦斯赋存的主控因素；相关性系数R2为0.36～0.6时，认为对瓦斯赋存的影响有一定影响；相关性系数R2小于0.36时，认为对瓦斯赋存的影响很小。根据上述分析得到3-1煤层瓦斯含量与埋深的相关性系数R2为0.917 7，4-2煤层瓦斯含量与埋深的相关性系数R2为0.999 6，均大于0.6，因而埋深是影响煤层瓦斯含量的主控因素。3-1煤层原始瓦斯压力与埋深相关性系数R2为0.452 8，4-2煤层原始瓦斯压力与埋深相关性系数R2为0.572 9，均在0.36～0.6，因而埋深对煤层原始瓦斯压力有一定影响。

韩家湾煤矿3-1煤层最大埋深值为164.7 m，3-1煤层瓦斯含量预测模型为W=0.011 5h-0.801 7，最大埋深点瓦斯含量预测值为1.09 m3/t；4-2煤层最大埋深值为208.5 m，4-2煤层瓦斯含量预测模型为W=0.008 8h-0.709 7，最大埋深点瓦斯含量预测值为1.13 m3/t。3-1煤层原始瓦斯压力与埋深拟合关系为P=0.004 2h-0.535 8，最大埋深点原始瓦斯压力预测值为0.16 MPa；4-2煤层原始瓦斯压力与埋深拟合关系为P=0.003 5h-0.554 6，最大埋深点原始瓦斯压力预测值为0.16 MPa。

4 结论

(1)韩家湾煤矿井田内地质构造简单，3-1、4-2煤层瓦斯赋存的主控因素为埋深。韩家湾煤矿3-1煤层6个钻孔瓦斯压力在0.04～0.09 MPa，4-2煤层6个钻孔瓦斯压力在0.05～0.11 MPa。韩家湾煤矿3-1煤层3个煤样瓦斯含量在0.78～0.86 m3/t，4-2煤层3个煤样瓦斯含量在0.89～0.98 m3/t。

(2)3-1煤层瓦斯含量与埋深的拟合方程为W=0.011 5h-0.801 7，瓦斯压力与埋深的拟合方程为P=0.004 2h-0.535 8；4-2煤层瓦斯含量与埋深的拟合方程为W=0.008 8h-0.709 7，瓦斯压力与埋深的拟合方程为P=0.003 4h-0.554 6。

(3)3-1、4-2煤层瓦斯参数的测定为韩家湾煤矿瓦斯防治工作提供了依据，对煤矿高效安全生产具有重要意义。