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本煤层瓦斯抽放技术途径及分析 孟凡伟1,2,张敬瑶1,2,张海滨1,2,景巨栋3 1、中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116 2、煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221008 3、神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿,银川750004 E- 摘要近年来,随着矿井生产机械化水平和生产集约化的提高,已有的瓦斯灾害防治技术及装备已经不能有效的控制煤层瓦斯异常涌出。本文介绍了国内外比较常用的瓦斯流动理论和主要的本煤层瓦斯抽采技术,通过瓦斯流动理论和主要瓦斯抽采技术相结合,分析了本煤层瓦斯抽采技术途径存在的问题,在此基础之上进一步提出解决方法及途径,为煤矿企业安全生产提供了指导意见。 关键字瓦斯流动;本煤层;瓦斯抽放;现状分析 1 引言 我国煤矿赋存条件复杂,瓦斯含量大、煤层透气性低,不易在开采前抽放瓦斯[1],尤其是近年来,随着开采深度的不断增加,原作为保护煤层开采的煤层逐渐向突出煤层过渡,可供选择的保护层越来越少,而保护层开采过程中也存在保护不到的区域,已有的瓦斯灾害防治技术及装备已经不能有效的预防瓦斯事故。针对上述问题,本煤层瓦斯预抽的瓦斯治理方法得到了更广泛的应用,强化本煤层瓦斯抽放,减少煤层中的瓦斯含量和回风流中瓦斯浓度,以确保矿井的安全生产。本文本文介绍了国内外比较常用的瓦斯流动理论和主要瓦斯抽采技术,通过瓦斯流动理论和主要瓦斯抽采技术相结合,分析和归纳本煤层瓦斯抽放存在的问题,在此基础上,总结提出便捷有效的防治对策措施,为本煤层瓦斯抽放提供必要的技术和经验,以确保煤层回采的安全生产。 2 国内外研究现状 2.1 煤层瓦斯流动理论研究现状 瓦斯渗流力学就是由渗流力学、固体力学、采矿学科以及煤地质学等学科相互渗透、交叉而发展形成的一门新兴学科,其主要研究瓦斯在煤层这个多孔介质内运动规律的科学。瓦斯流动理论是瓦斯抽放的基础及依据,为煤层瓦斯抽放提供了指导意见。国内外学者对瓦斯流动理论进行了深入研究,其研究成果主要是以下几个方面 20世纪40年代,前苏联学者应用达西定律线性渗透规律来描述煤层内的瓦斯运动,开创性的研究了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流问题,开创了瓦斯渗流力学。以周世宁院士为首的一批学者在煤层瓦斯流动理论方面做了一系列奠基性和创造性的研究工作,首先从渗流力学的角度出发,认为瓦斯的流动基本上符合达西定律,把多孔介质的煤层看成一种大尺度上均分布的虚拟连续介质,首次提出了瓦斯流动理论一线性瓦斯渗透理论,这一理论的提出对我国瓦斯流动理论的研究具有极为深刻的影响,并建立了煤层瓦斯渗流的物理数学模型[2][3];研究了煤层瓦斯含量与煤层透气性系数的测试方法,并与原苏联的方法相比较,求解了一维煤层瓦斯渗流微分方程的解析解[4-6];通过试验对达西定律进行了各种修正,并给出了多种形式渗流计算公式[7-9]。线性瓦斯扩散理论认为煤屑内瓦斯运移基本符合线性扩散定律菲克定律。我国杨其銮和王佑安通过对煤屑中瓦斯扩散理论的研究,系统的建立了煤粒瓦斯扩散的微分方程,并将他们的理论应用到煤层瓦斯流动中,针对掘进巷道瓦斯涌出提 出了球向瓦斯扩散运动的数学模型[10]。瓦斯渗透扩散理论认为煤层内瓦斯运动是包含渗流和扩散的混合流动过程。随着煤层瓦斯运移规律研究的深入发展,国内外越来越多的学者认同这一观点。在瓦斯流动的线性理论研究中逐渐形成了线性渗流理论、线性扩散理论和线性渗流扩散理论,在一定的假设条件下形成严密的理论体系,一定程度上为瓦斯抽放提供了理论基础。 煤层瓦斯流动过程复杂,随着研究的深入,大量实践数据与瓦斯线性流动理论有一定的差异,分析其原因为①流量过大; ②分子效应; ③离子效应 ④流体本身的非牛顿态势。著名的流体力学家E.M. Allen 指出将达西定律用于描述从均匀固体物煤样 中涌出瓦斯的试验导致了与实际观测不相符合的结论[11]。日本学者根据大量实验提出了非线性瓦斯流动基本定律幂定律。国内外大量学者以非线性瓦斯流动理论为基础, 提出了非线性瓦斯流动的数学模型, 经初步实测验证表明, 非线性瓦斯流动模型更符合实际[12-14]。此外,地球物理场效应的瓦斯流动理论认为地应力场、地温场及地电场对瓦斯流动场也有重要影响,应该考虑进去,修正达西定律和幂定律[15]。 2.2 本煤层瓦斯抽放技术途径的研究现状 瓦斯抽放意义重大,主要表现在以下三个方面 ①通过瓦斯抽放能够降低煤层的瓦斯压力, 从而降低煤层瓦斯突出的危险性;②降低煤层瓦斯含量, 从而降低开采过程中瓦斯涌出量, 进而为生产提供一个很好的安全环境;③可降低矿井瓦斯排放量, 减少对大气环境的污染, 抽放的瓦斯作为资源使用,实现真正意义上的绿色开采。本煤层瓦斯抽放主要是抽放本煤层的瓦斯,是瓦斯抽放的重要环节之一,较为常规的抽放技术有以下几种。 1钻孔法预抽本煤层瓦斯[16] 钻孔法预抽本煤层瓦斯主要有两种布置方式,即穿层钻孔布置方式和顺层钻孔布置方式。当采用穿层钻孔预抽时,钻场可设在底板岩石巷道或邻近煤层巷道,向开采层打穿层钻孔,经过抽放后再进入煤层进行采掘,从而可以解决掘进和采煤过程中的瓦斯问题。当采用顺层钻孔布置方式时,则一般是利用提前开掘出的巷道,沿煤层打顺层钻孔,经过抽放后再进行回采,以解决回采过程中瓦斯的涌出问题.。钻孔法预抽本煤层瓦斯由于具有施工简便、成本低和抽放瓦斯浓度较高等优点,在我国煤矿中得到了广泛的应用。 2边采边抽本煤层瓦斯 这是在未经预抽或预抽时间不足的条件下,解决开采煤层采掘过程中瓦斯涌出问题的一种有效抽放方法。实质上,主要是利用采掘过程中造成的卸压作用抽放煤层中的瓦斯,以降低回采或掘进中涌入回风流中的瓦斯量。 3高位钻孔瓦斯抽放技术 高位钻孔瓦斯抽放主要是利用工作面回采动压形成的顶板裂隙通道来抽放工作面煤壁以及上隅角的瓦斯。采动应力场中形成的裂隙空间成为瓦斯流动通道,使得高位钻孔能抽出瓦斯,并且大大超过本煤层钻孔的瓦斯抽放量。根据抽放经验,冒落拱一般为34倍的采高,钻孔合适的位置在冒落拱的顶部,钻孔布置在这个位置抽放流量大,效果好。 随着采掘深度的增加,我国面临煤层透气性低,抽放效率低下的难题,自20世纪70年代以来对低透气性高瓦斯煤层进行了多种抽采技术的探索试验研究[17-20],从三个方面增加煤层透气性一是通过煤层卸压增加其透气性,使瓦斯流动的通道顺畅;二是改变瓦斯流动模式;三是降低煤的吸附能力,使游离瓦斯量增大。在此基础之上,本煤层瓦斯强化抽放方法主要有大直径密集钻孔抽放、水力冲孔瓦斯抽放、水力压裂煤层瓦斯抽放、控制预裂爆破 瓦斯抽放、松动爆破瓦斯抽放、高压水力割缝强化瓦斯抽放等。 3 存在的问题及分析 在一定的简化假设下,每种煤层瓦斯流动理论都已形成了一定的理论体系,并在煤矿安全生产中起到了一定的作用。瓦斯流动规律对于改善煤层瓦斯透气性和煤提高瓦斯抽放效率具有重要意义。但是,由于煤层内瓦斯流动是一个非常复杂的过程,目前国内外学者尚未从本质上研究透彻瓦斯在煤层中的流动机理。因此煤层瓦斯流动理论有待继续深入研究。 本煤层瓦斯抽放作为综合治理瓦斯技术体系的一个重要环节,根据瓦斯流动理论采取了一些技术、方法,取得了很大进展,有效的降低了煤层的瓦斯涌出量,一定程度上保证了煤矿的安全生产。如钻孔预抽本煤层瓦斯、边采边抽本煤层瓦斯、高位钻孔瓦斯抽放等。但是这些措施方法均存在一定得局限性,尤其是在低透气性煤层中抽放效率更加低下。 随着开采深度的不断增加,原作为保护煤层开采的煤层逐渐向突出煤层过渡,可供选择的保护层越来越少,而保护层开采过程中也存在保护不到的区域,因此本煤层瓦斯预抽的瓦斯治理方法得到了更广泛的应用。我国95以上的高瓦斯矿井和突出矿井开采的煤层其渗透系数只有10-3-10-4mD[21],本煤层抽放效率低,抽放效果差,难以有效的降低煤层瓦斯含量,已经成为制约本煤层瓦斯抽放的关键。所以低透气性高瓦斯煤层提高煤层透气性,强化瓦斯抽放成为本煤层瓦斯抽放的一个重要研究方向。如大直径密集钻孔抽放、水力冲孔瓦斯抽放、水力压裂煤层瓦斯抽放、高压水力割缝强化瓦斯抽放等技术在卸压增透上均取得了一定成效,但是工艺繁杂、自身技术不够完善、自适应性差等原因使这些技术并没有在煤矿生产中得到广泛应用,煤层卸压增透技术仍然需要继续探索研究。 本煤层瓦斯抽放技术的发展离不开瓦斯抽放设备的完善,抽放设备相对落后,打钻过程中抱钻、夹钻、成孔率低等问题也是制约瓦斯抽放效果的因素。设备创新如研制功率大、打钻效率高、使用寿命长的新型钻机及相应钻杆、钻头成为提高瓦斯抽放效率亟待解决的问题,是适应抽放瓦斯技术发展的需要。 4 解决办法及途径 针对煤层透气性低,抽放效果差的问题,提高煤层透气性,强化瓦斯抽放成为本煤层瓦斯抽放的一个重要技术手段。 1“钻割抽”三位一体强化瓦斯抽放 为了增大煤体的透气性系数,人为地采取措施在煤层中造成空隙,沟通及扩展煤层内部的裂隙网。对于单一煤层而言,则只有在煤层本身内部采取措施,张开原有煤层裂隙,造成新裂隙及局部卸压条件,才能改善煤层内部瓦斯流动状况。“钻割抽”三位一体强化瓦斯抽放是在回采煤层两巷对透气性系数低、原始瓦斯含量大、有突出危险的煤层进行深孔水力割缝。即,在煤层中先打一个钻孔,然后在退钻过程中利用高压磨料水射流对钻孔二侧的煤体进行切割,在钻孔二侧形成一条具有一定深度的扁平缝槽,利用水流将切割下来的煤体带出孔外,连接抽放管路进行瓦斯抽放。图4-1为顺层钻割抽三位一体施工布孔示意图。 图4-1顺层高压磨料射流钻割一体化布孔示意图 强化抽放原理水力割缝措施形成缝槽后,首先增加了煤体暴露面积,且扁平缝槽相当于局部范围内开采了一层极薄的保护层,达到层内自我解放,给煤层内部卸压创造了良好的条件,其结果是造成了缝槽上下煤体的一定范围的较充分卸压,增大了煤层的透气性能;其次,在地应力的作用下,缝槽周围的煤体向缝槽空间移动,在煤体中产生大量的拉伸裂隙和剪切裂隙,有效的提高了煤层的渗透性,宏观的缝槽和大量的次生裂隙共同构成了解析瓦斯的流动路径,因而更扩大了缝槽卸压、排瓦斯范围。最后扁平缝槽空间使其周围煤体发生激烈的位移和膨胀,煤体和围岩中的应力紧张状态得到一定程度缓和,使突出潜能的大量释放,煤岩变硬,大大改变了突出煤层的物理机械性能。水力割缝技术既可以增大煤体透气性、改变煤层的物理机械性能,又能够扩大瓦斯排放范围。在割缝完成后,连接抽放管路,煤层瓦斯抽放率大大提高,达到了强化抽放的效果。 2工作面浅孔抽放治理瓦斯涌出[1] 根据岩石力学研究成果,煤样的应力应变全程曲线如图4-2所示。 σ 图4-2煤样的应力应变全程曲线 根据煤样的应力应变全程曲线,从CD段开始,试件内部即产生大量裂隙并相互贯穿,这为瓦斯流动提供了良好通道。观测煤样的应力应变全程曲线,与其工作面前方煤体的应力分布及其相似。 由于采掘工作的影响,在工作面前方形成了卸压区和应力集中带,在应力集中带内,最大应力比原始应力高1-2倍,造成煤体发生塑性破坏。由最大应力点到煤壁的距离称为塑性极限应力带,视工作面的具体情况不同在8-20m之间变化。在塑性极限应力带,煤体破坏,发生扩容膨胀现象,大量裂隙形成相互贯穿,给超前动压区抽放瓦斯创造了有利条件。 在工作面附近施工抽放钻孔,煤层瓦斯在抽放负压的作用下,大量瓦斯由吸附状态转 化为游离状态,而且瓦斯也由采面深部向煤壁方向涌出,进入采面。浅孔抽放在抽放系统负压的作用下,钻孔附近煤层瓦斯气体流动方向发生变化,形成了径向流动。随着时间的延长,抽放半径增大,当抽放半径作用到煤层顶板和相邻抽放孔之间的区域时,采面附近煤层完全处于抽放负压作用下,隔断控制了浅部煤体瓦斯,从而由抽放钻孔排放,减少了采面生产的危险性。浅孔抽放条件下煤体瓦斯等气体的运动特征如图4-3。 图4-3 浅孔抽放过程中煤层内气体云移特征 1-瓦斯流动方向;2-浅孔抽放钻孔;3-机巷;4-风巷;5-支架; 6-采空区冒落矸石;7-控制阀;8-压力表;9-抽采泵站 此外,钻孔抽放、大直径密集钻孔抽放、水力冲孔瓦斯抽放、水力压裂煤层瓦斯抽放、高压水力割缝强化瓦斯抽放等技术各有适用条件,可以在条件具备的条件下使用,实施多位一体的本煤层瓦斯抽放技术措施。 5 结论 随着开采深度的增加,本煤层瓦斯抽放技术将在煤矿瓦斯治理中占有更重要的地位。本文通过对瓦斯流动理论研究现状和具体的实践工程应用现状相结合,指出了本煤层瓦斯抽放途径技术中存在的问题,并对存在的问题进行分析归纳,对本煤层瓦斯抽放技术途径进行较为深入的分析和探讨,得出以下结论 1国内有关学者对煤层瓦斯流动理论进行了详细的研究,建立了瓦斯在实际煤层中流动的数学物理模型,提出了瓦斯线性流动理论、非线性流动理论以及地球物理场效应的瓦斯流动理论等,一定程度上为瓦斯抽放技术途径提供了理论指导。但其前提是对煤层中的瓦斯流动模型做了许多假设,对现场的许多实际情况还需要进一步研究。 2随着开采深度的不断增加,原作为保护煤层开采的煤层逐渐向突出煤层过渡,可供选择的保护层越来越少,而保护层开采过程中也存在保护不到的区域,因此本煤层瓦斯预抽的瓦斯治理方法得到了更广泛的应用。 3煤层透气性低是制约本煤层瓦斯抽放的关键因素,提高低透气性高瓦斯煤层透气性,强化瓦斯抽放成为本煤层瓦斯抽放的一个重要研究方向。大直径密集钻孔抽放、水力冲 中国科技论文在线 得了一定成效，同时也存在缺陷，需要进一步改进与完善。 4 http// 孔瓦斯抽放、 水力压裂煤层瓦斯抽放、 高压水力割缝强化瓦斯抽放等技术在卸压增透上均取 浅孔抽放是一套比较成熟、有效的本煤层瓦斯抽放技术方法；“钻割抽”三位一体强 化抽放是在水力割缝基础上发展起来的新型本煤层瓦斯抽放方法， 具有工程量小、 效率高等 优点。此外，钻孔抽放、大直径密集钻孔抽放、水力冲孔瓦斯抽放、水力压裂煤层瓦斯抽放、 高压水力割缝强化瓦斯抽放等技术各有适用条件， 可以在条件具备的条件下使用， 实施多位 一体的本煤层瓦斯抽放技术措施。 参考文献 [1]胡殿明,林柏泉等.煤层瓦斯赋存规律及防治技术[M].中国矿业大学出版社,2006.1169;94-97;80-81. [2]周世宁，孙辑正.煤层瓦斯流动理论及其应用[J].煤炭学报，1965（1）. [3]周世宁.瓦斯在煤层中流动的机理[J].煤炭学报，1990，15（1） 61-74. [4]周世宁.煤层透气系数的测定与计算[J].中国矿业学院学报，1980， 1-5. （1） [5]周世宁.从矿井瓦斯压力曲线计算煤层透气性系数的方法[J]. 中国矿业学院学报，1982，3（1） 8-15. [6]郭勇义，周世宁.煤层瓦斯一维流场流动规律的完全解 [J]. 中国矿业学院学报，1984，2（2） 19-28. [7]林柏泉，周世宁.含瓦斯煤体变形规律的实验研究[J]. 中国矿业学院学报，1986，15（3） 67-72. [8]林柏泉，周世宁.煤样瓦斯渗透率的实验研究[J]. 中国矿业学院学报，1987，16（1） 21-28. [9]姚宇平，周世宁.含瓦斯煤的力学性质[J]. 中国矿业学院学报，1998，17（4） 23-27. [10]杨其銮，王佑安.瓦斯球向流动的数学模型[J]. 中国矿业大学学报，1988（4） 44-48. [11] 彼特罗祥. 煤矿沼气涌出[M] . 宋世钊译. 北京 煤炭工业出版社, 1983. [12 ] 孙培德. 瓦斯动力学模型的研究[J ] . 煤田地质与勘探, 1993 , 21 1 32 - 40. [13 ]Sun Peide. Coal gas dynamics and its applications [J ] . Scientia Geologica Sinica. , 1994 , 3 1 66 - 72. [14]Sun Peide. Study of the dynamic models for coal gas dynamics part 1 [J ] . Min. Sci. Technol. 1991 ,12 1 17 – 25 [15]王宏图,杜云贵,鲜学福等.地球物理场中的煤层瓦斯渗流方程[J].岩石力学与工程学报,2002, 5 644- 646. [16]姚尚文.高瓦斯低透气性煤层强化增透抽放瓦斯技术研究[D].2005. [17]Kayper,R.A.,Simulation of underground gasification of thin coal seams.Fuel and Energy Abstracts,Volume38,Issue3,May,1997,pp.154-160. [18]吴财芳，曾勇，秦勇.煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展[J]中国矿业大学学报，2004，33（2） 137-140. [19]俞启香，王凯，杨胜强.中国采煤工作面瓦斯涌出规律及其控制研究[J]。中国矿业大学学报，2000，29 （1） 9-14. [20] 王 固 态 ， 刘 振 华 ， 李 云 珍 等 . 提 高 煤 层 瓦 斯 抽 放 率 的 德 高 能 气 体 致 裂 技 术 研 究 [J] 。 火 炸 药 学 报.2000,467-68. [21]王兆丰.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].焦作工学院学报（自然科学版） ，2003，22（4） 241-246. The Analysis and Technical s of Gas Drainage in Seam Meng Fanwei1,2, Zhang Jingyao1,2, Zhang Haibin1,2, Jing Judong3, 1 Faculty of Safety Engineering, China University of Mining in seam; gas drainage; current situation analysis 作者简介孟凡伟（1984.09） ，男，江苏沛县人，现为中国矿业大学在读研究生，主要从事 矿井瓦斯防治方面的研究工作。 -7-