大水头煤矿一采区瓦斯压力临界值考察研究.pdf

总第2 1 5期2023年第1 0 期工程技术摘要：瓦斯压力是煤层突出危险性预测的区域重要指标之一，能有效指导防突工作的针对性实施。防治煤与瓦斯突出细则中规定,煤与瓦斯突出矿井要针对性开展区域突出危险性预测指标的临界值考察，在考察未确定之前可参考以0.7 4MPa作为临界数值。大水头煤矿以工程实测方法对瓦斯压力临界值进行了系统分析和考察，最终得出了矿井煤层瓦斯压力的区域突出危险性预测指标为0.7 4MPa,该结果是考虑井下作业人员人身安全、矿井安全与效益得到有效保障，又是符合国家安全要求的最可靠数值，其考察结果和研究方法可为其他矿井开展类似工作提供了有效指导。关键词：瓦斯压力；临界值；预测指标；区域预测中图分类号：TD7120引言煤层瓦斯压力作为评价煤层瓦斯含量大小及评测煤层是否具有突出危险性的最重要的指标之一,其数值的大小直接关系到瓦斯治理工程、瓦斯治理方法及矿井瓦斯治理资金投入的多少。防治煤与瓦斯突出细则中规定,高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井要及时测定煤层瓦斯压力参数,并在矿井、采区开拓前、开拓期间及生产期间要持续性测定煤层瓦斯压力来进行开采煤层的突出危险性鉴定。同时也规定，煤与瓦斯突出矿井要进行区域预测指标临界值的考察，以使后续矿井的安全生产提供科学指导，在未确定相应的区域突出预测指标之前,可以参考以0.7 4 MPa为参考指标 2 。针对该区域突出危险性指标的临界值考察问题,我国多数矿井均采用国家给定的参考指标来进行突出危险性预测工作,却未考虑不同煤炭赋存山西化工Shanxi Chemical Industry大水头煤矿一采区瓦斯压力临界值考察研究郭武奎1，靳鹏2.3（1.甘肃靖远煤电股份有限公司大水头煤矿，甘肃白银7 3 0 9 1 3；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁沈阳1 1 0 0 1 6；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺1 1 3 1 2 2）文献标识码：A前由煤矿企业技术负责人批准。根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法，是把原来的瓦斯地质统计法和综合指标法综合起来，从而形成一套能够对一个区域进行完整的区域预测的方法 5-6 。瓦斯地质划分突出危险性区域，如图1 所示。具体做法是：先把区域中那些能够根据实际发生的突出或明显突出预兆及煤层瓦斯风化带分布等划分成危险区、无危险区的部分划分出来，然后对于其他区域则根据煤层瓦斯压力或含量进行预测和划分。-30023Total 215No.10,2023D0I:10.16525/14-1109/tq.2023.10.054文章编号：1 0 0 4-7 0 50(2 0 2 3)1 0-0 1 2 7-0 4-300-3-350-4004区域、不同区域地质条件差异所带来的煤层瓦斯含量-450变化,给矿井的防突工作带来较大不确定性。为此,针对该问题，大水头煤层开展了区域预测指标瓦斯压力临界值的考察,其考察结果和研究方法可为其他矿井开展类似工作提供了有效指导。1区域预测指标临界值考察重要性分析矿井开采突出煤层须进行区域突出危险性预测，区域预测一般根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的方法进行，也可以采用其他经试验证实有效的方法。根据煤层瓦斯压力和瓦斯含量进行区域预测的临界值应当由具有煤突与瓦斯突出鉴定资质的机构进行试验考察。试验方案和考察结果应用前由煤矿企业技术负责人批准 3-4。区域预测新方法的研究试验应由具有突与瓦斯突出鉴定资质的机构进行,并在试验收稿日期：2 0 2 2-1 0-2 8作者简介：郭武奎，男，1 9 8 4年出生，毕业于西安科技大学，本科，工程师，现主要从事煤矿“一通三防技术管理”相关工作。-.500.1一断层;2 一突出点或者突出预兆位置；3 一根据突出点或者突出预兆点推测的断层两侧突出危险区边界线；4一推测的下部区域突出危险区上边界线；5一突出危险区(阴影部分)图1 根据瓦斯地质分析划分突出危险区域示意图根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法应当按照下列要求进行：煤层瓦斯风化带为无突出危险区域；根据已开采区域确切掌握的煤层赋存特征、地质构造条件、突出分布的规律和对预测区域煤层地质构造的探测、预测结果,采用瓦斯地质分析的方法划分出突出危险区域。当突出点或者具有明显山西化工第43 卷突出预兆的位置分布与构造带有直接关系时,则该构造的延伸位置及其两侧一定范围的煤层为突出危险区；否则,在同一地质单元内，突出点和具有明显突出预兆的位置以上2 0 m(垂深)及以下的范围为突出危险区 7-8 ;在第一项划分出的无突出危险区和第二项划分的突出危险区以外的范围,应当根据煤层瓦斯压力P和煤层瓦斯含量W进行预测。预测所依据的临界值应当根据试验考察确定,在确定前可暂按表1 预测。表1 根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测的临界值瓦斯压力p/MPa瓦斯含量W/(m/t)p0.74W8(构造带 W6)除上述情况以外的其他情况区域预测所依据的主要瓦斯参数测定应当符合下列要求：煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数应当为井下实测数据，用直接法测定瓦斯含量时应当定点取样；测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数的测试点在不同地质单元内根据其范围、地质复杂程度等实际情况和条件分别布置；同一地质单元内沿煤层走向布置测试点不少于2 个,沿倾向不少于3 个,并确保在预测范围内埋深最大及标高最低的部位有测试点。2大水头煤矿该矿2.1矿井概况2.1.1瓦斯情况大水头煤矿为煤与瓦斯突出矿井,井田内瓦斯地质构造复杂,可采煤层瓦斯含量为6 1 0 m3/t,呈现东高西低特征，原始煤层瓦斯压力为0.1 50.7 0 MPa，煤层透气性系数1.1 1 4.6 6 m/(MPad）,煤层为可抽采煤层。矿井总排风量为1 0 6 48 m/min，有效风量率9 2.7%，根据2 0 2 1 年度矿井瓦斯等级鉴定报告，矿井绝对瓦斯涌出量为41.53 m/min,相对瓦斯涌出量11.08m/t,采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量为11.64m/min,掘进面最大绝对瓦斯涌出量3.0 4m/min。矿井建有1 套地面永久抽采系统，安装2 台2BEP5202-BG3C型抽采泵，额定抽气量2 0 6 m/min，2台2 BE1405-1BV3C抽采泵，额定抽气量1 2 0 m/min，东西采区各安装2 台ZWY85/110-G型移动式瓦斯抽采泵。抽采管路约2 0 0 0 0 m，两趟400mm抽采主管路，对矿井实行分区抽采，抽采总浓度为2 5%3 2%之间，总纯流量为2 8 m/min左右,月抽采瓦斯量1 2 0 万m3左右,矿井抽采率达46%左右。年施工瓦斯抽采钻孔12万余米，配有ZDY-650型、ZDY-4000型、ZDY-3500LP型等抽采钻机，当前矿井共连网抽采钻孔1 50 0 余个。2.1.2生产布局矿井建成投产时的生产能力为1 0 5万t/a，经改扩建后生产能力提升至2 2 0 万t/a。矿井主采煤层为一煤层，采用走向长壁综采放顶煤采煤法，工作面落煤方式为采煤机割煤和架后放顶煤相结合。如图2，井田共划分为八个采区,其中东翼三个采区(东一采区、东二采区、东三采区）,中部两个采区（中一采区、中二采区),西翼三个采区（西一采区、西二采区、西三采区）。中部两个采区、东二采区、西一采区已经开采结束,按照“一井两区、一区一面 的生产布局,现矿井进行采掘活动的采区有2 个,即东一采区、西三采区。现采掘现状为：东一采区布置1 个综放工作面，即东区域类别101自动化综放工作面（煤厚约1 0.5m，属近水平煤无突出危险区层）,1 个掘进工作面，即东1 0 5-1 运输顺槽综掘工作突出危险区面；西三采区布置1 个综放工作面,即西3 0 4自动化综放工作面（煤厚约5.4m，属倾斜煤层），1 个掘进工作面，即西3 0 5切眼，1 个开拓巷道，即西三采区运输巷延伸段开拓。西3 0 6(规划)西3 0 4（准备回采）西3 0 2（已采）西2 0 1(已采）图2 东三采区区域巷道布置示意图2.2东三采区概况东三采区作为新开拓采区，东三采区倾斜宽度368m，根据煤层赋存、地质构造情况以及综放开采工艺的要求,工作面沿石门及上山单翼布置,划分区段时基本与DF41断层及花尖子向斜走向平行,沿煤层等高线进行划分，区段间净煤柱按1 0 m窄小煤柱考虑。由于中部有刀楞山断层影响，只能划分成2 个区段。设计工作面倾斜长度平均为1 50 m，走向长度分别为 9 2 0 m和 7 50 m。根据采区开拓方案，先利用现有运输斜巷，坡度12，长度1 50 m,再按坡度1 6，长度8 5m延深运输斜巷，到1 1 3 5水平后接运输石门，长度1 3 6 m，净断面1 6.7 5m,石门布置在煤层底板岩石中，上山沿煤层底板稳定岩石布置，距煤层约2 5m，长度3 50 m，铺设轨道和胶带输送机。利用原东一采区回风上山作为东三采区的回风上山。利用从1 1 8 0 东运输大巷边界上山口处向东约2 5m开口平行1 1 8 0 进风石门布置的东1 0 1 运输斜巷继续向下延深，作为东三采区的运输及总进风巷，开口时以+4%的坡度掘进1 0 5m上部车场，现已经以-1 2 坡度掘进1 50 m到东一采西3 0 7（规划）西3 0 5（正圈）西3 0 3西3 0 1（已采）（已采）西2 0 2（已采）2023 年第1 0 期区1 0 1 工作面位置，本次设计继续以-1 6 坡度向下延深8 5m进入煤层底板岩石，到1 1 3 5水平时落平，然后以+4%o的坡度继续前掘1 3 6 m石门，然后在距煤层底板2 0 m位置布置东三采区运输上山，利用原边界上山作为回风上山。东三采区的区域巷道布置图，如图3 所示。东一和东三采区边界东1 0 1 面（正在回采）东1 0 3 面（已回采）东1 0 5-1 面（规划面）东1 0 5-7 面(已回采）图3 东一和东三采区区域巷道布置示意图东三采区现布置工作面位置煤层平均厚度为9m。煤层倾角为3 2 0,平均1 4,西部倾角略大,中部及东部平缓。煤层结构较单一，一般含夹研14层或呈单一结构,夹研厚度小于1 m。煤层顶板岩性为炭质泥岩、砂质泥岩，易破碎冒落。煤层底板以粗砂岩及细砂岩为主，采用走向长壁综合机械化放顶煤一次采全高采煤，采用走向长壁综合机械化放顶煤一次采全高采煤法。3瓦斯压力临界值考察方法防治煤与瓦斯突出细则中规定区域预测指标主要有瓦斯含量和瓦斯压力,而瓦斯含量和瓦斯压力临界值的确定对局部敏感指标临界值确定也有着很重要的意义。区域预测指标中瓦斯压力指标临界值的确定方法主要有经验公式、规定临界值、现场突出动力现象等,而对于瓦斯含量临界值则可以通过确定后的最小突出压力利用间接法计算得到。自2 0 世纪7 0 年代，国内外很多学者对煤层发生突出的最小瓦斯压力进行了研究。突出最小瓦斯压力多是在现场实测数据的基础上利用统计学手段获得的。通过研究发现,煤与瓦斯突出的发生不仅与瓦斯压力的大小有关,而且还与煤本身的特性相关,如煤的坚固性系数、煤的挥发分等。在近代很多先进的方法均运用于煤与瓦斯突出的预测中，然而根据统计学得到的经验公式法，由于其简便性一直较好的被用于突出最小瓦斯压力的确定中，在我国较为经典的经验公式主要有以下几种。3.1现场实测3.1.1钻孔布置根据煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法（A Q/T 1 0 47-2 0 0 7)的标准要求，钻孔测压地点选择时应避开构造和采动影响区域。而大水头煤矿本次预测郭武奎,等：大水头煤矿一采区瓦斯压力临界值考察研究孔号钻场位置钻孔位置东1 0 5-2 面（规划面）编号1#东1 0 1 开切眼处1-2距底2.0 m200东1 0 1 运输顺槽2-1距底2.0 m2152#(一)56 0 m东1 0 1 运输顺槽3-1距底2.0 m2073#(-)200 m东三采区运输巷4-1距底2.5m1844#416m处钻孔2-1方位角：2 1 5；钻孔长：42.5m一煤层钻孔2-2倾角：9%方位角：2 0 0；钻孔长：6 6 m一煤层钻孔3-1倾角：1 0；方位角：2 2 0；钻孔长：50 m一煤层钻孔3-2倾角：1 0%；方位角：2 2 0；钻孔长：50 m图4钅钻孔剖面图3.1.2钻孔封孔采用“两堵一注 封孔,封孔长度视煤层底板岩性及钻孔长度而定。钻孔成孔以后，需要用压风将孔内积水排放干净。然后把囊袋通过胶带固定在四分测压镀锌管上，一同插人到设定的封孔深度，待后端囊袋129.区域为东三采区，由于东三采区内暂无巷道,因此本次对该区域的测压钻孔及煤层瓦斯含量测定的取样钻孔主要布置东1 0 1 运输巷及东翼运输上山。测试点在不同区域内根据其范围、地质复杂程度等实际情况和条件分别布置，在东1 0 1 运输巷布置3个瓦斯压力测点，在东翼运输上山布置1 个瓦斯压力测点，钻孔布置参数，如表2 所示；钻孔布置的剖面图,如图 4 所示。表2 东三采区瓦斯压力测定地点布置情况表钻场倾角/孔深/m编号1-1距底2.0 m2072-2距底2.0 m2003-2距底2.0 m2364-2距底2.5m128一煤层钻孔1-1倾角：2 9；方位角：2 0 7；钻孔长：3 4.5m一煤层钻孔1-2倾角：3 5；方位角：2 0 0；钻孔长：1 8.5m一煤层倾角：5；方位/2935551414-30-22+1 121 m+1104 m+1 115 m+1 104 m+1110m+1 106m+1116m+1 106m+1152m+1 143m+1152m+1143m40.530.550.550.5505025.530.5山西化工第43 卷插入到钻孔中后，把注浆泵和注浆管连接起来,通过注浆管向囊袋及钻孔中注入水泥浆，待两端囊袋注满到一定程度，注浆管中间的爆破阀会爆，然后水泥浆会注人到两端囊袋中间的钻孔中，注浆直到注浆泵上压力表达到一定值后，注浆完成，停止注浆。3.1.3测压结果钻孔封孔后，经过2 4h水泥浆固化达到一定强度,在测压管端头装上压力表,并检验接头等处是否漏气，如果发现漏气需重新上表，若不漏气准确记录读数值。根据煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法（AQ/T10472007)规定，需定期观测压力值，当瓦斯压力在3 d内不变化或者变化小于0.0 1 5MPa，测压工作结束。东三采区瓦斯压力测定结果,如表3所示。表3 东三采区瓦斯压力测定结果钻孔见煤长煤孔长孔深封孔长压力表埋深钻场位置读数编号度/m/m1-131东1 0 1 开切眼处1-215.5东1 0 1 运输顺槽2-137.5(一)56 0 m2-23-1东1 0 1 运输顺槽(一)2 0 0 m3-2东三采区运输巷4-1416m处4-23.2临界值确定通过理论分析与现场实测相结合，得出一煤层瓦斯压力在各自临界值条件下的对应关系,如表4所示。统计分析了本次实测的瓦斯压力数据，一煤层最大煤层瓦斯压力为0.50 MPa,不大于0.7 4MPa。从煤矿安全生产考虑，按照防治煤与瓦斯突出细则将0.74MPa作为一煤层区域预测或者区域效果检验瓦斯压力的临界值是可行的,即一煤层瓦斯压力临界值Study on the Critical Value of Gas Pressure in the First Mining Area of Dashui Coal Mine(1.Dashui Coal Mine,Gansu Jingyuan Coal Industry and Electricity Power Co.,Ltd.,Baiyin Gansu 730913,China;2.CCTEG Shenyang Research Institute Co.,Ltd.,Shenyang Liaoning 110016,China;3.State KeyAbstract:Gas pressure is one of the important regional indicators for predicting the risk of coal seam outburst,which can effectively guidethe targeted implementation of outburst prevention work.The Detailed Rules for the Prevention and Control of Coal and Gas Outburststipulate that coal and gas outburst mines should conduct targeted assessment of the critical value of regional outburst risk predictionindicators.Before the assessment is determined,0.74 MPa can be referred to as the critical value.The Dashui Coal Mine conducted asystematic analysis and investigation of the critical value of gas pressure using engineering measurement methods,and ultimately obtained aregional outburst risk prediction index of 0.74 MPa for coal seam gas pressure in the mine.This result considers the personal safety ofunderground operators,the safety and benefits of the mine,and is the most reliable value that meets national safety requirements.Theinvestigation results and research methods can provide effective guidance for other mines to carry out similar work.Key words:gas pressure;critical value;predictive indicators;regional prediction表4大水头煤矿一煤层瓦斯压力各条件下临界值相对瓦斯压力坚固性系数厂/MPa防治煤与瓦斯突出细则瓦斯压力临0.74界值1.120.260.74为 0.7 4 MPa。4总结1)区域预测指标是评判煤层是否具有突出危险性的主要依据，煤层瓦斯压力作为主要指标,其临界值的确定对于矿井进行有针对性的突出危险性防治具有重大的现实意义。2)通过在大水头煤矿不同区域布置不同埋深的测压钻孔，对煤层的瓦斯压力指标进行了实测，得到大水头煤矿一煤层区域突出危险性预测、区域防突措/m度/m/MPa/m334.5318.5542.50005005014.5.5167.523.5Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Fushun Liaoning 113122,China)临界值确定依据经验公式最小突出瓦斯压力根据瓦斯压力梯度法得出的最小瓦斯压力参考值施效果检验相对瓦斯压力临界值为0.7 4MPa。300.3150.24370.424740.047466245045504519.5140.18160.16464Guo Wukui,Jin Peng?35115110.44340.4434464参考文献1程远平,周红星.煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值研究进展 J.煤炭科学技术,2 0 2 1,49(1):1 46-1 54.2邓照玉.深部煤层区域预测指标临界值的研究 J.能源与环保，2020,42(1):34-37.3张仁松，卜珍虎，刘万伦.不同突出煤层区域预测临界值指标的确定 J.煤炭技术,2 0 1 8,3 7(1 1):1 7 8-1 8 0.4王凯.安阳矿区不同煤阶区域预测瓦斯含量临界值研究 D.焦作：河南理工大学,2 0 1 2.5崔凯车集矿二_2 煤层突出区域预测瓦斯含量临界值研究 D.焦作：河南理工大学，2 0 1 2.6刘学服,方前程.煤层瓦斯压力与瓦斯含量对应关系试验研究 J.煤炭技术,2 0 1 2,3 1(1 0):8 1-8 3.7田坤云，张建国，吕鹏.煤与瓦斯突出瓦斯压力临界值确定方法的探索 J.煤矿安全,2 0 1 2,43(1 1)：1 46-1 49.8辛宪耀.长平煤矿原煤瓦斯含量与瓦斯压力对应关系研究 D.阜新：辽宁工程技术大学，2 0 1 4.