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煤层群瓦斯基础参数测试及赋存规律研究

2025-02-11 36 上传者：管理员

摘要：为准确、快速预测煤层群煤层瓦斯赋存情况并确定其控制因素，以山西某矿煤层群为背景，通过测试2#、3#煤层瓦斯基础参数，进一步通过线性回归分析，确定各煤层瓦斯赋存规律的主要影响因素。研究结果表明：2#煤层瓦斯含量5.45～6.91 m3/t,3#煤层瓦斯含量7.00～7.11 m3/t，影响因素存在较大差异，前者主要受埋深和煤层厚度影响，后者主要受埋深和煤灰分影响。预期研究结果可为现场工作面瓦斯抽放方案制定，及下组煤瓦斯浓度预测提供基础资料。

关键词：
多煤层
煤层群
瓦斯参数
瓦斯赋存
生产矿井
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受沉积环境影响,煤通常是以多煤层的形式沉积,在我国大部分生产矿井中,可采煤层数在6~15层占比55.2%[1-2],甚至有些矿井煤层层数超过了20层,极大增加了煤层群瓦斯治理难度｡近年来,受国际形势影响,能源安全越发紧迫,我国煤炭产能逐年加大以及开采深度日益增大,大多数矿山已进入下组煤开采,因而遭受瓦斯灾害的影响可能性日益加大,制约煤矿安全生产｡

据研究分析,瓦斯的赋存特征受煤层厚度､埋深､煤质､地质构造等多因素影响[3-5]｡科学认识瓦斯赋存特征,是科学治理瓦斯的重要环节,为此,本文以山西某矿煤层群为背景,通过测试瓦斯基础参数,进一步通过回归分析,确定各煤层瓦斯赋存规律的主要影响因素,预期研究结果可为现场瓦斯抽放方案制定,及下组煤瓦斯浓度预测提供基础资料｡

1、工程概况

该矿井田内煤层主要赋存于二叠系下统山西组和石炭系上统太原组,其中2#､3#､10#煤层为全区可采煤层,按照生产计划,正在回采山西组2#煤层,厚度1.25~1.53m,平均1.38m,结构简单,不含夹石,为全区稳定可采煤层｡3#煤位于山西组中下部,煤层厚度0.9~1.8m,平均1.5m,局部含1层夹矸,为全区稳定可采煤层｡2#煤与3#煤层的层间距5.95~19.59m,平均13.10m,属典型的近距离煤层群｡

经初步测试,2#煤水分0.65%,灰分5.61%,挥发分17.61%,真密度1.34t/m3､视密度1.24t/m3;3#煤层工业分析中,水分0.56%,灰分4.4%,挥发分18.04%,真密度1.47t/m3､视密度1.43t/m3｡据现场测定,2017—2019年煤矿瓦斯绝对涌出量分别为14.78､14.79､17.52m3/min,属高瓦斯矿井｡

2、基础参数测试

2.1采样

2#､3#煤层取样地点分别位于2202工作面进风巷､2202工作面辅助进风巷,每层煤采样地点分别为3个,间距分别为50m,质量分别为5kg,按照《煤的工业分析方法》(GB/T212—2008)制作分析样本,其中2#煤层样本编号为2-1､2-2､2-3,3#煤层样本编号为3-1､3-2､3-3,如图1所示｡

图12#､3#煤煤层采样点分布平面图

2.2孔隙率

由于90%以上的瓦斯常以吸附状态赋存在煤中的微观孔隙内表面上,因此,孔隙体积对煤吸附瓦斯能力影响较大｡本文采用选择孔隙率作为评估煤孔隙发育程度的指标,可按照式(1),即通过测定煤的真假相对密度来计算孔隙率的数值大小,具体如下:

经测试,2#煤的孔隙率5.36%~8.73%,平均7.46%,3#煤的孔隙率2.47%~3.41%,平均2.72%｡

2.3瓦斯吸附常数

煤的瓦斯吸附常数是决定煤吸附瓦斯能力的关键指标｡同时,该指标也是计算残存瓦斯含量测试所必须的参数之一｡目前,煤的瓦斯吸附常数测定只能在实验室完成,一般采用高压容量法,本文按照《煤的高压等温吸附试验方法(高压容量法)》(MT/T752—1997)规范要求制作测试样本,其操作流程:首先从中筛分出粒度为0.20~0.25mm的煤样,取300~400g装入密封罐,用于测试瓦斯吸附常数a､b值｡

高压容量法测定煤的瓦斯吸附常数具体步骤如下:

(1)试样准备将采集的煤样粉碎,然后筛取300~400g的粒度为0.20~0.25mm粉体试样并装入密封罐中;

(2)脱气操作在恒温60℃高真空条件下完成试样8h左右的脱气操作;

(3)吸附平衡实验温度条件设置为30℃恒温环境条件,压力条件分别设置为0.1MPa以下低压和0.1~5.0MPa压力,接着测定煤样在各种瓦斯平衡压力下的吸附瓦斯量;

(4)计算吸附常数通过实验获取的平衡压力和瓦斯吸附量数据集,采用郎格缪尔方程进行计算吸附常数,如式(2)所示｡

图2煤的吸附常数测试曲线

由图2可知,随着吸附平衡压力的增大,瓦斯吸附量呈现非线性增大的趋势,由郎格缪尔方程可知,2#煤层的吸附常数a､吸附常数b显著大于3#煤层,其差值分别为2.88cm3/gdaf､0.12MPa-1,由于煤中瓦斯存在状态为游离和吸附,由此进一步判断,2#煤层吸附状态的瓦斯含量大于3#煤层｡

2.4煤层瓦斯含量测试

煤层瓦斯含量是指单位体积或质量的煤孔隙结构内所赋存的瓦斯量,其计量单位通常为m3/t或mL/g,是煤层瓦斯治理的主要应用参数,也是计算矿井瓦斯储量和预测瓦斯涌出量的基础参数之一｡一般地,煤中的瓦斯含量的测定方法可参考《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB/T23250—2009)中推荐使用的常压解吸法[6],即利用钻孔取芯(或钻屑)采集煤样,进一步通过瓦斯解析仪,测定待测煤样瓦斯实际含量｡

瓦斯含量的解析仪,如图3所示｡

测定方法主要流程及要求:使用手持风动钻机在新暴露的煤壁打钻钻取煤屑,装入罐中密封,煤样距罐口留10mm的间隙为宜,取样时间需控制在2min之内,煤芯中如混合有夹矸及杂物时,应予剔除;最后,将煤样罐与瓦斯解析仪连接,开始现场测定,开始观测前30min内间隔1min读量管的数值,30min后每隔2~5min读1次数值,直至小于2cm3/min为止,停止记录｡

经测试,2#煤层煤层瓦斯含量5.45~6.91m3/t,平均6.20m3/t,3#煤层瓦斯含量7.00~7.11m3/t,平均7.05m3/t,开采下煤层时应重点关注采前预抽采效果,确保安全生产｡

3、煤层群瓦斯含量主要影响因素分析

瓦斯是伴生于煤体的形成,储存于煤岩体中的气体｡煤层中瓦斯含量的大小受到各种地质因素不同程度的影响,主要影响因素有地质构造､埋深､煤厚､煤灰分及瓦斯赋存规律｡

(1)地质构造

地质构造对煤层瓦斯生成､运移及储存起着主要控制作用,影响着煤层群瓦斯含量[7]｡该煤矿井田区域地质构造属山西沁水坳陷的西翼和霍山隆起的东翼的单斜构造,总体为走向北北东,倾角南东,次一级构造多为相互平行展布的背向斜和正断层构造,其中背向斜构造走向为北北东向和南北向,在平面上呈现“S”形分布,断层为走向北东东,区域未发现有岩浆岩活动｡一般,向斜构造的两翼与轴部中和面以上为压应力场,有利于瓦斯封存和聚集,特别是向斜的轴部瓦斯含量较高,而断层附近瓦斯含量与断层的活动状态密切相关,据地测资料,2202工作面ZK6钻孔揭露1条断层,距离取样点300m,构造简单｡

(2)埋深

通常情况下,埋深越大,地应力越大,煤层的压实度越高,不利于煤层吸附瓦斯作用,而有利于煤层解吸瓦斯作用,因此,随着埋深增大瓦斯浓度也增大｡2#与3#煤层间距5.95~19.59m,平均13.10m,此外,层间岩性以泥岩､粉砂岩为主,孔隙率低,为相对阻隔岩层,层间瓦斯迁移能力低｡

(3)煤厚

通常情况下,煤层厚度越大,瓦斯越易积聚,因此,瓦斯的浓度一般较大｡2#与3#煤层平均厚度分别为1.38､1.49m,厚度变化差异较小,但3#煤层的厚度变化大,可能会引发瓦斯浓度的进一步积聚｡

(4)煤灰分

在相同温度和压力条件下,当煤层赋存稳定时,煤质对煤层瓦斯含量起到较大的影响,且是负相关关系,即,灰分百分比越大,瓦斯含量比重越小,反之,灰分百分比越小,瓦斯含量比重越大,并且,煤的吸附能力随着煤的变质程度增大而增大｡

(5)瓦斯赋存规律

在不同的煤层,各种因素的影响作用大小不同｡根据2#､3#煤层赋存特征,采用最小二乘法线性回归,结果如图4所示,并根据相关系数对影响因素敏感性进行排序,由图4可知,对2#煤层瓦斯含量影响因素的作用从大到小依次是埋深､煤层厚度､煤灰分,相关系数分别为0.9984､0.9875､0.9677,可重点关注煤层埋深和煤层厚度的变化,进而间接判断2#煤层瓦斯含量的变化的特征;对3#煤层瓦斯含量影响因素的作用从大到小依次是埋深､煤灰分､煤层厚度,相关系数分别为0.9898､0.8710､0.1847,可重点关注煤层埋深和煤灰分的变化,进而间接判断3#煤层瓦斯含量的变化的特征｡

图4煤灰分､埋深､煤层厚度与瓦斯含量的线性回归曲线

4、结语

本文以煤层群为背景,通过测试瓦斯基础参数,进一步通过回归分析,确定各煤层瓦斯赋存规律的主要影响因素,结论如下:

(1)2#煤层实测煤的吸附常数a=25.24cm3/gdaf,b=0.64MPa-1,3#煤层实测煤的吸附常数a=22.36cm3/gdaf,b=0.52MPa-1,表明,2#煤层吸附状态的瓦斯含量大于3#煤层,现场可通过增透技术措施或者缩小抽采钻孔间距,提高瓦斯抽采效果｡

(2)采用直接法测试,2#煤层煤层瓦斯含量5.45~6.91m3/t,3#煤层瓦斯含量7.00~7.11m3/t,开采下煤层时应重点关注采前预抽采效果,确保安全生产｡

(3)采用线性回归定量分析表明,2#煤层与3#煤层瓦斯含量主要影响因素存在较大差异,2#煤层主要受埋深和煤层厚度影响,3#煤层主要受埋深和煤灰分影响,现场可重点关注主要影响因素,进行瓦斯含量的关联性分析,为矿井瓦斯灾害防治提供指导｡

参考文献:

[1]彭高友,高明忠,吕有厂,等.深部近距离煤层群采动力学行为探索[J].煤炭学报,2019,44(7):1971-1980.

[2]薛俊华.近距离高瓦斯煤层群大采高首采层煤与瓦斯共采[J].煤炭学报,2012,37(10):1682-1687.

[3]田水承,任治鹏,马磊.基于GRA-GASA-SVM的煤层瓦斯含量预测方法研究[J].煤炭技术,2024,43(1):114-118.

[4]李文.阿艾矿区煤层瓦斯赋存规律及其主控因素[J].煤炭技术,2023,42(11):157-161.

[5]杨德方,陈绍杰.华阳二矿主采煤层瓦斯赋存特征分析[J].煤炭技术,2023,42(11):172-174.