玉舍煤矿瓦斯赋存规律及抽放技术研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 玉舍煤矿瓦斯赋存规律及抽放技术研究 姓名迟恩波 申请学位级别硕士 专业安全工程 指导教师文虎；施文刚 2011 论文题目玉舍煤矿瓦斯赋存规律及抽放技术研究 专 业安全工程 硕 士 生迟恩波 （签名） 指导教师文 虎 教授 （签名） 施文刚 高工 （签名） 摘 要 该论文针对我国薄煤层瓦斯抽放的难题，以玉舍煤矿为研究对象，通过研究该矿的 瓦斯地质资料、煤层瓦斯涌出量等，分析了该矿采空区倾斜方向、走向方向以及法向方 向的三维瓦斯运移规律，掌握了该矿的瓦斯赋存规律；以采空区瓦斯赋存“O”圈理论 为基础，通过在采空区分别向工作面采空区施工 4 个不同角度的穿层钻孔，研究得到采 空区冒落带最大高度在 612m，裂隙带最大高度在 30m 左右；在此基础上建立了该矿 瓦斯涌出规律模型，能够较准确的该矿井的瓦斯涌出规律进行预测。 文章最后针对 NZ-702 工作面的瓦斯抽放系统的瓦斯赋存、运移及涌出规律进行研 究，通过对采用顺层钻孔抽放、穿层钻孔抽放以及穿层和顺层钻孔结合抽放等三种方法 进行比较，确定了该矿以综合抽放为主的瓦斯抽放系统，通过对抽放率、抽放量进行预 测，该方法能够满足该矿安全生产需要。 关 键 词瓦斯抽放；瓦斯运移规律；顺层；穿层抽放 研究类型应用研究 Subject Study of Yushe Coal Gas Deposit Law and Drainage Technology Specialty Safety Technology and Engineering Name CHI En-bo （（Signature）） InstructorWEN Hu （（Signature）） ABSTRACT The thesis is aimed at the problems of thin coal seam Gas Drainage, Yushe mine as the research object, by studying the mine gas geological data, coal seam gas emission, etc., analysis of the three-dimensional gas migration law of the mine gob tilt direction, haed direction and normal direction, master of the gas deposit law of the mine. Based on the gob gas deposit “O“ ring theory, by the gob respectively construct 4 different angles drilling hole to faces gob, the research obtained the maximum height of gob caving zone between the 6 12m, the maximum height of fractured zone is about 30m; On this basis, established the gas emission law model of the mine to be more accurate prediction of gas emission rules for the mine. Finally, the paper researches the gas occurrence, migration and emission law of the gas drainage system of the NZ-702 face, by comparing the three s of the bedding drainage, drainage crossing and wear layer combined with cis drainage holes, determined the mine based integrated gas drainage system, through the drainage rate, drainage volume forecast, this can meet the needs of mine safety. Key words Drainage Gas Migration Law Bedding and Clothing Drainage Thesis Applied Research 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 玉舍煤矿西井位于贵州省六盘水市水城县南部格目底向斜东段南西翼，井田范围东 起铜厂沟之F40断层，西至德格河，南（浅部）以1850m标高为界，北（深部）以煤层 底板等高线1450m标高为界， 东西长7.5km， 南北宽2.8km， 面积21.0km2。 根据矿井2004 年瓦斯鉴定基础资料，矿井瓦斯绝对涌出量为11.583m3/min，风巷掘进工作面为1.777 m3/min，切眼掘进工作面为6.377 m3/min，矿井二氧化碳涌出量为1.682 m3/min。矿井鉴 定为煤与瓦斯突出矿井, 矿井共发生了5次煤与瓦斯突出，且均发生在掘进K18煤层 1118W工作面机巷期间，突出情况见下表1.1。 表表 1.1 玉舍西井煤与瓦斯突出一览表 玉舍西井煤与瓦斯突出一览表 编号 1 2 3 4 5 合计 时间 2003.10.24 2003.12.2 2003.12.15 2003.12.29 2004.2.15 地点（m） 距石门 331.2 距石门 410.4 距石门 454 距石门 468 距中上山 184 突出 参数 煤量t 122.5 73.5 430 62.5 1423 2111.5 瓦斯m3 19157 9738 41223 6390 390000 466508 类型 压出 压出 突出 压出 突出 方位 迎头前方 迎头前方 9 钻场上方 迎头前方 迎头前方及 下方 突出前防突措施 巷帮预抽， 迎头未排 放，未预测 巷帮预抽， 迎头排放， 未检验 无 巷帮预抽， 迎头排放， 检验未超 巷帮预抽， 迎头排放， 检验未超 突出前作业方式 综掘 放炮 （连续） 放炮 （连续） 放炮 放炮 突出预兆 响煤炮 层理紊乱 煤松软 无 片帮、 煤软、 喷孔 构造情况 逆断层 正断层 不详 无 不详 动力效应 综掘机被抬 起并后退 无 无 无 抽放管折 断，溜槽吹 翻，瓦斯逆 流全井田 西安科技大学工程硕士学位论文 2 从表 1.1 中可看出，突出最大强度 1423t，最小强度 62.5t，平均 422.3t；突出涌出 瓦斯最大 39 万 m3，最小 0.6390 万 m3，平均 9.3302 万 m3。多数煤与瓦斯突出具有以下 特征突出前有预兆；突出前防突措施未到位；突出在放炮时发生；突出发生在迎头前 方和下方；突出以瓦斯为主要动力。 因此，针对玉舍煤矿进行多种抽采形式的研究，找到一个适合该矿的抽采方法对集 团公司有着十分重要的意义。 1.2 研究现状及发展趋势 煤层瓦斯抽放一般是指利用瓦斯泵或其他抽放设备，抽取煤层中高浓度的瓦斯，并 通过与巷道隔离的管网，把抽出的高浓度的瓦斯排至地面或矿井总回风巷中。目前，煤 矿瓦斯抽放不仅是降低矿井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措 施，而且抽出的瓦斯还可变害为利，作为煤炭的伴生资源加以开发利用。因此，从本世 纪50年代起，世界各主要产煤国对煤矿的瓦斯抽放甚为重视，使瓦斯抽放工作得到了较 快的发展，近年来，随着煤矿开采深度增大和开采强度的提高，矿井瓦斯涌出量增大， 抽放瓦斯已越来越成为高瓦斯煤层开采的一个必不可少的重要环节，并为煤矿瓦斯利用 提供了重要条件。 我国煤炭资源丰富，分布地域广阔，煤炭产量居世界首位，煤炭在我国国民经济建 设的地位中占一次性能源的比例约72以上。 但是， 在我国现有的煤炭资源赋存条件下， 含瓦斯煤层多，瓦斯储量大，致使高瓦斯矿井的煤炭企业在生产过程中经常发生瓦斯窒 息、瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故，国家一直把瓦斯治理作为安全工作的重点。煤矿防 治瓦斯的基本对策是搞好矿井通风，利用足够的风量冲淡井排出瓦斯。但是，对于高瓦 斯矿井和煤与瓦斯突出矿井，随着矿井规模的扩大，单纯依靠通风的方法来解决问题， 既不经济也不可行， 因而进行矿井瓦斯抽放有着重要的意义， 主要体现在以下几个方面 1减少瓦斯涌出，避免瓦斯燃烧或爆炸，保证矿井安全生产； 2预防煤与瓦斯突出，减少人员伤亡； 3利用瓦斯为工业生产和人民生活服务，变害为利，创造良好的社会效益和经济效 益； 4减少瓦斯对大气的污染，有利于生态环境的保护。 “先抽后采、以风定产、监测监控”的十二字方针是国家煤矿安全生产局制定的煤 矿瓦斯防治的十二字方针，可见，瓦斯抽放不仅是安全生产的需要，还是节省能源、保 护环境的迫切需要，煤层瓦斯抽放是治理矿井瓦斯和防治煤与瓦斯突出最有效的方法之 一。目前，我国有许多矿井建立了瓦斯抽放系统，但是多数抽放效果不理想，抽放系统 不能很好地发挥作用，瓦斯抽放率还比较低，与先进国家相比，我国煤矿的瓦斯抽放工 作还有很大的差距。 1 绪论 3 1.2.1 煤岩瓦斯渗流和煤层卸压瓦斯抽放研究现状 煤层瓦斯， 以吸附和游离两种状态赋存在煤体中， 形成固气并存的二相介质， 因此， 研究煤层瓦斯渗流和瓦斯抽放问题必须考虑气体（CH4、CO2等）对煤岩体本身的变形 和强度造成的影响。 固液（气）两相变形与运动研究是从土力学中固结问题开始，Darcy（1856）从均 质砂土的恒定均匀渗流试验中得到著名的Darcy定律，K.Terzaghi（1923，1925）认识到 孔隙水逸出后土体孔隙会缩小，提出了有效应力的概念，对土力学的研究发挥了重要作 用；Jacob（1940）研究了岩层发生竖直弹性变形的地下渗流运动的连续性微分方程；陈 宗基（19531957）最先考虑了土骨架蠕变引起的时间效应；Verruijit（1965）将孔隙流 体压力作为数学模型， 对岩体内流体流动规律进行分析； Robinson （1959） 和Handin （1963） 通过试验得到了当岩石具有连续的连通孔隙系统时，有效应力控制岩体的破坏，在一般 情况下，需要对Terzaghi有效应力公式进行修正。许多学者研究了煤岩变形对岩体渗透 性的影响，认为变形岩体的渗透系数随孔隙压力及围岩而变化，周世宁院士等在20世纪 80年代通过大量实验室试验，研究了瓦斯的孔隙压力、围岩与渗透率之间的关系，以及 含瓦斯煤的力学性质；鲜学福院士、余楚新博士等（1989）在假设煤体中瓦斯吸附与解 吸过程完全可逆条件下，建立了煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程。 国内外煤层瓦斯抽放方法大体分为采前预抽和卸压瓦斯抽放。煤岩体内裂隙发育程 度和煤层透气性对瓦斯抽放起关键作用，我国煤田大多属于低透气性煤层，所以预抽瓦 斯效果往往不好。煤层开采引起岩层移动，形成采动裂隙并使一定范围内煤层卸压，引 起卸压区煤层透气性显著增大，卸压瓦斯抽放往往取得较好效果。煤层卸压瓦斯运移与 采动裂隙的动态分布特征有着紧密的关系，覆岩采动裂隙分为两类一类为沿层离层裂 隙，主要是煤层卸压膨胀所致；另一类为竖向破断裂隙，主要是煤层受拉压破坏所致， 它是上覆邻近层卸压瓦斯流向开采煤层工作面及其采空区的通道，此类裂隙仅在覆岩一 定高度范围内发育，其高度（导气裂隙带）与保护层采高及覆岩岩性有关，处于导气 裂隙带‖以上的覆岩区煤层卸压瓦斯不流动到开采煤层工作面或采空区。卸压瓦斯分为 ①本煤层卸压瓦斯；②邻近层卸压瓦斯；③远距离煤层卸压瓦斯。其中本煤层卸压瓦斯 和邻近层卸压瓦斯流向开采煤层工作面及采空区，引起工作面上隅角瓦斯超限，而远距 离煤层卸压瓦斯一般不能流向开采煤层。对采动卸压瓦斯进行抽放，一方面可实现煤层 气资源有效开发和利用，另一方面可防止煤层开采时大量瓦斯向工作面涌出，实现工作 面高产高效。 卸压瓦斯抽放在国内外煤层群开采的高瓦斯矿井广泛采用，其技术关键是根据采动 裂隙场分布规律合理布置抽放钻孔，我国从60年代开始，开展了保护层开采与卸压瓦斯 抽放试验，取得了显著成效，至今已形成了以阳泉矿区和淮南矿区为代表的比较完善的 西安科技大学工程硕士学位论文 4 卸压瓦斯抽放技术。卸压瓦斯抽放研究不足表现在其一，对覆岩采动裂隙场分布特征 缺乏整体把握与理性认识，影响到抽放钻孔布置的优化；其二，国内外卸压抽放是从开 采煤层工作面安全出发，主要研究本煤层与邻近层卸压瓦斯抽放，而对上覆远距离煤层 卸压程度及卸压瓦斯抽放效果缺乏系统研究。基于岩层移动关键层理论，钱鸣高、缪协 兴、许家林等将覆岩移动及其裂隙场分布规律应用于卸压瓦斯抽放研究中，初步建立了 卸压瓦斯抽放O‖形圈理论的钻孔布置基本原则，即O‖ 型圈相当于一条 瓦斯河‖， 周围煤岩体中的瓦斯解吸后通过裂隙不断地汇集到这条瓦斯河‖中，当卸压瓦斯抽放钻 孔布置在采动裂隙 O‖ 形圈内，可以保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围、 较高的瓦斯抽放率。 1.2.2 采动覆岩移动变形及裂隙演化研究现状 地下矿体的采出必定会引起采场围岩体内的应力重新分布，引起围岩的变形、破坏 及运动，从而导致围岩裂隙状态的变化。岩层移动与开采沉陷是采矿学科的基础之一， 也是保护层开采防突作用考察的基础。参与研究的学者与研究成果众多，提出了多种假 说与理论，其中具有代表性的有压力拱假说、悬臂梁假说、预成裂隙假说、铰接岩块假 说、砌体梁理论（钱鸣高院士） 、传递岩梁假说（宋振骐院士）等。钱鸣高院士根据砌 体梁理论对煤层开采后覆岩移动规律提出 横三区‖、 竖三带‖， 即沿工作面推进方向上 覆岩层将分别经历煤壁支承影响区、离层区、重新压实区，由下往上岩层移动分为垮落 带、断裂带、整体弯曲下沉带，实践表明，上覆岩层的岩性对岩层移动、变形和断裂有 很大的影响。 钱鸣高院士、许家林博士利用相似材料模型实验，采用离层率指标F定量研究离层 裂隙的发育程度，定性研究了煤层开采后位于垮落带和断裂带内的上覆岩层裂隙分布特 点，对研究其中的瓦斯运移具有一定的指导作用。F值表示单位厚度岩层内离层裂隙的 高度（或岩层的膨胀率） ，若F＞0，表明上、下岩层离层；若F0.05 30m3/min的采煤工 作面。淮南矿区近年的实践表明，对位于弯曲下沉带的远程邻近层也可以实现高效大流 量抽放卸压瓦斯。 （5）采空区瓦斯抽放/地面钻孔抽放采空区瓦斯方法 采空区瓦斯抽放的方法主要有顶板岩石钻孔、采空区埋管或插管抽放等，其中顶板 岩石钻孔抽放采空区冒落拱上方的卸压瓦斯效果显著。对采空区埋管或插管抽放方法来 说，抽瓦斯管口的位置越高、离工作面越远、采空区与工作面之间的隔离越好，其抽放 效果也越好。为保证一定的抽放量，埋管和插管的管径应不低于150mm，为了降低管路 费用，可使用菱镁土等管材。 对于格目底矿区而言，采空区瓦斯抽放是矿井瓦斯灾害防治的重要方法和途径。 地面钻孔抽放采空区瓦斯是美国采空区瓦斯抽放技术中应用最为成功的方法之一。 在澳大利亚的许多矿井，以及我国的铁法矿区、淮北局芦岭矿， 都成功地对该方法进 行了应用。该方法通常是从地面向工作面打垂直钻孔。钻孔一般打到开采层上方5m至 10m，这样当顶板垮落后，即可利用钻孔从具有大量裂隙的直接顶冒落带抽放瓦斯。钻 孔的上部完全使用套管加固， 而底部则使用槽管， 地面钻孔的数量应根据工作面的长度、 采空区瓦斯涌出及开采速度、钻孔的抽放半径等合理确定，并合理确定地面钻孔的其它 相关参数。 （6）低透气性煤层强化抽放瓦斯方法 针对低透气性高瓦斯和突出危险煤层，近30年来国内外探索研究了多种强化抽放开 采层瓦斯方法，如煤层水力压裂、水力割缝、水射流扩孔、松动爆破、控制预裂爆破、 密集钻孔（穿层孔、顺层孔、大直径孔）与立体交叉钻孔、高压气体压裂等方法。其中 密集钻孔或立体交叉钻孔抽放法、深孔控制预裂爆破或水力割缝增透抽放法，设备与工 艺较简单，抽放效果也较好。 从设备、技术、工艺、工期、安全、效果以及经济等方面综合考虑，目前最为可行 的低透气性煤层强化抽放方法是立交钻孔法、大直径立交钻孔或密集钻孔法。 1 绪论 7 1.2.4 实际抽采过程中常采用的瓦斯抽采技术 不同矿井煤层的赋存条件、开采条件差异较大，应根据矿井具体条件，确定瓦斯抽 采方法、抽采工艺、合理的抽采参数等。 虽然双鸭山矿业集团没有瓦斯抽采，但我国的瓦斯抽采已进入了综合发展阶段。近 年来，随着瓦斯抽采矿井的增多，瓦斯抽采条件的多样化促使瓦斯抽采工艺技术的不断 进步。从抽采方法上，更进一步丰富了本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯 抽采的内容，建立了综合抽采瓦斯方法理论。 1）开采层瓦斯抽采 对开采层瓦斯涌出量大或有突出危险的煤层，主要采用开采层瓦斯抽采技术。开采 层瓦斯抽采包括巷道抽采和钻孔抽采。 （1）巷道抽采 巷道预抽已不再被用作开采层主要的瓦斯抽采方法（抚顺龙凤、焦作李封、淮北芦 岭、靖远魏家地等矿曾经用过） 。只在部分煤巷暂时不用或有异常瓦斯涌出巷道的矿井 作辅助方法应用。 （2）钻孔抽采 钻孔抽采以施工危险性小（突出煤层在施工巷道时有突出的危险） ，速度快，成本 小，可提前预抽以及较灵活等优点，所以现多以打钻孔形式进行抽采。 钻孔布置方式有钻场扇形钻孔，顺层长钻孔，水平羽状钻孔，井下长距离水平定 向钻孔等。 （3）钻场扇形钻孔抽采 如图1.1所示，在掘进回采工作面的回采巷道时，在相距一定长度布置钻场，在钻场 内以扇形布置煤体抽采钻孔。 10 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 12 13 1415 I I 4 3 2 1 1 11 I 3 4 5 6 7 8 9 10 1415 12 13 8 7 6 5 4 3 11 10 9 12 11 14 15 13 连采机 多巷掘 进面 煤层掘进中扇形钻孔瓦斯抽放模式示意图 22 回采布置工 作面煤体 回采布置工 作面煤体 图1.1 扇形钻孔抽采瓦斯示意图 （4）顺层长钻孔 沿工作面的倾斜方向，按一定距离（按小于或等于抽采半径） ，打贯穿整个工作面 西安科技大学工程硕士学位论文 8 或接近工作面长度的钻孔。 （5）水平羽状钻孔 水平羽状钻孔布置如图1.2所示。地面钻井一个开孔位置，多个分支进入煤层，使煤 层钻孔长度极大增加，加大钻井控制范围和抽瓦斯量。 图1.2 水平羽状钻孔示意图 此种布置方式多为瓦斯利用时使用，能提高单点瓦斯抽出率。 （6）井下长距离水平定向钻孔 利用井下千米定向钻机和DGS导向系统、顶底板定位系统，在岩层穿层钻进至目标 煤层，再在煤层水平钻进成孔，利用矿井瓦斯抽采系统，进行抽采瓦斯。 2）临近层瓦斯抽采 在近距离煤层群开采条件下，采用冒落法管理顶板时，顶板岩层在采动后由下而上 通常形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，这三带的高度由回采煤层的厚度、顶板围岩的 硬度及区域情况存在不同， 如图1.2。 在阳泉矿区缓倾斜煤层中等硬度岩石性质的条件下， 冒落带高度为采高的6～8倍、裂隙带的高度为采高的10～30倍、弯曲下沉带位于裂隙带 以上直至地表。 邻近层瓦斯抽采是利用下部低瓦斯煤层或非突出煤层开采时，对上部高瓦斯或突出 煤层产生裂隙，而对上部的高瓦斯煤层或突出煤层进行抽采。 临近层瓦斯抽采分为钻孔抽采和巷道抽采，抽采钻孔和巷道根据三带的分布规律进 行布置。 3）巷道抽采 顶板岩石巷道抽采上邻近层瓦斯技术在阳泉等局取得成功经验。巷道呈倾向或走向 布置在顶板裂隙带中。 沿走向布置时， 巷道位于离风巷三分之一至四分之一采面长位置； 1 绪论 9 沿倾向布置时，巷道由风巷侧进入工作面40m～50m范围，每隔150m～200m布置一条倾 向顶板岩石巷道。回采时，巷道全部密闭抽采。阳泉矿区采用走向顶板巷道时，单巷平 均可抽出40m3/min～90m3/min瓦斯，抽采瓦斯浓度平均为65％，抽出率可达90％；使用 倾向顶板岩石巷道抽采时，单巷抽采量达10m3/min～40m3/min，瓦斯抽出率可达60％～ 80％。阳泉曾试验研究以顶板水平长钻孔代替顶板走向岩石巷道，其开始抽出距离‖是 决定第一个抽采钻孔位置。 4）底板巷钻孔抽采 钻场设在开采层底板岩巷内，由钻场向邻近层打穿层钻孔或在巷道、开采层尾巷向 上邻近层打大直径钻孔代替顶板倾向岩石巷道的抽采技术。 阳泉五矿8108工作面试验从开采层尾巷向上邻近层打大直径瓦斯抽采钻孔，钻孔开 孔直径273mm、终孔直径230mm，钻孔倾角50 ～59 ，钻孔迎向回采工作面方向、进入 工作面范围20m～30m。 采用这种高仰角大直径钻孔，当工作面采过钻孔16m时开始抽出瓦斯，单孔平均抽 出瓦斯量为30.95m3/min，最大抽采量达47.43m3/min，抽出率达89.11％。试验表明，当 钻孔间距控制在100m左右时， 能够达到顶板岩石巷道的瓦斯抽采效果， 但施工成本却降 低31.2％。 5）采空区瓦斯抽采技术 在瓦斯矿井采煤时，尤其是开采煤层群和厚煤层条件下，邻近层、未采分层、围岩、 煤柱和工作面丢煤中都会向采空区涌出瓦斯。采空区瓦斯不仅在开采过程中向工作面涌 出，而且在工作面采完密闭后也仍有瓦斯涌出。采空区瓦斯涌出，一般新建矿井投产初 期所站比例不大，随着开采范围的不断扩大，相应地采空区瓦斯的比例逐渐增大，特别 是一些开采年限久的老矿井，采空区瓦斯多数可达25～30，少数矿井达40～50。 采空区抽采归为两类半封闭采空区抽采和全封闭采空区抽采。半封闭采空区抽采 主要采用埋管抽采、采空区靠切眼侧密闭抽采、顶底板钻孔抽采、仰角或高位钻孔抽采 等方法；全封闭采空区抽采主要采用密闭插管抽采。 对老采空区主要采用密闭插管和地面钻孔抽采的办法，但对有自然发火的煤层，应 加强火灾标志气体和温度的监测，目前正在研制监测火灾标志气体并自动控制调节投放 负压和流量的装置，解决瓦斯抽放与自燃的矛盾。 对开采工作面采空区抽采有埋管抽采和仰角抽采及高位钻孔抽采。采空区埋管抽采 方法和理论已成型，仰角抽采和高位抽采是近几年来才成型的方法，在有些矿井应用得 很好，其理论和方法现在是在研究或初步应用阶段，在各地区，各种煤层中方法还不太 统一。 西安科技大学工程硕士学位论文 10 1.2.5 煤层气开发技术研究存在的问题 1）目前，中国煤矿区煤层气开发技术研究存在的问题是理论研究与实践应用的脱 节，地面煤层气开发与井下瓦斯抽采不能同步进行，造成安全、资源、效益相冲突、相 矛盾， 不能使地面煤层气开发既能解决井下安全生产问题又能兼顾地面煤层气利用紧张 的矛盾，造成人力、财力、物力的大量浪费与资源的破坏。国外在煤层气开发技术研究 问题上多是从商业化开发角度出发，考虑的主要问题是每一个项目所带来的利润。本论 文针对煤矿区煤层气开发的特点，紧紧围绕采矿活动影响这一突出特点进行深入的研 究。 2）井下走向长壁采煤工作面采空区的瓦斯运移规律，尤其是在矿井通风作用下的 情况还不十分清楚，因此造成井下瓦斯抽采、地面煤层气开发技术选择及确定时还存在 困难。 3）煤矿区地面煤层气利用高低浓度不均匀、不平衡，造成热值不稳定、热效率不 高，大量矿井抽采瓦斯（CMM）被排空，不能被充分利用。 1.3 研究目标、内容及拟解决的关键问题 1.3.1 研究目标 1）研究玉舍煤矿瓦斯赋存规律； 2）研究适合玉舍煤矿的瓦斯抽采技术，解决瓦斯超限问题。 1.3.2 研究内容 1）玉舍煤矿瓦斯赋存规律研究； 2）玉舍煤矿瓦斯抽采方法及技术研究； 3）现场进行瓦斯抽采，解决瓦斯超限问题。 1.4 研究方法、技术路线 采用现场调研、瓦斯抽采实验相结合的方法开展本项目研究。 首先通过理论分析，建立瓦斯在煤层中流动的数学模型及瓦斯从煤体中涌出的数学 模型，采空区采动裂隙带区域及传质模型；确定本煤层瓦斯抽采方案，并通过对本煤层 瓦斯抽采方案的实施，采用煤层钻孔抽采，观测其抽采效果，优化实施方案。 其次，通过采空区采动裂隙带区域范围确定回采工作面布置仰角钻场及仰角钻孔参 数，研究确定采空区瓦斯抽采方案，采用多种形式采空区抽采方法，实施这些方法，监 测并分析其实施效果，确定合理的方案。 1 绪论 11 再次，综合采用几种形式的抽采方法，研究这些方法联合使用效果。 最后，通过实验和理论分析并结合现场观测，建立采空区瓦斯抽采方案，根据不同 环境和条件下，几种形式的抽采方法联合使用效果研究和分析，提出可操作的、切实可 行的瓦斯抽采技术方法。得到适合玉舍矿瓦斯抽采方案。 西安科技大学工程硕士学位论文 12 2 玉舍煤矿煤层瓦斯流动规律研究 2.1 煤的吸附理论及煤层瓦斯含量 2.1.1 煤中瓦斯赋存 煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种。固体表面的吸附作用可以分 为物理吸附和化学吸附2种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分 子间相互吸引的结果，如图2.1示。在被吸附的瓦斯中，通常以将进入煤体内部的瓦斯称 为吸收瓦斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附 瓦斯。在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占8090，游离瓦斯量占1020， 在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。 在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动态平衡状态，吸附 状态的瓦斯分子和游离状态的瓦斯分子处于不断的交换之中;当外界的瓦斯压力或温度 发生变化或给予冲击和振荡、影响了分子的能量时，则会破坏其动态平衡，而产生新的 平衡状态。 煤是一种多孔介质，煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属性，煤体表面吸附瓦斯量的多 少， 与煤体表面积的大小密切相关， 而煤体表面积的大小则和煤体孔隙特征有关。 因此， 煤体孔隙特征对吸附瓦斯有重要作用。 图2.1煤体中瓦斯赋存状态 l-游离瓦斯；2-吸着瓦斯；3-吸收瓦斯；4-煤体；5-煤中孔隙图 2.1.2 煤的孔隙特征及其评价方式 1）煤的孔隙特征评价方法 煤是一种包含有机质的岩石， 煤的有机物质类似海绵体， 具有一个庞大的微孔体系； 微孔直径从零点几个纳米到几个纳米，微孔之间则由一些直径只有甲烷分子大小的微小 2 玉舍煤矿煤层瓦斯流动规律研究 13 毛细管所沟通， 彼此交织， 组成超细网状结构， 具有很大的内表面积， 有的高达200m2/g， 形成了煤体特有的多孔结构。 为了衡量煤的多孔程度，用孔隙率n来表示。煤的孔隙率就是孔隙的总体积与煤的 总体积的比，其计算公式为 1001100            S d S dS V V V VV n （2.1） d M Vd （2.2）  M VS （2.3） 式中，n为煤的孔隙率，； S V为煤的总体积，包括其中孔隙体积，cm3； d V为煤 的实在体积，不包括其中孔隙体积，cm3；M为煤的质量，g；d为煤的真密度，g/cm3； 为煤的假密度g/cm3。也即 100 1100 1             dMd M n  （2.4） 煤的真密度和假密度可在实验室内测得。孔隙率是决定煤的吸附、渗透和强度性能 的重要因素;通过孔隙率和瓦斯压力的测定，可以计算出煤层中的游离瓦斯量。此外，孔 隙率的大小与煤中瓦斯流动情况也有密切关系。为了便于研究瓦斯在煤层中的赋存与流 动规律，通常把煤中的孔隙分为微孔、小孔、中孔、大孔、可见孔及裂隙。煤中孔隙作 为连接吸附容积吸附瓦斯的贮存所与自由表面的运输通道，构成了复杂的吸附、扩散、 渗透系统。煤中微孔构成了吸附容积，煤中其余孔隙构成了煤中复杂的渗透系统，在渗 透系统中，几乎全部瓦斯都处于游离状态，并符合气体状态方程。 2）煤体表面吸附作用 煤的吸附实际上是固体表面与气体或液体的一种表面作用，这种表面作用所以能够 发生，是由于煤体表面的分子存在剩余的自由力场，当瓦斯分子碰撞煤体表面时，其中 一部分将被吸收，并释放出吸附热。在被吸附的瓦斯分子中，只有当其重新获得动能， 并足以克服煤体表面引力场的位能时，才能重新回到气相中形成游离状态的瓦斯，一般 情况下，瓦斯在煤体表面的吸附过程可分为如下几个步骤 ①瓦斯分子由气相扩散到煤体表面； ②扩散到煤体表面的瓦斯分子被煤体吸收； ③被吸附的瓦斯分子与煤体表面发生反应，生成被煤体所吸附的产物分子。从表面 物理化学可知，一种良好的固体吸附剂必须具有较大的比表面积和较强的吸附能力。常 用吸附量来表示吸附剂吸附能力的大小。对于煤体吸附瓦斯而言，其吸附量可表示为 西安科技大学工程硕士学位论文 14 煤体的质量或体积 被吸附的瓦斯量 V （2.5） 在一定的温度、压力条件下，煤体表面对不同气体的吸附量的大小和气体凝聚性有 关，凝聚性越强的气体，被吸附的量就越大。 1916年，法国化学家朗格缪尔在研究固体表面吸附特性时，得出了单分子层吸附的 状态方程，即朗格缪尔方程;随后，国内外瓦斯研究工作者经过实验和理论分析后发现， 该方程同样适用于煤体表面的吸附。故而，目前采用该方程式来计算瓦斯吸附量。在朗 格缪尔方程中，瓦斯吸附量和瓦斯压力间的关系式可表示为 bp abp Xx   1 （2.6） oN V a o    （2.7） RT E e Zmfz Kt b  （2.8） 式中，a为吸附常数，表示在给定的温度下，单位质量固体的极限吸附量，对 煤体吸附瓦斯而言，该方程一般为1555m3/t；b为吸附常数，一般为0.055.0MPa-1；P 为吸附平衡时的瓦斯压力，MPa； x X为在给定温度条件下，瓦斯压力为p时单位质量固 体表面吸附的瓦斯量，m3/t； O V为标准状况下气体分子体积，22.4l/克分子；∑为煤体的 表体积；N为阿佛加德罗常数，6.021023个/mol；o为一个吸附位的面积，nm2/位。 而式中的Kt为根据气体运动论得出的参数； Zm为完全的单分子层中每平方厘米所吸附的 气体分子数；E为解吸活化能； z f为和表面垂直的吸附气体的振动频率；R为气体常数； T为煤体的温度。 a是一个只和煤体比表面积以及被吸附的气体有关的参数，不同煤样吸附量的差异， 集中反映在a值的不同上；b是一个和温度、被吸附气体有关的参数，温度变化引起的吸 附量的变化集中反映在b值的不同上。不同被吸附气体所引起的吸附量的变化则分别反 映在a、b值的不同上。 3）煤体表面的物理吸附模型 根据吸附位能理论，煤体表面的吸附是固相、吸附相与气相构成的三相介质结构， 即在近煤表面为吸附相， 吸附相外层为游离气相， 吸附相内层为煤体本身所组成的固相。 因此，含瓦斯煤实际上是一种具有气相、吸附相和固相存在的三相介质结构。 实际上，正是由于吸附相的存在，才使煤的表面张力下降、煤的表面能降低，使煤 易于破碎。煤体吸附瓦斯量越多，吸附相瓦斯所占比例越大，则煤体强度降低的就越多; 而煤体解析瓦斯后，强度能有所提高。煤的三相吸附模型对于煤体破碎、瓦斯运移和瓦 斯抽放等方面的应用具有重要意义。 2 玉舍煤矿煤层瓦斯流动规律研究 15 2.1.3 煤的吸附性及其影响因素分析 煤之所以具有吸附性是由于煤结构中分子的不均匀分布和分子作用力的不同所致， 这种吸附性的大小主要取决于3个方面的因素，即①煤结构、煤的有机组成和煤的变 质程度；②被吸附物质的性质；③煤体吸附的环境条件。由于煤对瓦斯的吸附是一种可 逆现象，吸附瓦斯所处的环境条件就显得尤为重要。煤中吸附瓦斯量的大小主要取决于 煤化变质程度、煤中水分、瓦斯性质、瓦斯压力以及吸附平衡温度等。 2.2 含瓦斯煤的渗透特性 1）应力对煤体透气性的影响 随着工作面的推进，井下煤层经历了由原岩应力状态进入应力升高与应力降低状的 过程，在这个过程中，煤体的透气性也将随之而发生变化。为提高现场煤层渗透，提高 瓦斯抽放率和瓦斯抽排效果，采用煤层卸压是一项重要措施，这也是现行的多数防止煤 与瓦斯突出措施，如预抽煤层瓦斯、开采保护层和水力冲孔等措施中，提高煤层瓦斯抽 放率和瓦斯排放效果而广泛采用的方法。 在煤层所受压力显著下降的工作面或巷道壁附近，煤层透气性才能显著升高，这点 尤其对开采保护层具有指导意义，即只有充分卸压，才能起到保护作用。现场中层的渗 透率是变化的， 这主要和煤层所受应力的复杂性有关， 尤其是采矿工作造成力重新分布。 矿山压力对煤层透气性的影响具体表现为在煤层卸压区域内透气性加，在集中应力带 内透气性降低。因此，在煤层中抽放瓦斯以及采取有关措施防止瓦斯突出时，应当考虑 应力和煤体渗透率的关系以及煤层渗透率的不同分布情，这样才能更好地采取有效措施 进行瓦斯抽放或防止煤与瓦斯突出。 2）吸附性对煤体透气性的影响 煤体对瓦斯的吸附对煤的渗透性会产生一定的影响， 实验结果表明 对于同一煤样， 在相同的条件下，煤吸附气体所呈现的吸附性越强，煤样渗透率越低，而且随着孔隙压 力的增大，这种关系越更加明显。这是因为煤的渗透率同煤的孔隙结构和裂隙有关，且 只和中孔、大孔以及裂隙有关。由于煤吸附气体后会发生膨胀变形，且吸附气体时的吸 附性越强，变形量越大，因此，当煤体在围压力保持一定无法沿径向产