關于煤層瓦斯含量有關問題的分析與探討

胡召勇

摘要：本文主要分析我國目前現有的行業規程、規范和技術標準，以及“煤層殘存瓦斯含量”的定義等，詳細說明礦井煤炭的開采與瓦斯的抽采是一個動態的概念，可以將煤層瓦斯殘存量按照實際條件分為瓦斯殘留量與瓦斯殘存量兩個基本類型。

關鍵詞：煤層；瓦斯含量；分析

中圖分類號：P618文獻標識碼： A

受礦井開采過程中地層采動或瓦斯抽采工程等影響，煤層原始瓦斯賦存狀態發生改變后，煤層瓦斯會不同程度地向采掘空間或抽采系統釋放，而留存在煤層中的殘存瓦斯含量則是預測礦井瓦斯涌出量、進行煤層瓦斯抽采設計、評價瓦斯抽采達標、評估煤層突出危險性的重要基礎數據。

然而在實際應用中，筆者發現現有的行業規程、規范及技術標準中對“煤層殘存瓦斯含量”的定義、測定與計算方法存在著較多的歧義與問題。因此，對有關“煤層殘存瓦斯含量”的許多相關問題進行深入討論，統一認識，在當前有著極大的現實意義。

1關于“煤的殘存瓦斯含量”的定義

目前我國煤礦行業現有多個標準對煤層殘存瓦斯含量的定義是不一致的。筆者認為，殘存瓦斯含量應是一個動態的概念。殘存瓦斯既然是“經過一段時間的瓦斯釋放后，煤塊或煤體中殘留的瓦斯”，按照煤礦開采的過程與實際情況，煤體經過一段時間的氣體釋放后其殘存瓦斯含量就應該包括運出礦井后煤中的殘存量、開采煤層的殘存量、抽采后煤體的殘存量、受采動影響后鄰近煤層的殘存量、采空區遺留煤炭的殘存量，以及解吸法測定瓦斯含量過程中的殘存量等不同的類型?？紤]到煤在常壓狀態下吸附瓦斯釋放過程比較緩慢，瓦斯保存時間相對較長，因此建議把常壓狀態下煤樣中保存的瓦斯量稱為殘存瓦斯含量，而把其他階段或過程煤中保存的瓦斯量稱為殘留瓦斯含量，以便區別和應用。

1)運出礦井后煤的殘留瓦斯含量(采落煤炭的殘存瓦斯含量)。在預測礦井瓦斯涌出量時，采落煤炭向礦井采掘空間所釋放的瓦斯量(開采層瓦斯涌出量)多少，很大程度上是由煤層原始瓦斯含量與運出礦井后煤中的殘留瓦斯含量的差值決定的。而煤炭從在工作面被采落到運出地面的時間和煤炭的粒度則是影響其殘留瓦斯含量的重要因素。根據己有的研究結果表明，我國礦井的規模及在現行裝備條件下對采煤和運輸環節的實際統計，大部分礦井可以在2h左右將煤炭運至地表。因此，采落煤炭的殘留瓦斯含量通常是指在大約2h內運出礦井后煤的殘留瓦斯含量。

但是按照不同礦井的具體生產條件、系統環節和機械化水平，煤炭運出礦井的時間差別可能較大，而在有的礦井地面煤倉中煤炭繼續放出瓦斯的情況也是客觀存在的現象。因此嚴格說來，過去有的研究把這一煤炭運輸時間確定為大約2h，認為采落煤炭的殘留瓦斯含量通常是指在大約2h內運出礦井后煤的殘留瓦斯含量并不夠準確;殘留量近似等于常壓下瓦斯含量的假設也不盡合理，運出礦井后煤中的殘留瓦斯含量按煤在0. 1 MPa壓力(常壓)條件下煤的吸附量取值，只是在目前尚無其他可靠數據情況下的一個暫時可用的辦法。

2)鄰近煤層的殘留瓦斯含量。受采動影響后鄰近煤層的透氣性大大提高。但是在計算煤層群開采中多次受到采動影響的鄰近層的瓦斯涌出量時，由于其煤層瓦斯己可能經受到多次不同程度的采動影響，因此計算首次采動以后鄰近煤層的瓦斯涌出量時應采用其(鄰近層)相應階段的殘留瓦斯量，而不能再采用原始的煤層瓦斯含量值。

3)采動影響煤層的殘留瓦斯含量、抽采后煤體的殘留瓦斯含量等，多用于評價瓦斯抽采達標效果、評估煤層突出危險性。這時煤層殘留瓦斯含量多處于一個不斷減少的變化過程中，其最終的殘留量值取決于抽采達標的具體要求。

4)采空區遺留煤炭的殘存瓦斯量，這對于礦井瓦斯涌出量預測及采空區瓦斯抽采都有較大的意義，特別是在厚煤層開采時。在有關瓦斯抽采的相關標準與計算中，多采用在1個大氣壓(1. 013 x105 Pa)條件下(常壓狀態下)煤樣的瓦斯含量。但是在煤炭長時間暴露于常壓狀態，特別是可能同時處于負壓抽采瓦斯的情況下，由于長時間釋放瓦斯的煤炭中的殘存瓦斯量可能遠遠低于此數值。

5)解吸法(包括地面和井下)測定瓦斯含量過程中的殘存量，這與現場測試過程及解吸時間的長短、煤樣的塊度大小等因素有關，此殘存量僅為測定過程中某一特定階段煤樣的殘留瓦斯量，其大小不會影響到瓦斯含量測定的最終結果。

2.殘存瓦斯含量的測定與計算方法

2. 1礦井瓦斯涌出量預測時運出礦井后煤中殘存瓦斯含量的測定與計算

此處所指煤的殘存瓦斯含量大小，與煤在井下的暴露時間有關。在測定殘存瓦斯含量時，煤的暴露時間應取正常生產過程的平均值。我國大部分礦井均能在2h左右將煤炭運至地表;采落煤炭在其暴露最初階段瓦斯解吸速度極大，一般經過60~120 min后趨于穩定。實測的煤炭殘存瓦斯含量除受粒度影響較大外，主要是隨煤的變質程度的增高而增大。通過與實驗室煤樣瓦斯吸附資料的對比，經2h暴露后煤樣的殘存瓦斯含量基本上近似于其在一個大氣壓下的吸附量，并據此給出煤的殘存瓦斯含量取值范圍。

與中煤科工集團重慶研究院有限公司的大量常壓吸附資料(見圖1)相對比，表1中的取值范圍除揮發分在35%~50%的低變質煤樣常壓吸附量稍高外，其他應該還是比較合理的。

圖2煤的常壓吸附量與揮發分的關系

表1不同變質程度煤瓦斯殘存量的取值范圍

2. 2鄰近層的殘存瓦斯量計算

《礦井瓦斯涌出量預測方法》提出:“鄰近層煤層殘存瓦斯含量如無實測值可參照開采層選取”。但鄰近煤層“暴露”時間要遠遠超過2h，可能達到幾年或幾個月，環境壓力也會低于大氣壓力(常壓)。按照波蘭學者的研究，鄰近煤層的殘存瓦斯含量應該是接近于完全釋放(為0)更為合理。

2. 3煤層瓦斯含量測定過程中的殘存量測定

測定煤樣在井下解吸瓦斯后，再在地面對粉碎前、粉碎后的殘存量或解吸量進行測定。在常壓解吸裝置內測定的僅為殘存的可解吸瓦斯，而在真空脫氣裝置內測定的殘存量則包含了常壓下的瓦斯吸附量，這部分殘存量與解吸量、損失量之和則為煤層的瓦斯含量

3瓦斯殘存量計算與應用中存在的問題

1)關于殘存量的計算方法。在《礦井瓦斯涌出量預測方法》中，確定煤層殘存瓦斯含量班時，對干燥無灰基煤的瓦斯含量小于10 m3 /t的高變質煤的WC按式(1)計算:

(1)

式中:為煤層殘存瓦斯含量，m3/t;為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

2)煤層瓦斯含量低于“殘存量取值范圍”的情況如何確定殘存量。由于種種原因，會出現許多煤層瓦斯含量低于表1中“殘存量取值范圍”的情況。此時進行礦井瓦斯涌出量預測計算時，有的采用實測的煤層瓦斯吸附常數計算常壓下的殘存瓦斯量，有的則采用式(1)計算殘存量。后者如布爾臺煤礦煤層干燥無灰基瓦斯含量為0. 25~0. 47 m; /t，預測的礦井相對瓦斯涌出量為0. 536 m3/t，絕對瓦斯涌出量為25. 1 m3 /min。2010-2012年實際鑒定結果:礦井相對瓦斯涌出量為0. 71 ~ 0. 88 m3 /t，絕對瓦斯涌出量為20. 51~ 23. 99 m3 /min。瓦斯涌出量的預測結果與實測的資料十分接近。由于按式(1)計算的殘存量值很小，因此，這種情況下與按殘存量接近為零計算會有相同的結果，也比較符合煤礦實際條件。

4結語

煤層(煤)的殘存瓦斯含量定義目前尚存在不統一、不規范的地方。隨著礦井煤炭的開采與瓦斯的抽采，煤層殘存瓦斯含量將是一個動態的概念，應該按照實際的條件將煤的殘存瓦斯量分為不同的類型，對不同階段煤層的殘存瓦斯含量應分別給予準確的定義及描述，才能滿足測定、計算與應用的需要。筆者提出將煤的殘存瓦斯量分為殘留瓦斯含量與殘存瓦斯含量兩個基本類型，以便區別和應用。

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