煤矿瓦斯地质规律研究及瓦斯预测

李 骏

(阳泉煤业(集团)有限责任公司二矿，山西 阳泉 045008)

引言

煤矿瓦斯是由游离于煤储层的煤层气构成，是一种重要的资源类型，且具有较高应用价值，属于一种洁净的能源类型。但是，实际煤矿生产中，煤矿瓦斯可能会造成煤矿安全事故的产生，不利于煤矿安全生产。为探明煤矿瓦斯的基本情况，主要运用瓦斯地质钻探工艺，对其进行开采和抽放，达到安全的目的。

1 矿区气压变化规律

地球表面覆盖的一层厚厚的由空气组成的大气层，处于大气层中的物体，都受到空气分子撞击产生的压力，简称大气压力。受到地心引力作用，距地球表面越近，地球吸引力越大，空气分子撞击物体表面的频率越高，产生的大气压力就越大；反之，欲小。据测定，旬耀矿区地面大气压力变化在一年内可达500～2000pa，特殊情况下一天变化可达200～400pa，每天早晨气压上升，下午气压下降；冬季气压高，夏季气压低，但是如某一次寒流到来，气压相应增高，但是冷空气一过，气压缓慢下降，因此某一固定区域的内大气压力变化，必然导致矿井内部大气压变化，进而影响矿井内部瓦斯变化

2 瓦斯抽采实验模型

2.1 煤矿地质情况

某煤矿属于瓦斯突出矿井，煤层平均厚度为5.3m，瓦斯含量为8.9-10.9m3/t，测量发现平均压力为1.89MPa，为了减少瓦斯的泄露风险，开采时应采用顺应煤层方向的模式，采用抽采钻孔方式，并保证直径为94mm。

2.2 数值模型

选取某煤矿3号煤层开采工作面为模型来源，模型高度为5m，长度为40m，将其布置在煤层的水平中心位置，设置13个负压抽采钻孔，各孔之间的水平距离为3m，直径保持为100mm。为了更为精准的呈现承载力的变化情况，将判断标准设定为临近工作面的推进距离，推进10m则重新设置承载力，直至完成最终的抽采工作。模型内空气压力为0，瓦斯初始压力为2MPa。

3 双重孔隙特性瓦斯运移模型

为了充分研究煤层渗透率对瓦斯运移的影响，建立双重孔隙瓦斯运移模型进行分析。相较常规的天然气储层，煤矿抽采煤层渗透率保持在0.001-100.00范围内变化，且煤层属于包含裂隙与基质孔隙的双重孔隙介质，微孔表面存在瓦斯。在基质系统中，煤层瓦斯遵循一定的运移规律，需要建立相应模型进行分析。

3.1 模型假设

一是忽略煤层水分对瓦斯运移规律的影响，仅考虑瓦斯自身的流动情况；二是煤层中的介质均为同种性质，分析期间考虑煤层的双重孔隙特点；三是忽略煤层对二氧化碳组分的吸附影响，将瓦斯外界空气看做饱和气体。

3.2 煤层变形与瓦斯流动方程

在考虑煤层裂隙与基质部分情况下建立理想模型，对于煤层天然裂隙，应分为水平割理与垂直割理两部分，其中煤层主要包含裂隙与基质孔隙的双重孔隙介质，瓦斯主要附着于微孔表面。瓦斯自由运移的主要空间为煤层割理，其流动主要遵循气体对流——扩散方程。根据瓦斯流动速度，设定在割理与节理中传输的瓦斯对流方程与基质内瓦斯扩散方程。除此之外，煤层属于多孔介质体，构成较为复杂，煤层渗透率处于不断变化的过程中，因此在分析瓦斯运移规律的影响时，技术人员还应结合混合气体的实际影响。

图 瓦斯赋存主机控制理论体系

4 瓦斯涌出分布规律分析

4.1 端头位置

在工作面的进风侧(端头位置)取测试单元为I，从1号～5号测点，瓦斯的浓度呈现上升趋势，但是整体的浓度变化不大。主要是由于该位置处于回采面进风巷与回采面切眼的交叉位置，位置处的风流量较大，整体的瓦斯浓度呈现出紊流状态，采煤面遗落的瓦斯被风流稀释，同时由于此处位置有漏风，造成煤层瓦斯向采空区内出现运移，因此，在I位置处瓦斯浓度不高。

4.2 中部

在回采面中部位置，即在V、Ⅵ测站位置，从煤壁向采空區方向(1号～5号测点)，瓦斯浓度整体上具有增加的趋势，在该位置处测点的瓦斯浓度要较I测站(端头位置)处的瓦斯浓度高。在回采面中部V、Ⅵ测站，在1-5号测点处侧定的瓦斯浓度平均为0.12%，煤壁处的瓦斯浓度最高，平均在0.21%，在立柱位置处瓦斯浓度在0.06%，在靠近采空区侧瓦斯浓度在0.16%。出现上述情况的主要原因是由于在靠近回采面煤壁位置风流速度较小，在靠近回风面采空区侧由于通风漏风造成风流将采空区内的高浓度瓦斯带出，因而在采空区侧瓦斯浓度值较高。

4.3 端尾

在回采工作面的端尾(回风侧)，也就是在Ⅸ测站位置，在从回采面煤壁向采空区方向(1号～5号测点)，瓦斯浓度分布情况呈现出抛物线状，在回采面煤壁处的瓦斯浓度值最高，最大为0.22%，其次为回采面靠近采空区侧最大为0.19%，在回采面的立柱位置瓦斯浓度最大值在0.11%。

4.4 浩倾向瓦斯分布规律

在回采工作面倾斜方向上从I号测站向X测站，瓦斯浓度呈现出逐渐增加的趋势，在回采面的端部位置(进风巷)瓦斯浓度值最低，在II及III测站位置，瓦斯浓度呈现出显著增加，从Ⅳ到Ⅸ测站位置，瓦斯浓度虽有变化，但是瓦斯浓度变化幅度不明显。根总体来说，瓦斯浓度分布沿着进风巷向回风巷侧整体呈现出增高的趋势，在综采面的下部位置，瓦斯浓度变化较小，在综采工作面中部位置及中下部位置瓦斯浓度出现较大的增加，说明综采面中下部的瓦斯涌出主要来源于回采面的煤壁及开采的落煤，在综采工作面的中上部及尾部位置瓦斯涌出不仅仅回采面煤壁及落煤，而且采空区瓦斯也占据到一定的份额。

5 煤矿瓦斯地质规律研究

5.1 钻孔周围塑性区、渗透率变化规律

煤矿的采掘工作会打破原有的煤体平衡性，促进煤层渗透性的进一步改变，并导致应力重新分布。分析计算可知，钻孔塑性区、应力分布情况等均与煤层渗透率保持一定关系。由此看出，在瓦斯开采期间，裂隙与基质内的瓦斯运移存在压差，在瓦斯抽采后期，瓦斯压差逐渐减小，直至为零。

5.2 现场应用与对比

在煤矿开采现场收集1号与3号煤层的瓦斯压力数据，分析可知，瓦斯压力保持下降的趋势，并受到钻孔负压以及地质条件等因素的影响，之间的压力处于一直的变动过程中。技术人员分析发现，此模型可以用于研究瓦斯长期的抽采效果，并预测评价瓦斯的抽采效率。

6 强化抽采瓦斯的预测

6.1 强化瓦斯抽采措施

为了进一步降低瓦斯的抽采压力，减少瓦斯突出的危險性，技术人员应将空气注入煤矿开采工作面中，以加快煤层中瓦斯的运移效率，提高煤层瓦斯的抽采效率。

6.2 工作面煤层瓦斯压力分布

分析实际数据可知，随着注入空气，瓦斯裂隙压力逐渐出现变化，当无空气模式时，瓦斯在12天左右下降至安全压力，当空气压力为1MPa时，8天左右瓦斯便会下降至安全压力。由此看出，通过为煤层瓦斯注入空气，可以降低瓦斯压力，加快其运移。

6.3 煤层渗透率与浓度变化

瓦斯抽采过程中，瓦斯渗透率会呈现出不断上升的趋势，且裂隙中的空气的压力也不断增大，煤层应力出现降低的趋势，随着空气的不断注入，抽采初期与后期瓦斯的渗透率均得到了提高。同时，没有注入空气时，瓦斯浓度下降速度较慢，而注入空气后，浓度下降速度增加。

6.4 煤层裂隙瓦斯流量变化

在空气压力的影响下，瓦斯流量也发生了较大的变化。随着空气压力的升高，煤层裂隙瓦斯运移会存在额外的动力源，且在煤层体积变形与基质吸附的影响下，裂隙渗透率出现变化。解吸瓦斯会促使基质收缩，提高其渗透率，加快了煤层裂隙中瓦斯的运移速度。

7 结束语

为了更好的分析瓦斯抽采过程中，支撑压力与空气流动的具体影响，本文利用相关数学模型，分析了气体运移与钻孔破坏的耦合现象。在支撑压力的作用下，提高煤层的渗透率会促使瓦斯向抽采钻孔内快速流动，在降低瓦斯压力的基础上，抑制了瓦斯的运移。在顺层瓦斯抽采期间，负压区域瓦斯压力不断减小，注入空气后，煤层混合气体的压力不断升高，促进了煤层中瓦斯的有效运移。本次的模型更好的分析了采动影响模式下，瓦斯的实际运移规律，可以为此后的瓦斯治理工作提供更多依据。