胡魏魏,種 陽(yáng),2

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710100;2.渭南陜煤?jiǎn)⒊娇萍加邢薰?陜西 渭南 714000)

0 引言

煤炭是我國(guó)的主要能源,雖然近5年消費(fèi)占比連續(xù)下降,但仍占一次能源消費(fèi)的60%左右[1-3]。隨著煤炭開(kāi)采深度增加,瓦斯壓力和瓦斯含量增大,地質(zhì)構(gòu)造愈發(fā)復(fù)雜,瓦斯災(zāi)害日趨嚴(yán)重[4-6]。伴隨著現(xiàn)代化智能礦井的建設(shè),快速采掘過(guò)后的采空區(qū)會(huì)出現(xiàn)瓦斯淤積超限等問(wèn)題,對(duì)于瓦斯的預(yù)抽采治理和煤層增透防制技術(shù)的要求越來(lái)越高,尤其是高瓦斯礦井,瓦斯的賦存規(guī)律成為瓦斯災(zāi)害治理的先決條件。對(duì)于定向鉆進(jìn)技術(shù)、分段式壓裂煤層增透抽采技術(shù)等瓦斯治理主要技術(shù),需要研究定向鉆孔角度、定向鉆孔長(zhǎng)度、抽采距離、封孔距離及煤層裂隙發(fā)育等問(wèn)題。而瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重威脅著煤礦安全,已成為我國(guó)煤礦安全的“第一殺手”。只有查清影響煤層瓦斯分布的地質(zhì)因素,找出瓦斯分布的規(guī)律,才能有效地治理瓦斯,指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

劉忠全等[7]對(duì)采掘前方超大區(qū)域采用定向鉆孔分段壓裂增透技術(shù)輔助用以高效封孔工藝形成超前大范圍瓦斯預(yù)抽采治理技術(shù)。雷照源等[8]對(duì)深度礦井運(yùn)用立體瓦斯抽采技術(shù)治理大采高架后采空區(qū)瓦斯遺漏超限問(wèn)題。楊宏民等[9]建立瓦斯抽采封孔質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,并通過(guò)對(duì)漏風(fēng)量的監(jiān)測(cè)得到抽采鉆孔內(nèi)瓦斯變化規(guī)律,依托此種計(jì)算模式及相關(guān)原理對(duì)2種不同的抽采鉆孔封孔質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法的可行性。周連春等[10]優(yōu)化了千米定向長(zhǎng)鉆孔數(shù)據(jù),并對(duì)頂板高位水平定向鉆孔的瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,得出合理的瓦斯抽采參數(shù),對(duì)礦井的瓦斯抽采治理提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。因此,對(duì)高瓦斯礦井首采工作面瓦斯賦存規(guī)律的研究成為礦井瓦斯災(zāi)害治理的重要依據(jù)。

文家坡煤礦為防控煤與瓦斯突出災(zāi)害,采取本煤層抽放、卸壓瓦斯抽放、煤層注水、合理的通風(fēng)系統(tǒng)等各種措施,雖然取得一定的成效,但未從根本上解決煤與瓦斯突出的問(wèn)題,煤與瓦斯突出災(zāi)害頻發(fā)的局面沒(méi)有得到根本改變。分析其原因,主要在于煤與瓦斯突出的機(jī)理不清楚。為了進(jìn)一步了解煤與瓦斯突出機(jī)理,為防控煤與瓦斯突出災(zāi)害采取切實(shí)高效的措施,同時(shí)為了保證回采安全,必須在回采前對(duì)其進(jìn)行瓦斯賦存規(guī)律的研究,并制定相應(yīng)的瓦斯治理措施,以保證回采過(guò)程中瓦斯不超限。

1 工作面概況

文家坡井田位于陜西省咸陽(yáng)市彬縣、長(zhǎng)武縣一帶的彬長(zhǎng)礦區(qū)中部,煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a,4101工作面是陜西彬長(zhǎng)文家坡礦業(yè)有限公司在41盤區(qū)5條大巷北側(cè)沿煤層走向布置的首采工作面,主采4號(hào)煤層。煤層底板標(biāo)高+382.97～+444.53 m,煤層埋藏深度547～750 m。走向長(zhǎng)度3 046 m,傾向長(zhǎng)度240 m;煤層厚度3.76～4.32 m,平均厚度3.93 m。根據(jù)煤層底板等高線變化趨勢(shì)分析,4101工作面地層整體向西北方向傾斜,傾角2°～6°,一般3°左右。工作面累計(jì)揭露斷層10個(gè),全部為正斷層,落差0.7～6.8 m,皆為北東走向。

2 煤層瓦斯賦存規(guī)律

2.1 瓦斯涌出來(lái)源分析

2.1.1 瓦斯涌出源分布

文家坡煤礦綜放面瓦斯來(lái)源與含瓦斯煤巖層賦存狀況及開(kāi)采技術(shù)條件有關(guān),主要來(lái)自開(kāi)采層和鄰近層(含圍巖),其瓦斯涌出源分布如圖1所示。

2.1.2 開(kāi)采層煤壁瓦斯涌出

開(kāi)采層煤壁瓦斯涌出由2部分組成。①工作面由于煤壁的不斷暴露而涌出的瓦斯q1;②在礦山壓力作用下,綜放支架上前方的頂煤的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞,出現(xiàn)透氣性大大增加的卸壓帶。由于從煤體內(nèi)部到煤壁間存在著瓦斯壓力梯度,瓦斯沿卸壓帶的裂隙從頂煤壁涌入裂隙帶,表現(xiàn)為沿流場(chǎng)邊界的持續(xù)穩(wěn)定涌出q2。

2.1.3 采放落煤的瓦斯涌出

采放落煤的瓦斯涌出由2部分構(gòu)成。①采落煤炭瓦斯涌出的q3;②放頂煤時(shí),當(dāng)煤層由整體冒落為松散體時(shí),內(nèi)部的瓦斯在短時(shí)間內(nèi)的釋放,表現(xiàn)為放煤處瓦斯瞬間涌出的q4。

2.1.4 其他瓦斯涌出

綜放面采空區(qū)遺煤的瓦斯涌出主要是殘留在采空區(qū)的放落煤炭繼續(xù)釋放的瓦斯q5,其主要由煤層的采出率所控制,并隨時(shí)間的推移逐漸減少。綜放面有上鄰近煤層,應(yīng)考慮鄰近煤層瓦斯涌出的q6。

2.1.5 瓦斯涌出量大小的影響因素

綜放面各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小除主要取決于煤層瓦斯含量外,還與開(kāi)采強(qiáng)度密切相關(guān)。q1～q4與工作面采、放煤量成正比;q5除與產(chǎn)量有關(guān)外,還與回采率密切相關(guān),回采率越小,q5越大。瓦斯源q6除取決于開(kāi)采強(qiáng)度外,還與鄰近層厚度及其至開(kāi)采層距離、層間巖石性質(zhì)、鄰近層瓦斯原始?jí)毫σ约懊簩油笟庑韵禂?shù)等密切相關(guān)。

2.2 煤層原始瓦斯含量測(cè)定

為了更好地對(duì)4101工作面煤層瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)了地勘期間的瓦斯資料[11-12]。然后利用直接法(井下鉆屑解吸法)實(shí)測(cè)了煤層瓦斯含量,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 工作面瓦斯含量測(cè)定點(diǎn)Table 1 Gas content measuring points of working face

2.3 瓦斯賦存規(guī)律主控因素分析

影響煤層瓦斯含量的主要因素有煤層儲(chǔ)氣的條件、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和采礦工作,而影響瓦斯賦存和分布的主要地質(zhì)因素包括煤的變質(zhì)程度、圍巖條件、地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋藏深度、煤田的暴露程度、地下水活動(dòng)和巖漿活動(dòng)等。考慮到4101工作面的地質(zhì)情況,從地質(zhì)條件的角度來(lái)分析,影響煤層瓦斯賦存的主要因素有地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、基巖厚度、煤層埋深等。前述4101工作面地質(zhì)構(gòu)造均為小斷層,實(shí)測(cè)斷層周圍瓦斯含量沒(méi)有突變,從地勘時(shí)期鉆孔柱狀圖分析可得,4101工作面取樣地點(diǎn)基巖厚度變化不大,所以針對(duì)煤層厚度和煤層埋深2個(gè)因素對(duì)煤層瓦斯含量影響進(jìn)行分析。

2.3.1 煤層瓦斯含量的單因素分析

通過(guò)表1對(duì)煤層瓦斯含量測(cè)定的結(jié)果,分析煤層瓦斯含量與煤層厚度的線性關(guān)系,從圖2可以看出,煤層的厚度與瓦斯賦存的相關(guān)程度很小,受其影響并不明顯。通過(guò)表1對(duì)煤層瓦斯含量測(cè)定的結(jié)果,分析煤層瓦斯含量與煤層的埋深的線性關(guān)系,瓦斯含量百米梯度為2.59 m3/(t·r),從圖3可以看出,煤層埋深與瓦斯賦存的相關(guān)程度較高,受其影響很大。

圖2 煤層瓦斯含量與煤層厚度的關(guān)系Fig.2 Relations of coal seam gas content and coal seam thickness

圖3 煤層瓦斯含量與煤層埋深的關(guān)系Fig.3 Relations of coal seam gas content and the buried depth of coal seam

通過(guò)地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、基巖厚度和煤層埋深與煤層瓦斯含量的線性相關(guān)度來(lái)說(shuō),對(duì)文家坡煤礦4101工作面煤層瓦斯含量影響最大的相關(guān)度最高的是煤層埋深,即通過(guò)單因素分析可得,4101工作面瓦斯賦存的主控因素是煤層埋深。

2.3.2 煤層瓦斯含量的多因素分析

根據(jù)表1的相關(guān)數(shù)據(jù),運(yùn)用Excel對(duì)煤層瓦斯含量的2個(gè)因素進(jìn)行分析,以煤層瓦斯含量為因變量y,煤層厚度和煤層埋深為自變量x1、x2,得出方差分析見(jiàn)表2、回歸參數(shù)分析見(jiàn)表3。

表2 方差分析Table 2 Variance analysis

表3 回歸參數(shù)分析Table 3 Analysis of regression parameters

表2中F值對(duì)應(yīng)的Sig值小于0.05就可以認(rèn)為回歸方程是有用的,從F值的角度來(lái)講:F的值是回歸方程的顯著性檢驗(yàn),表示的是對(duì)模型中被解釋變量與所有解釋變量之間的線性關(guān)系在總體上是否顯著做出推斷。若F>Fa(k,n-k-1),(其中k為自變量個(gè)數(shù),n為樣本容量,n-k-1為自由度),對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的情況來(lái)講,k=2,樣本容量為3,只有當(dāng)表中的F值顯著大于這個(gè)值,才認(rèn)為各個(gè)自變量對(duì)因變量有顯著影響。根據(jù)2對(duì)瓦斯含量主控因素的分析可得,2個(gè)自變量都對(duì)因變量瓦斯含量有顯著影響,所以此處不需要根據(jù)F值對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

在回歸效果顯著的條件下,這里的系數(shù)并不能說(shuō)明自變量與因變量相關(guān)性的大小,對(duì)多元線性回歸中因變量與自變量的相關(guān)性,與標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)有關(guān)。因此,運(yùn)用多因素線性回歸方法分析可得,瓦斯含量y與煤層厚度x1和煤層埋深x2的關(guān)系煤層瓦斯含量的多元線性關(guān)系為

y=0.044 4x1+0.009 4x2-2.25

(1)

2.4 繪制工作面瓦斯等值線圖

通過(guò)分析可知,工作面瓦斯含量的主控因素是煤層埋深,煤層瓦斯含量與埋深的線性關(guān)系為y=0.025 9x-14.824。根據(jù)煤層底板標(biāo)高和地面標(biāo)高,對(duì)4101工作面不同坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行瓦斯含量的數(shù)值擬合,可得部分坐標(biāo)點(diǎn)的瓦斯含量值,見(jiàn)表4。把不同地點(diǎn)的坐標(biāo)擬合的瓦斯含量數(shù)值導(dǎo)入到繪圖軟件Surfer 12.0,可以得到4101工作面煤層瓦斯含量等值線如圖4所示。工作面瓦斯含量等值線圖表明,自4101工作面切眼到工作面停采線,煤層瓦斯原始含量逐漸降低,即瓦斯賦存規(guī)律表現(xiàn)為自工作面切眼至停采線,瓦斯含量表現(xiàn)為由高至低。

表4 4101工作面不同地點(diǎn)的瓦斯含量擬合值Table 4 Fitting value of the gas content at different points of 4101 working face

圖4 工作面瓦斯含量等值線Fig.4 Gas content contour of working face

3 結(jié)論

(1)對(duì)影響文家坡煤礦4101工作面瓦斯含量的2個(gè)因素進(jìn)行分析,得出煤層厚度和煤層埋深對(duì)煤層瓦斯含量的影響的線性關(guān)系式,分別為y=-0.086x+4.023(R2=0.010 7),y=0.025 9x-14.824(R2= 0.500 9);單因素對(duì)比得出煤層瓦斯含量的主控因素為煤層埋深。

(2)通過(guò)多因素線性回歸的方法,通過(guò)方差分析表和回歸參數(shù)分析表分析,得出煤層瓦斯含量與煤層厚度和煤層埋深的關(guān)系為y=0.044 4x1+0.009 4x2-2.25。

(3)以煤層瓦斯含量與煤層埋深的線性關(guān)系,通過(guò)擬合其他地點(diǎn)的瓦斯含量,繪制4101工作面煤層瓦斯等值線圖,定量地得出煤層瓦斯賦存的規(guī)律,即從工作面切眼到停采線,瓦斯含量逐漸降低,對(duì)于4101工作面煤層瓦斯預(yù)抽以及工作面回采期間的風(fēng)量分配、瓦斯防治具有一定的指導(dǎo)作用。