煤层瓦斯压力分布规律及预测方法

煤层瓦斯压力测定

第25卷第4期2008年12月

采矿与安全工程学报

JournalofMining&SafetyEngineering

Vol.25No.4

Dec.2008

文章编号:167323363(2008)0420481205

煤层瓦斯压力分布规律及预测方法

田靖安1,王　亮2,程远平2,马贤钦2,李　伟2,沈镇波2

(1.窑街煤电集团有限公司,甘肃兰州　730084;

2.中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州　221008)

摘要:煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯含量的一个重要指标,与瓦斯突出

关系紧密.为了掌握煤层瓦斯压力分布规律及普遍适用的预测方法,本文通过分析煤层瓦斯压力分布规律及其影响因素,的新方法.通过对比分析表明,,在现场实践运用中合理、可靠,.关键词:煤层瓦斯压力;分布规律;中图分类号:TD712A

ributionRuleandForecastMethod

ofGasPressureinCoalSeam

TIANJing2an1,WANGLiang2,CHENGYuan2ping2,MAXian2qin2,LIWei2,SHENZhen2bo2

(1.YaojieCoalElectricityGroupCo.Ltd.,Lanzhou,Gansu730084,China;2.NationalEngineeringResearchCenter

forCoal&GasControl,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221008,China)

Abstract:Gaspressureisanimportantindexforevaluatingoutburstriskandfordetermininggascontentincoalseam.Soitiscloselyrelatedwithcoalandgasoutburst.Formasteringthedistributionruleandthecommonlyusedforecastingmethodofgaspressureincoalseam,weproposedatheoreticalformulasforcomputinggaspressureandanewmethodforforecastinggaspressureusingsafetylinemethod.Theresultsshowthatthesafetylinemethodcouldex2actlyreflectfactbycomparativeanalysisonalotofprojectpractices.Themethodisreasonableandcredibleforitcanprovidesafeandreliablebasisforgascontrolindeepleveltomakesurethattheminingissafe.

Keywords:gaspressure;distributingrule;influencefactor;forecastingmethod;safetyline

煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产生的作用力,由游离瓦斯形成.煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性的一个重要指标,并在煤层突出危险性指标重要性排序中位居前列[1],同时是决定煤层瓦斯含量大小、瓦斯流动动力大小以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数.

多年来国内外的煤矿瓦斯研究人员对瓦斯压力与埋深变化关系进行过不少研究,对指导煤矿安

全生产具有一定积极意义,但得出的规律不具有普遍性,且存在一定的安全缺陷.本文介绍了瓦斯压力与突出的关系、瓦斯压力分布规律及其影响因素,并对瓦斯压力随埋深变化关系的预测方法及其合理性进行了对比分析,提出了在相同地质单元下瓦斯压力安全线图解法,并通过在桃园矿的工程实践验证了该方法的正确与可靠

.

收稿日期:2008204202

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2005CB221503);国家自然科学基金重点项目(70533050);国家自然科学基金项目

(50674089)

作者简介:田靖安(19582),男,山西省五台县人,硕士,高级工程师,从事煤矿开采、瓦斯治理及矿井防灭火等方面的研究.E2mail:laoyue150@　　Tel:093126913001　

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1　瓦斯压力与煤与瓦斯突出的关系

根据文献[2],瓦斯压力在突出中的作用主要有:1)在某些场合,当能形成高瓦斯压力梯度(≥2MPa/cm)时,瓦斯可独立激发突出,在自然条件下,由于有地应力配合,可以不需要高瓦斯压力梯度就可以激发突出;2)发展与实现突出的主要因素,在突出发展阶段,瓦斯压力与地应力配合连续地剥离破碎煤体使突出向深部传播;3)膨胀着的具有压头的瓦斯风暴不断地把破碎的煤运走、加以粉碎,并使新暴露的突出孔壁附近保持着较高的地应力梯度与瓦斯压力梯度,为连续剥离煤体准备好必要的条件.

生产实践表明[3],当煤巷卸压区长度X0一定时,地应力σy,瓦斯压力P越大,则突出危险性就越大,导致煤与瓦斯突出的条件为

σy+P-M(eBX0-AT0φB/0式中:P为瓦斯压力X0为卸压区宽度;σy为地应

力;σT为煤体强度;A为常数,等于单轴抗拉强度与单轴抗压强度比值;C为内聚力;A0为测压系数;m为煤层厚度;φ为内摩擦角.

基于以上对瓦斯压力与煤与瓦斯突出关系的认识,国内外学者以及我国大部分规范[427]都将瓦斯压力作为判断煤层突出危险性的十分重要的指标,特别是2006年12月出台的《煤矿瓦斯抽采基

(AQ102622006)[7],明确指出:本指标》“突出煤层工作面采掘作业前必须将控制范围内煤层的瓦斯

含量降到煤层始突深度的瓦斯含量以下或将煤层瓦斯压力降低到煤层始突深度的煤层瓦斯压力以下.若没能考察出煤层始突深度的煤层瓦斯含量或压力,则必须将煤层瓦斯含量降到8m3/t以下,或将煤层瓦斯压力降到0.74MPa(表压)以下”“;低瓦斯矿井新水平、新水平应测定煤层原始瓦斯含量和压力,高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井每个采区每增加50m应测定煤层原始瓦斯含量与压力.”

深变化规律对于掌握煤层赋存情况,预测煤层突出危险性,指导煤层“先抽后采”具有指导作用.

2)煤系地层围岩的透气性:煤系地层岩性及其透气性对煤层瓦斯压力有着重大的影响.实践表明,具有严重突出矿井的煤层围岩全为透气性极低的封闭型岩层.

3)地质构造:地质构造是影响瓦斯储存的重要条件之一,封闭型地质构造有利于封存瓦斯,开放型地质构造有利于排放瓦斯[2].封闭型的地质构造发生部位往往多属于应力集中地带,容易形成高瓦斯区域,瓦斯压力较高;开放地质构造发生部位往往裂隙较发育,排放瓦斯通道较多,不易形成瓦斯积聚区,瓦斯压力较低.

):,还与煤层本身所受的应力、[2].地下采掘活动使煤,造成次生透气性结构,在卸压区透气性增高,集中应力带内透气性降低.保护层开采便是利用采动影响使被保护层形成卸压范围内瓦斯的“解吸2扩散2渗流”流动条件进行卸压瓦斯抽采消除被保护层的突出危险[8].

5)水文地质条件:地下水与瓦斯共同存在于含煤岩系及围岩之中,其运移和赋存都与煤层和岩层的孔隙、裂隙通道有关.地下水活跃的地区,由于水的驱动、溶解及溶蚀作用导致煤层瓦斯大量流失,有利于瓦斯的排放,瓦斯含量较低,进而导致瓦斯压力降低.

6)岩浆侵蚀活动:岩浆侵入含煤岩系、煤层,使煤、岩层产生胀裂及压缩.岩浆的高温烘烤使煤层变质程度提高,煤的贮存瓦斯能力增强,吸附瓦斯增加,前苏联的资料[2]显示,随着煤化程度的提高,相同深度条件下,不仅瓦斯含量高而且瓦斯含量梯度也大.特别是在岩浆冷却后成为煤层再生顶板,使煤层局部被覆盖或封闭,阻隔了瓦斯的逸出,测定的煤层瓦斯压力也往往较大.

3　煤层瓦斯压力理论计算方法

根据国内外对煤层瓦斯大量的观测结果显示,赋存在煤层中的瓦斯表现垂向分带特征,一般可以分为瓦斯风化带与甲烷带[2].其中风化带内瓦斯含量与瓦斯压力较小,风化带下部边界条件中瓦斯压力为P=0.15～0.2MPa;在甲烷带内,煤层的瓦斯压力随深度增加而增加,瓦斯压力梯度随地质条件而异,在地质条件相近的地质块段,相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力,多数煤层瓦斯

2　影响煤层瓦斯压力的主要因素

影响瓦斯压力的因素与瓦斯含量大致相同,主要为:

1)煤层埋藏深度:煤层埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低,而且瓦斯向地表运移的距离也增大,有利于瓦斯的封存而不利于瓦斯的排放.因此,掌握瓦斯压力随埋

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压力随埋深呈线性增加.

由于瓦斯压力随埋深多呈线性变化关系,一般情况下,深部瓦斯压力的推测可用下式描述

P=ωH+C=Pc+ω(H-Hc),式中:P和Pc分别为埋深H与Hc处的煤层瓦斯压力,MPa;ω为瓦斯增长率,即每米瓦斯压力增加数,一般为0.01±0.005;H和Hc为煤层埋藏深度;C为常数.

因此可以计算出瓦斯风化带的极限标高H0

为

H0=(0.2-C)/ω,m.　　文献[9]通过对重庆、北票、湖南等矿区的突出实测数据统计分析,发现瓦斯压力随埋深变化线一般靠近静水压力线分布(图1中直线OC),认为煤层瓦斯压力存在着一个极限值,即静水压力值,并2(如图1所示)

.

P=Pc+D(H-Hc)-

K

βG(H-Hc)]1/2}, {2-[4-2

ΓD=Δ/(H-Hc),G=ΔT/(H-Hc),

)/E,K=3(1-2μ

式中:D为地应力梯度;G为地温梯度;β为含瓦斯

煤的热膨胀系数;K为含瓦斯煤的体积压缩系数;ΔΓ平均地应力变化量;ΔT地温变化量;E为充瓦斯煤体的弹性模量;μ为充瓦斯煤体的泊松比.显然,含瓦斯煤中的原始瓦斯压力P是D,G,β,K及H的函数,并且要求4-2βG(H-Hc)≥0.=P(Hc)=

Pc+D(H-Hc)-

K

1/2

βG(H-Hc)]{2-[4-2

ω=D-简化得　　

K(H-Hc)

},

1/2

βG(H-Hc)]{2-[4-2

}.

可以认为考虑地温与地应力的瓦斯压力推导方程其实也是线性方程的一种,只是瓦斯压力梯度

ω由通过地应力梯度D,地温梯度G及含瓦斯煤的热膨胀系数β确定,且ω=D.

如果假设某矿存在以下条件:

图1　煤层瓦斯压力随深度分布的2种类型Fig.1　Twokindsofgaspressuredistributing

rulevsdepth

D为0.012MPa/m,G为0.03℃/m,K为

).0.0006MPa-1,β为0.00015m3/(m3 ℃

1)瓦斯增长率ω<0.01MPa/m(图1中直线

AD),此时,随着深度增加,煤层瓦斯压力与极限瓦

代入公式计算得:ω=0.00825MPa/m,满足ω数值处于0.01±0.005范围内.

则压力公式可描述为

P=Pc+0.00825(H-Hc).

斯压力相差越来越远;

2)瓦斯压力增长率ω>0.01MPa/m(图1中直线AB),这时随着深度增大,煤层瓦斯压力将越来越接近煤层极限瓦斯压力.交点B的深度Hf为瓦斯压力的极限深度.超过这个深度后,瓦斯压力将按煤层极限瓦斯压力分布线(BC线)而变化.

根据上述规律,在实际计算时,可近似地认为甲烷带一定深度内瓦斯压力增长线是一条直线.当煤层瓦斯压力增长率超过0.01MPa/m时,超过极限深度的煤层瓦斯压力将按静水压力分布.应当指出在某些地质条件局部变化区域,如覆盖岩层性质改变、岩浆岩侵蚀、开放式的大断层附近等,煤层瓦斯压力将会较大的偏离直线规律.

文献[10]描述了地温与地应力对含瓦斯煤微元体作用下的煤层瓦斯压力理论推导公式

对于Pc与Hc的选择,为消除开采条件及各种人为因素等对煤层瓦斯压力实测结果的影响,可以将一定埋深范围(如垂距50m)作为一个区段,对相应的压力与埋深进行加权平均处理,作为每个区段的瓦斯压力Pc,平均埋深作为Hc,即按下式计算

nPc=

∑P

ni=1n

i

Hi

,

i

∑H

n

Hc=

∑H

i

,

式中　n为相应区段内的瓦斯压力实测值数量.

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为了保证瓦斯压力推测值对指导深部开采的充分安全,在实际操作时建议采用相同地质单元内浅部各区段加权较大的数值作为Pc与Hc.

标志点需要结合风化带下限临界值(风化带下部边界条件中瓦斯压力为P=0.15～0.2MPa)确定,当选择两个标志点做出的曲线通过该临界点(或在附近)时,标志点选择正确;否则需要重新确定标志点,在无法找到两个标志点时,充分考虑风化带下限临界值点,选择一个标志点,取静水压力梯度(0.01MPa/hm)作为瓦斯压力梯度做出安全线,并应满足除异常点外的其余部分测点均在该直线以下.值得注意的是,由于测压环境及封孔质量影响,导致深部水平部分测定的压力值较低,不符合深部瓦斯压力变化基本规律,不能作为标志点予以采用.

此外,0.010.,浅部由于构造应力,P=0.01H;,由于地应力(其中包括自重、构造和温度应力)随垂深成线性增加,瓦斯压力可以超过静水压力,P值可达(0.013～0.015)H[11],且在个别集中应力和开采集中应力很高的地带,存在瓦斯压力异常区域.

4　瓦斯压力预测方法对比分析

在生产过程中,存在大量的瓦斯压力实测值,其瓦斯压力随埋深的变化由于地质条件的复杂性,很难找出统一的规律,采用理论公式进行计算推导需要考虑的因素较多,并且不具备现场技术人员的普遍可操作性.目前在生产实践中,多数采用一元线性回归方法对实测瓦斯进行回归分析,从而对瓦斯随埋深关系进行预测,该方法综合考虑了所有测取数据,能够反应复杂地质条件下埋深与瓦斯压力两个变量之间的不确定性关系,并着眼于在甲烷带内瓦斯压力与埋深的线性关系,一般情况下理论上回归效果均显著,,其存在很大安全隐患,斯压力,,此时若采用该预测数据进行指导采取措施消突与

校检,理论上达到了消突标准(0.74MPa,8m3/t)以下,可是实际仍然大于该标准.因此该方法对于煤矿这种危险程度大,要求安全可靠性强的企业,生产过程中对瓦斯压力的预测不应采用该方法.

此外,部分学者根据个别矿区(井)地质条件下的瓦斯压力历史数据进行统计分析,发现瓦斯压力随着埋深呈现先增大后减小的趋势,得出瓦斯压力随埋深符合多项式回归方法,该方法预测深部瓦斯压力同样具有安全隐患.一般深部测定压力值低于浅部,多处于特殊构造附近(如落差较大的开放型断层、岩浆岩侵蚀等),并不具有普遍代表意义.

经过长期的生产实践,提出了安全线图解法进行瓦斯压力随埋深关系的预测,该方法对大量生产过程中测定瓦斯压力值进行统计分析,排除由于承压水等因素导致的数值较大的异常测点,然后选取其中两个真实的标志点进行线性连接,做出安全线,使除异常点外的其余部分测点均在该直线以下,如图2所示.

5　工程实践

桃园煤矿位于安徽省宿州市南部,为煤与瓦斯突出矿井,82煤层为突出煤层,在生产期间对该煤层打钻,常出现卡钻、喷孔等现象,在Ⅱ2药库回风

上山5#钻场(标高-749m)处测得最大瓦斯压力为4.5MPa,二水平(-520～-800m)煤层瓦斯压力为2.43～5.46MPa,煤层瓦斯含量为9.99～15.84m3/t.对82煤层进行了煤与瓦斯突出危险

区域划分,具体情况见表1.

表1　桃园煤矿82煤层突出危险区域划分Table1　Coalandgasoutburstdangerareaspartition

内容无突出危险区突出威胁区突出危险区

标高/m

-310(风化带)～-400-400～-520-520m以下

瓦斯压力/

MPa0.16～1.131.13～2.43

瓦斯含量/(m3 t-1)

1.12～6.006.00～9.99

≥2.43≥9.99

为了给深部水平瓦斯治理提供指导依据,需要在现有瓦斯参数测定基础上对深部煤层瓦斯压力进行预测,图3为桃园煤矿突出煤层82煤层生产

图2　瓦斯压力预测方法2安全线法

Fig.2　Gaspressureforecastingmethod2safetyline

过程中的瓦斯压力预测曲线,分别采用了一元线性回归、多项式回归与安全线图解方法.

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3)通过桃园矿82煤层瓦斯压力预测的实例,对3种不同预测方法进行了对比分析,研究表明在

实测瓦斯压力基础上采用一元线性回归与多项式回归方法预测深部煤层瓦斯压力变化情况,不具有普遍适用性,且具有较大的安全隐患;而采用安全线图解法预测煤层瓦斯压力,现场的实用性与可操作性强,安全、可靠,能够保证矿井的安全生产.

图3　各种方法下桃园煤矿82煤层瓦斯压力预测曲线图

Fig.3　Gaspressureforecastingcurvesusingdifferent

methodsof82seaminTaoyuancoalmine

参考文献:

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从图3中可以看出采用一元线性回归与多项

式回归方法时,大量的实测的真实瓦斯压力被排除在外,深部瓦斯压力预测值较小,根据该数值做出的瓦斯治理对策与工程无法保证采掘工作面的安全,并且该方法得出的桃园矿82限标高在-420m左右,的风化带标高(-m.,图中瓦斯压力曲线方程为P=0.01082H-3.45473,计算出的瓦斯压力埋深为330m(对应标高为-306m),与风化带下限标高基本一致,瓦斯压力梯度为0.01082MPa/m,处于0.01±0.005范围内,符合深部原始煤体瓦斯压力变化情况,此外在后续的生产实践中继续测定的瓦斯压力均在安全线附近,验证了该方法的安全性与合理性.

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6　结　论

1)煤层瓦斯压力与煤与瓦斯突出关系紧密,

是突出事故发生的重要影响因素之一,影响原始煤体中瓦斯压力主要因素为煤层的埋藏深度、煤系地

层的透气性、地质构造、矿井采掘活动、水文地质条件以及岩浆侵蚀活动等.

2)国内外对煤层瓦斯大量的观测结果表明,赋存在煤层中的瓦斯表现垂向分带特征,瓦斯压力随埋深多呈线性变化关系,一般情况下,瓦斯压力随埋深变化线一般靠近静水压力线分布,存在着一个极限值,但在某些地质条件局部变化区域,煤层瓦斯压力将会较大的偏离直线规律.同时,本文给出了地温与地应力对含瓦斯煤微元体作用下的煤层瓦斯压力理论推导公式,并认为考虑地温与地应力的瓦斯压力推导方程其实也是线性方程的一种.

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