黄泥岗煤矿薄煤层瓦斯抽采技术研究.pdf

C Ia s s i f ie d I n d e x T D 7 1 2 U ．D ．C 6 2 2 S o u t h w e s tU niv e r sit y o fS cie n c ea n dT e c h n oIo g y M a s t e rD e g r e eT h e siS R e s e a r c ho nT e c h n oIo g yo fG a sD r ai n a g e o fT hinC o aIS e a m inH u a n gNig a n gMin e G r a d e C a n d i d a t e A c a d e m ；CD e g r e eA p p Ii e df o r S p e c i a Ii t y S u p e r v is o t 2 0 ” H u h u aL iu M a s t e r S a f e t yT e c h n o I o g ya n dE n g in e e rn g P r o f ．W e i g u a n gL i 胛吵2 0 t2 0 1 4 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名} I 芦彳 日期≯7 中务乡目 7 回 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 一务J 矸 签名伊I 顶玉矸 导师签名 日期劢／汐务多用力7 讶 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 矿井瓦斯严重影响着煤矿安全生产，制约着我国煤炭行业的发展；同时， 矿井瓦斯又是一种洁净、高效的能源。解决矿井瓦斯问题，除了加强矿井通 风外，另一个重要的解决手段就是实现瓦斯抽采。所以，矿井瓦斯抽采既能 消除瓦斯事故隐患，保障煤矿安全生产，又能提供大量的清洁能源。 本文在综述国内外瓦斯抽采现状的基础上，以黄泥岗煤矿1 4 0 2 走向采煤 工作面和3 2 1 2 倾向采煤工作面为试验对象，针对煤层薄、瓦斯含量高、透气 性差、地质条件差的特点，运用岩层移动理论，研究了采煤工作面采空区大 流量、高浓度卸压瓦斯的运移路径和富集区域根据矿井特点，选择了项板 高位钻孔瓦斯抽采方法作为主要矿井瓦斯抽采方法，并确定了合理的钻孔参 数；通过试验找出了最佳抽采参数范围，验证了参数的合理性；提高了采煤 工作面瓦斯抽采率，消除了采煤工作面瓦斯积聚现象，实现了瓦斯能源的安 全、高效、绿色开采。 关键词薄煤层卸压瓦斯；项板高位钻孔抽采参数 A b s t r a c t M i n eg a si sak i n do fd a n g e r o u ss u b s t a n c ei nc o a l m i n et h a tm a va f f e c t st h e s a f e t yp r o d u c t i o no ft h ec o a l s ，t h r e a t e n st h el i f es a f e t yo ft h ec o a lm i n e r s ，a n d r e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fc o a Ii n d u s t r yj no u rc o u n t r y ． A st h e c o a lm i n eg a sh a z a r d s ，i ta f f e c t st h es a f ep r o d u c t i o no fc o a l m i n e ， t h r e a t e n st h el i f es a f e t yo ft h ec o a lm i n e r s ，a n dr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fc o a I i n d u s t r yi no u rc o u n t r y ；A tt h es a m et i m e ，t h eg a si sac l e a na n de f f i c i e n te n e r g y ， t h e r e f o r e ，c a r r i e so nt h em i n eg a se x t r a c t i o nc a nn o to n l ye l i m i n a t et h e g a s a c c i d e n tp o t e n t i a ld a n g e ra n de n s u r et h es a f e t yo fc o a lm i n ep r o d u c t i o n ，b u ta l s o c a np r o v i d eal o to fc l e a ne n e r g y ． B a s e do nt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h eg a se x t r a c t i o na th o m ea n da b r o a d ．t h i s p a p e rt a k e st h eH u a n gL iG a n gc o a l m i n e14 0 2 c o a l f a c ea n d3 212c o a l f a c ea st h e t e s to b j e c t s ． A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et h i nc o a ls e a m ，t h eh i g hg a sc o n t e n t ， a n dt h ep o o rg a sp e r m e a b i l i t ya n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h em i g r a t i o np a t h sa n d a b u n d a n tr e g i o no fp r e s s u r e r e l i e v e dg a so fl a r g e - f l o wa n dh i g h ．c o n c e n t r a t i o ni n g o bw a ss t u d i e db ym e a n so fs t r a t ad i s p l a c e m e n tt h e o r ya sw e l la sg a sm o v e m e n t r e g u l a r i t yo fg o b ， A c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m i n e ，r o o f - c r o s s i n gb o r e h o l e d r a i n a g em e t h o di sc h o s e na st h em a i ng a sd r a i n a g em e t h o d s ，g a sd r a i n a g e p a r a m e t e r sw a sd e s i g n e d ，a n dh a sb e e n s u c c e s s f u l l yt e s t e d ．G a sd r a i n a g e e f f i c i e n c yh a s b e e ni m p r o v e d ，a n dt h e p h e n o m e n o no fg a s ．o v e r ．1 i mi t w a s e l i m i n a t e d ，R o o f - c r o s s i n gb o r e h o l ed r a i n a g em e t h o di ss u i t a b l ei nH u a n gL i G a n gc o a l m i n e ．I tm a k e st h eg a sm i n i n gs a f e ，h i g he f f i c i e n c y , a n dg r e e n ． K e y W o r d s t h i nc o a ls e a m ；g a sd r a i n a g e m e t h o d ；p r e s s u r e r e l i e v e dg a s ； d r a i n a g ep a r a m e t e r s 西南科技大学硕士研究生学位论文第l Il 页 目录 1 绪论⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题依据．．⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．2 ．1 研究背景．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．1 ．2研究意义⋯．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．⋯2 1 ．2 国内外研究综述．．⋯⋯⋯．．．。⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯⋯．．．3 1 ．2 ．1煤层瓦斯流动理论研究现状．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．3 1 。2 ．2瓦斯抽采技术研究现状。．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．．．．5 1 ．2 ．3 瓦斯抽采情况现状．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．8 1 ．2 ．4瓦斯抽采技术的发展趋势．⋯．．．．，．．⋯，．．．．．．⋯．．．9 1 ．3 课题研究主要内容和方案．．．．．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．．⋯．．．．9 1 ．3 ．1 研究目标⋯．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．⋯⋯．．．．．⋯．．．．9 1 ．3 ．2主要研究内容．．．．⋯．．⋯．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．9 1 ．3 ．3研究方案⋯．．．⋯⋯．．．．．．⋯．，．⋯⋯．．⋯．⋯．．9 1 ．3 ．4 创新之处⋯．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．．⋯．．．11 2 矿井瓦斯运移规律⋯⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．⋯，．．．．⋯⋯1 2 2 ．1 矿井瓦斯赋存．⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．⋯．．1 2 2 。1 ．1矿井瓦斯性质及其成因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 ．1 ．2 矿井瓦斯的赋存状态⋯．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．．⋯．．1 2 2 ．2 煤层瓦斯基础参数⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．1煤层瓦斯压力．．⋯．．⋯．．．．⋯⋯．．．⋯⋯．．．⋯．1 3 2 ．2 ．2 煤层瓦斯含量，．⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯⋯．．．．⋯1 4 2 ．2 ．3 煤层透气性系数．．．．．⋯．．．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 采空区卸压瓦斯运移规律．．．⋯⋯．．．⋯，．．．．⋯⋯．．．．．．1 6 2 ．3 ．1采动裂隙的竖向分带⋯⋯．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．1 7 2 ．3 ．2沿采面推进方向的采动影响分区⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．1 8 2 ．3 ．3“0 ”形圈理论⋯．．，．⋯．．．．．．⋯．⋯．⋯⋯．．．．．1 8 2 ．4 本章小结．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．2 0 3 矿井瓦斯抽采试验条件．．⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．2 l 3 ．1 矿井概况．．．．．．．．．⋯⋯．．．⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯．．。⋯．2 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第lV 页 3 ．1 ．1 煤层特征⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．2 1 3 ．1 ．2 开拓与开采．．．．．⋯．．．．．⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．．．2 2 3 ．1 ．3 通风与瓦斯．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．，．．⋯．．．．．⋯．．．．2 3 3 ．1 ．4瓦斯抽采系统．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．2 3 3 ．2 煤层瓦斯基本参数测定．．⋯．．．．．．．．．．．．，．⋯．．．．．⋯．．．．2 3 3 ．2 ．1煤层瓦斯压力测定．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．⋯⋯2 3 3 ．2 ．2煤样工业分析及相关参数的试验室测定⋯．．．．．．．．．．．2 6 3 ．2 ．3 煤层瓦斯含量．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．2 8 3 ．2 ．4 煤层透气性系数．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．2 8 3 ．3 本章小结．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．3 1 4 黄泥岗煤矿瓦斯抽采设计．．．．．．⋯⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．⋯．3 2 4 ．1 矿井瓦斯抽采方法⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．3 2 4 ．1 ．1煤巷掘进工作面原始煤体排放瓦斯．．．．．⋯．．．．．．⋯．3 2 4 ．1 ．2采煤工作面顺层钻孔预抽原始煤体瓦斯．⋯⋯．．．．⋯3 3 4 ．1 ．3采空区高位钻孔抽采卸压瓦斯．⋯．．．．．．．．⋯⋯．⋯3 4 4 ．2 顶板高位钻孔瓦斯抽采设计．．．．⋯．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．⋯3 5 4 ．2 ．1顶板高位钻孔抽采方法钻孔参数设计．．．．⋯．．．．．．⋯3 5 4 ．2 ．2项板高位钻孔抽采卸压瓦斯．．．．⋯．．⋯⋯⋯．．．．．．3 9 4 ．2 ．3项板高位钻孔抽采方法抽采参数设计．⋯⋯⋯．．．．．．4 3 4 ．3 本章小结⋯．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．⋯4 4 5 顶板高位钻孔瓦斯抽采试验及分析⋯⋯．．．．．⋯⋯．．⋯．．．．．．．．4 5 5 ．1 顶板高位钻孔瓦斯抽采试验．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．4 5 5 ．2 钻孔高度与钻场间距的确定．．⋯⋯．．．．．⋯．．，．⋯⋯．．．．4 5 5 ．31 4 0 2 走向采煤工作面瓦斯抽采试验分析．．⋯．．．．．⋯⋯．．．．4 5 5 ．3 ．1钻场距采煤工作面距离与抽采效果的关系．．．⋯．．．．．．4 9 5 ．3 ．2终孔点距回风巷距离与抽采效果的关系．．．．．．⋯．．．．．5 0 5 ．43 2 12 倾向采煤工作面瓦斯抽采试验分析．．．⋯．．．．⋯⋯⋯．5 0 5 ．4 ．1钻场距采煤工作面距离与抽采效果的关系．．．．⋯．．．．．5 3 5 ．4 ．2终孔点距回风巷距离与抽采效果的关系．．．．．．⋯．．．．．5 4 5 ．5 顶板高位钻孔瓦斯抽采效果分析⋯．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．5 5 5 ．6 本章小结．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．5 6 西南科技大学硕士研究生学位论文第V 页 结论．．．．．．⋯．．．．．⋯．．⋯．．．⋯．．．．⋯⋯⋯．．． 致谢⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．． 参考文献．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．⋯．．．．． 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果．．．．．⋯．．．． 卯 的 印 瞒 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 ．1选题依据 1 ．2 ．1 研究背景 社会经济快速发展离不开能源，我国的资源赋存情况决定了煤炭是我国 的主要能源⋯。为了保证国民经济的发展，必须继续发展煤炭工业。但是， 由于我国煤矿的地质条件比较复杂，煤矿伤亡事故时有发生1 2 - 3 ] 。我国煤矿在 2 0 0 2 ．2 0 1 1 年间发生的各类事故统计如表卜l 。 表1 - 1 2 0 0 2 - 2 0 11 年我国煤矿各类事故统计结果 T a b l e l - 1T h es t a r is t ic so fm in eg a sa n da IIk in d so fa c c i d e n ti no u rc o u n t r y f r o m 2 0 0 2t o2 0 1 1 由上表可看出，近年来我国煤矿事故逐年减少，衡量煤矿安全状况的百 万吨死亡率也逐年下降，但煤矿事故起数和伤亡人数仍然较大，瓦斯爆炸事 故是其中发生最频繁、后果最严重的事故之一。瓦斯作为煤矿安全生产过程 中的事故隐患，一直影响着煤矿生产安全，威胁着煤矿工人的生命安全，阻 碍着我国煤炭行业的发展⋯。我国煤矿在2 0 0 l 一2 0 1 0 年间发生的特大事故统计 如表l - 2 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 表1 - 22 0 0 1 2 0 1 0 年我国煤矿特大事故统计表 T a b le 1 - 2S t a r is t i C So ft h es e r io u c o a l m in ea c c id e n tfr o m2 0 0 1t o2 0 1 0 1 ．1 ．2 研究意义 矿井瓦斯是与煤炭伴生并赋存在煤层当中的气体，主要成分是甲烷。瓦 斯能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸，是我国煤矿生产矿井中对安 全威胁最大的因素。同时，瓦斯又是一种洁净的能源，l m 3 瓦斯的热值相当 于1 ．1 3 L 标准油。我国己探明的瓦斯储量1 0 2 3 亿i n 3 ，煤层瓦斯含量相当丰 富，将这些瓦斯资源抽采出来，将会为我国提供大量的清洁能源p - 9 ] 。 矿井瓦斯抽采的意义在于首先，通过瓦斯抽采有效地降低了煤层瓦斯 含量以及瓦斯涌出量，从而起到防治瓦斯事故的作用。其次，通过有效的瓦 斯抽采，采煤工作面瓦斯浓度超限的问题可以得到解决，煤矿生产过程更加 安全，矿井的通风成本费用也得以降低。再次，瓦斯自然排放会造成温室效 应，瓦斯抽采还可减少瓦斯排放、保护生态环境。最后，抽采出来的瓦斯可 以进行合理利用 如瓦斯发电等 ，从而获得一定的社会和经济效益。 在不同的地质条件和煤层赋存条件下，选择不同的瓦斯抽采方法和参数， 抽采效果会有很大的差别。四川I 煤田主要处于上二、上三叠统2 个含煤时代， 具有煤层赋存条件差，地质条件复杂等特点，约7 0 ％的矿井煤层厚度小于 1 ．3 m ，其中又有约3 6 ％的矿井厚度在0 ．8 m 以下【”_ 1 1 】。 黄泥岗煤矿主要含煤地层为上三叠统须家河组极薄煤层，是典型的高瓦 斯低透气性矿井，瓦斯事故危险性高。为了消除工作面瓦斯超限问题，消除 发生瓦斯事故的危险性，黄泥岗煤矿采用卸压瓦斯抽采。同时，黄泥岗煤矿 通过建立瓦斯发电站，利用抽采出的瓦斯资源创造了企业利益和社会价值。 本文在结合黄泥岗煤矿实际情况的基础上，利用相关知识研究该试验矿 井卸压瓦斯运移规律，制定了适用于黄泥岗煤矿的瓦斯抽采技术方案，解决 了黄泥岗煤矿瓦斯超限问题；通过瓦斯抽采试验，找出适用于黄泥岗煤矿瓦 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 斯抽采的钻孔参数。 1 ．2 国内外研究综述 1 ．2 ．1煤层瓦斯流动理论研究现状 煤层瓦斯相关理论是抽采技术发展的基础，主要理论可以分为扩散理论、 渗流理论、扩散一渗流理论、瓦斯越流的流固耦合理论以及多相煤岩体瓦斯 流动耦合规律等方面【1 2 】。 1 煤层瓦斯扩散理论 处于煤体的微小孔隙中的瓦斯主要做扩散运动由于瓦斯在煤体内的分 布不均匀，所以煤体内不同位置的瓦斯具有浓度差，高浓度的瓦斯就会向低 浓度处移动；在垂直于扩散方向的截面处的瓦斯浓度差越大，单位时间内通 过截面的瓦斯流量也越大，这就是菲克定律 F i c k ’Sl a w ∞】。 2 0 0 0 年，聂百胜、何学秋、王恩元等结合煤体的多孔结构特点和气体在 多孔介质中的流动状态，分析了煤体孔隙内瓦斯的运移，总结出了瓦斯在煤 体内的扩教模式及其影响因素和适用条件【1 4 1 ，使得瓦斯扩散理论能够在实际 生产中得到利用。随后，郭勇义、吴世跃、聂百胜等通过大量试验总结出了 瓦斯在煤粒中扩散的参数，建立了能够在更广泛的生产矿井中应用的瓦斯扩 散方程，对煤与瓦斯突出的预测指标进行了修正和完善，使得瓦斯扩散理论 在实际生产中得到更广泛的利用1 1 5 1 。 2 煤层瓦斯线性渗流理论 1 8 5 6 年，法国的达西 D a r c y 首先提出线性渗流规律，奠定了线性渗 流理论的基础。1 9 4 7 年，前苏联E M ．克里切夫斯基在分析煤、岩层内瓦斯的 移动规律时第一个引用了线性渗透理论[ 1 6 】。 1 9 6 5 年，周世宁院士在结合D a r e y 定律的基础上，创建了我国瓦斯流动 的基础理论，即对煤层有强吸附作用的瓦斯流动微分方程1 17 1 。1 9 8 4 年，郭勇 义和周世宁应用相似模拟理论推算出了一维流场瓦斯渗流方程的完全解1 1 8 1 ， 推进了瓦斯流动方程的工程应用。1 9 8 6 年，余楚新、鲜学福以及谭学术等， 通过研究分析矿山压力对煤体渗透参数的影响，总结出了煤层瓦斯渗流基本 控制方程，通过有限元分析得出了单元特征式【1 9 1 。1 9 8 7 年，孙培德通过大量 实践和试验，总结出了瓦斯在煤层内流动的偏微分方程式【2 0 。- 1 。近年来，丁 晓良和俞善炳等通过研究瓦斯渗流对煤体的作用，总结出了煤体破坏及扩展 的特征，为实际生产中瓦斯事故的防治提供了理论依据【2 2 I 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 3 煤层瓦斯非线性渗流理论研究 相对于复杂的煤炭地质环境，线性瓦斯渗流理论有一定局限性在瓦斯 压力梯度较大时，非线性渗流理论能更准确的描述瓦斯的流动状态【2 3 1 。1 9 8 7 年，孙培德建立了瓦斯在煤层内流动的非线性模型，并在实际生产矿井进行 测量验证，得到了煤层瓦斯流动的非线性定律出幂定律【“。1 9 9 1 年，罗 新荣在运用达西定律时应用克林伯格 L a n d e n b e r g 效应进行了修正，通过大量 的实际生产矿井试验，总结出了非线性渗流规律1 25 1 。 4 煤层瓦斯扩散一渗流理论研究 随着对煤体瓦斯运移理论的研究和相应工程实践的发展，研究人员开始 意识到，渗流和扩散共同作用于煤层瓦斯。1 9 8 7 年，法国的A ．S a g h f i 和澳大 利亚的R ．J ．W i l l i a m 等分别从渗流力学和扩散力学两个角度出发，研究发现了 渗透一扩散的流动方程，并以煤层透气系数为变量进行了模拟，取得了良好 的效果1 2 6 ] 。 1 9 9 0 年，周世宁院士通过计算机模拟，建立了煤层瓦斯运移的渗流一扩 散模型，证明了用达西定律来计算瓦斯的流动是可行的1 2 7 l 。随后，孙培德在 大量的工程实践基础上，提出瓦斯在煤体中的运移是非稳定混合运动m l 。吴 世跃则在借鉴石油天然气的渗流理论基础上，建立起了瓦斯扩散．渗流的数学 模型[ 2 9 1 。1 9 9 9 年，周世宁和林伯泉全面分析了我国的瓦斯渗流一扩散理论， 并建立了系统完善的瓦斯渗流一扩散理论体系m I 。 5 物理场效应的瓦斯流动理论 1 9 7 5 年，W ．H ．S o m e r t o n 进行了煤的渗透性变化规律试验，试验结果表明 煤层渗透性随着应力的增加而减小，应力影响效果很明显1 3 U 。A ．B o r i s e n k o 教 授通过研究发现，在煤体孔隙气压作用下，可以利用煤的孔隙率计算煤体瓦 斯的有效应力1 1 2 ] 。S ．H a r p a l a n i 等通过大量的试验，总结出了煤的瓦斯渗透性 在有荷载时的变化规律，从而得出了瓦斯与煤体之间的固气力学效应1 3 3 1 。 A ．E v e n e r 教授通过在澳大利亚含瓦斯煤层的大量试验研究，总结出了地应力 与煤层渗透率之间变化规律[ 3 4 1 。 从2 0 世纪8 0 年代开始，王宏图、杜云贵以及鲜学福等通过大量试验研 究煤层瓦斯渗流特性的影响因素，发现了煤层瓦斯渗透率k o ，T ，E 在不 同地应力场、地温场以及地电场下的变化规律。同时，以交变电流场为变量， 进行试验研究了其与煤层渗透率的关系，并发现了体积与渗透率在交变电流 场中的相关变化规律【3 5 】。其后，李树刚、钱鸣高和徐精彩等通过大量系统试 验，找出了软岩煤样渗透性受到体积应变、轴应变以及主应力差的影响规律 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 ∞l 。梁冰、刘建军等通过对不同温度场中瓦斯压力和煤岩应力之间的相关关 系进行试验研究，发现了在非等温条件下煤与瓦斯耦合作用的模型1 3 7 1 。 6 瓦斯越流的流固耦合理论 煤层开采后，采空区顶板冒落，邻近层瓦斯压力也减小，卸压瓦斯向压 力更小处流动。梁冰、章梦涛等利用计算机设计了有限元程序，并利用计算 机模拟了采空区瓦斯渗流模型，据此发现了瓦斯渗流受到煤层开采后的变化 规律【3 8 】。此后，孙培德等通过对瓦斯越流在煤层群条件下的流动规律研究， 设计了煤岩体变形和瓦斯越流在煤层群条件下的模型，可以应用于实际生产 过程中瓦斯涌出量的预测和防治1 3 9 1 。同一时期，梁运陪通过大量试验分析， 找出了邻近层瓦斯压力随时间和越流速度的变化规律，得出了瓦斯越流规律 【40 1 。 7 多相煤岩体瓦斯流动耦合规律 赵阳升、胡耀青等通过大量试验，设计出了合理的裂缝渗流实验室模拟 模型，通过对模型进行试验发现了瓦斯在沿裂缝的渗流过程中流体饱和度与 流体渗透系数之间的关系【一”。同一时期，孙可明、梁冰等通过大量试验研究 瓦斯从解吸到扩散的过程，总结设计了多相流体流固耦合渗流模型，并应用 于实际生产矿井，取得了较好的效果1 4 2 】。其后，刘建军结合传热学和岩石力 学等学科知识，通过对瓦斯解吸热效应的研究，发现了瓦斯热一流一固耦合 模型1 4 3 1 。在上述研究结论基础上，赵洪宝等通过在突出矿井进行的试验，找 到了煤岩体瓦斯的应力一流速关系f 4 1 。 1 ．2 ．2瓦斯抽采技术研究现状 早在1 6 3 7 年，明代宋应星就描述了瓦斯涌出现象和瓦斯抽采的工艺。 1 7 3 3 年，英国煤矿企业率先尝试了矿井瓦斯的回收和管道输送；在此之后， 英国、原苏联、日本和德国等都先后尝试了煤层瓦斯抽采，大量的试验推动 了瓦斯抽采技术的快速发展1 4 s ．5 0 】。总的来说，在瓦斯抽采试验中，各国以本 国的煤炭地质和赋存状况为基础，进行了不同的瓦斯抽采试验，研究和总结 出大量的瓦斯抽采方法[ 5 1 】。 我国矿井瓦斯抽采技术可以划分为4 个时期1 5 2 1 1 井下钻孔预抽煤层瓦斯从上世纪5 0 年代开始，井下钻孔预抽煤 层瓦斯技术在我国煤层透气性高、煤层厚度大的矿井中得到使用。 2 高位钻孔抽采卸压瓦斯在上世纪5 0 年代中期，发现了煤层瓦斯 在采动卸压后，在井下试验高位钻孔，对邻近层瓦斯进行抽采。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 3 低透气性煤层强化抽采瓦斯到上世纪6 0 年代，由于有些矿井需 要首先开采透气性差且瓦斯含量较高或有突出危险的煤层，但由于煤层渗透 率低，瓦斯预抽效果不理想。所以采用了很多提高瓦斯渗透率的方法，其中 常用的强化抽采措施有松动爆破、水力压裂、网格式密集钻孔等。 4 综合抽采瓦斯到了上世纪8 0 年代，机械化水平和煤炭开采技术 发展到了较高程度，进行瓦斯问题出现新的状况。为了解决新的问题，需要 对工作面瓦斯进行分源治理，即根据工作面具体情况，在煤层开采过程中可 以同时采用多种瓦斯抽采技术。 由于不同地区煤层瓦斯的赋存条件和矿井开拓方式等方面的不同，我国 矿井瓦斯抽采在实验研究和工程实践中产生了多种不同的技术，但是具体的 分类方法却没有形成统一。1 9 9 2 年，俞启香教授根据瓦斯抽采的区域不同， 将瓦斯抽采方法分为开采层抽采、邻近层抽采、采空区和围岩抽采【5 3 】。2 0 0 5 年，于不凡教综合考虑我国瓦斯抽采技术现状，将瓦斯抽采方法分为未卸 压煤层和围岩抽采、卸压煤层和围岩抽采、采空区抽采和综合抽采[ 5 4 1 。2 0 0 9 年，程远平教授、付建华教授、俞启香教授等为了适应矿井瓦斯抽采基本 指标矿井瓦斯抽采的考核要求，依据煤层的开采时间以及煤层开采的空间 关系，将矿井瓦斯抽采方法进行了更为系统的分类首先，从时间上将瓦斯 抽采分为采前抽采、边抽边采和采后抽采；然后，从空间上将采前抽采分为 本煤层抽采和邻近层抽采，边抽边采分为回采工作面抽采和掘进工作面抽采， 采后抽采主要指采空区抽采1 5 5 l 。现在常用的分类方法如表1 ．3 所示。 由于我国许多矿井都具有煤层透气性低的特点，所以我国煤矿瓦斯抽采 方法主要是卸压瓦斯抽采方法。主要包括邻近层穿层钻孔卸压抽采、邻近层 抽采巷道密闭抽采、顶板高位钻孔抽采、底板穿层钻孔抽采和采空区埋管抽 采等。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 工作面 分类方法简述抽采率使用条件 岩巷揭 1 、由岩巷向煤层打穿层钻孔抽采3 0 ～4 5 煤与煤有突出危险煤 开 采 层 瓦 斯 抽 采 巷掘进 2 、由巷道工作面打超前钻孔抽采2 5 ～4 0 层 抽采 采区 工 作面】大 面积抽 采 边掘边 抽 边采边 抽 水力割 裂 松动爆 破 水力压 裂 控制爆 破 篙雾嚣留 采 逝层 全封闭 采空区抽采 瓦誓抽 半封闭 采 。藉某” 璧豢要 墓喜嚣 斯抽采 ”磊⋯ 1 、由开采层工作面运输巷、回风巷、煤 门打上下向顺层钻孔抽采或打交叉钻孔 抽采 2 、由岩巷、石门、邻近层打穿层钻孔抽 采，突出煤层瓦斯预抽可采用网格布孔 3 、地面钻孔抽采 4 、密闭开采层巷道抽采 由巷道两侧或沿巷道向掘进巷道周围打 钻孔抽采 l 、由工作面运输巷、回风巷向工作面前 方卸压区打钻孔抽采 2 ．由岩巷、煤门向开采层上部或下部未 采的分层打穿层或顺层孔抽采 1 、由工作面运输巷大顺层钻孔水力割煤 2 、由工作面顺槽打顺层钻孔进行松动爆 破 3 、由岩巷或地面打钻孔进行水力压裂 由工作面顺槽打顺层钻孔，控制孔不装 药，爆破孔装药进行爆破 1 、由工作面顺槽或岩巷向邻近层打钻孔 抽采 2 、由工作面顺槽打交叉迎面钻孔抽采 3 、由煤门打顺层钻孔抽采 4 、在邻近层掘进专用瓦斯巷道抽采 5 、地面钻孔抽采 密闭采空区插管抽采 l 、由现采空区后方设密闭墙插管抽采 2 、由采空区附近巷道向采空区上方打钻 孔抽采 1 、由巷道向裂隙带或溶洞打钻孔抽采 2 、密闭巷道抽采 3 0 ～4 5 3 0 ～4 5 1 0 1 0 3 0 ～4 5 3 0 ～4 5 2 0 ～3 0 2 0 ～3 0 2 0 ～3 0 3 0 3 0 3 0 ～6 0 O ～ 0 ～ 0 ～ 0 ～ 1 5 3 0 3 0 有突出危险的 煤层 瓦斯涌出量大 的掘进巷道 煤层透气性较 小，预抽时问 不充分的煤层 多使用于低透 气性煤层预抽 瓦斯来源于邻 近层的工作面 瓦斯涌出量大 的老采空区 采空区瓦斯涌 出量大的回采 工作而 有围岩瓦斯涌 出或喷出危险 区域 未卸压抽采 采动卸压抽采 卸压抽采 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 1 ．2 ．3瓦斯抽采情况现状 1 国外瓦斯抽采情况统计 随着科技的发展，瓦斯抽采技术也在不断进步，提高了可抽矿井的瓦斯 抽采量，许多原先不可抽采的矿井也变得可以进行瓦斯抽采。早在二十世纪 5 0 年代，瓦斯抽采技术首先在欧洲的英国、比利时等国家得到广泛应用。二 十世纪6 0 年代到9 0 年代，瓦斯抽采技术进入了一个高速发展和应用的时期， 矿井瓦斯总抽采量也迅速提高，在1 9 5 1 年世界瓦斯抽采量越位l 亿m 3 ，而 1 9 8 7 年，总量超过了5 0 亿m 3 。单个矿井的抽采量也由约2 0 0 万m 3 增加到 超过5 7 0 万m 3 。瓦斯矿井可以进行抽采的数目更是从6 0 多个增加到6 0 0 多 个，矿井数目提升近1 0 倍。到了2 1 世纪的今天，全世界已有超过1 7 个国家 和地区应用了瓦斯抽采技术，而进行瓦斯抽采相关研究工作的国家数量则越 来越多。在世界范围内，在矿井瓦斯灾害的预防工作中瓦斯抽采正变得越来 越重要1 5 6 l 。 2 国内瓦斯抽采利用情况统计 瓦斯抽采工作在我国也有多年应用，并得到了一定的发展。统计表明 我国矿井瓦斯抽采量在2 0 0 5 年达到2 0 亿m 3 ，到2 0 0 6 年超过3 0 亿m 3 ，到 2 0 0 9 年再翻一番，达到6 0 亿m 3 ，在2 0 1 1 年时正式突破了1 0 0 亿m 3 ，达到 1 15 亿m 3 。对我国在2 0 0 5 2 0 1 1 年的瓦斯抽采利用情况进行统计，如表卜4 。 由表可以看出，我国的瓦斯抽采量逐年大幅增长，瓦斯利用量也逐步提高， 瓦斯抽采正在高速发展。 表1 - 42 0 0 5 - 2 0 1 1 年我国瓦斯抽采利用情况统计表 T a b Ie l 一4 T h es t a t is t i C So fg a sd r a i n a g e ’su t i iz a t i O RnO U t “ c o u n t r yf t o m 2 0 0 5t o2 0 11 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 1 ．2 ．4瓦斯抽采技术的发展趋势 在瓦斯抽采的过程中，为了能够达到最大限度的抽出瓦斯的目的，高瓦 斯矿井大都同时设计和旌工多种瓦斯抽采技术同时抽采生产矿井瓦斯，并在 生产实践中不断地改善抽采技术工艺，改进生产设备和完善安全管理体系。 瓦斯抽采的效果由煤层的渗透性和裂隙发育程度决定，卸压瓦斯抽采技 术较易达到更好的抽采效果，所以说卸压瓦斯抽采技术体现了瓦斯抽采的发 展方向。 1 ．3 课题研究主要内容和方案 1 ．3 ．1研究目标 通过对现有研究成果的学习和利用，分析了黄泥岗煤矿回采工作面及采 空区瓦斯分布和运移规律，确定了合理的瓦斯抽采方法和钻孔参数进行了 瓦斯抽采试验，通过对测试数据的分析，找出了最适合黄泥岗煤矿的瓦斯抽 采方法和钻孔参数，降低了黄泥岗煤矿采煤工作面瓦斯涌出量，同时增加了 黄泥岗煤矿瓦斯抽采量，提高了矿井瓦斯利用率。 1 ．3 ．2 主要研究内容 1 黄泥岗煤矿采空区瓦斯分布和运移规律 通过学习并运用相关理论，结合凤凰煤业提供的地质资料、过往记录和 黄泥岗煤矿实测数据，分析确定黄泥岗煤矿采空区卸压瓦斯分布和运移规律。 2 选择适合黄泥岗煤矿的瓦斯抽采方法 依据瓦斯抽采方法选择的原则，结合黄泥岗煤矿瓦斯条件和生产工艺， 选择项板高位钻孔抽采作为黄泥岗煤矿合适的抽采方法。 3 黄泥岗煤矿瓦斯抽采钻孔参数设计 在黄泥岗煤矿采煤工作面采用不同钻孔参数进行试验，根据试验数据分 析确定黄泥岗煤矿合理的瓦斯抽采钻孔参数。 1 ．3 ．3研究方案 以阅读和学习国内外瓦斯抽采理论基础和实践技术方面的学术论文、硕 博士学位论文及相关著作为基础从矿井的实际情况出发，通过资料阅读和 现场考察深入了解了该矿井的地质构造、煤层条件、瓦斯赋存情况和瓦斯抽 采系统。采用基础理论分析、试验室测试、现场试验测量和基础数据搜集等 西南科技大学硕士研究生学位论文 第10