低透气性煤层瓦斯抽采技术与应用.doc

低透气性煤层瓦斯抽采技术与应用 陈 静, 王继仁, 贾宝山 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院, 辽宁阜新123000 摘 要在煤矿开采中, 瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。随着煤层开采深度的增加, 煤层透气 性随之减小, 从而严重影响了煤层瓦斯的抽采率和瓦斯抽采效果。针对我国煤矿绝大部分煤层属于低透气性煤层的情况, 论述和分析了低透气性煤层瓦斯抽采的各种技术原理及应用。给低透气性煤层瓦斯抽采提供技术指导, 解决矿区实际问题。研究低透气性煤层瓦斯抽采具有广阔的应用前景与应用价值。关键词瓦斯灾害; 低透气性煤层; 瓦斯抽采中图分类号TD712 文献标识码A 文章编号1008-87252009 03-0070-04 T echnology and Application on G as Drainage in Low -permeability Coal Seam CHEN Jing , WANGJi -ren , J IA Bao -shan C ollege of Security Science low -permeability coal 0 引言 。同时随着煤矿的开采深度的增加, 地应力增高, 使煤层及围岩的透气性变差, 瓦斯含量增加, 相对瓦斯涌出量增高, 瓦斯的危险性增 2 表2各指标的关联度的排序 各指标 关联度 排序 瓦斯放散初速度Δp 0. 833煤的坚固性系数f 0. 625煤层瓦斯压力p 0. 931瓦斯解析特征k 1 0. 922钻屑量s 0. 77 4 4. 6 结果分析 由关联度的排序可以看到各指标在煤与瓦斯突 出中所起的作用大小煤层瓦斯压力瓦斯解析特征瓦斯放散初速度钻屑量煤的坚固性系数。这说明该矿区煤层瓦斯压力指标最灵敏, 其次是瓦斯解析特征。在进行煤与瓦斯突出预测中, 应该首选煤层瓦斯压力作为预测指标; 当同时利用多个指标进行综合预测时, 应该以瓦斯压力作为主要依据, 兼顾其它指标; 当多个指标测量结果发生冲突时, 应按以上关系从大到小进行考虑。 5 结论 1 系统的灰色性不但包含了随机性和模糊性, 还包括了这两种不确定性以外的系统的更为广泛的特性。对于煤与瓦斯突出预测方法的选择, 灰色关联度分析提供了新的途径。 2 灰色关联分析简便可行, 评价结果直观、可靠, 又弥补了模糊综合评判法的不足。 3 应用灰色关联分析找出引起煤与瓦斯突出预测的最灵敏指标, 使预测指标选择不再盲目, 同时很好地降低了预测结果的灰度, 对守好煤与瓦斯突出防治的第一关意义重大。参考文献 [1] 林伯泉, 崔恒信. 矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州中国矿 业大学出版社,1998. [2] 王学萌, 罗建军. 灰色系统方法简明教程[M].成都. 成都科技 大学出版社,1992. [3] 刘树林, 邱莞华. 多属性决策基础理论研究[J].系统工程理论 与实践,1998, 3 118-122. [4] 刘思峰, 郭天榜, 党耀国, 等. 灰色系统理论及其应用[M].北 京科学出版社,1991. [5] 肖新平, 宋中民, 李峰. 灰技术基础及应用[M].北京科学出版 社,2005. [6] 胡坤. 灰色预测评价方法与应用研究[D ].南京航空航天大学 硕士学位论文,2004. 责任编辑 王凤英 收稿日期2008-10-15; 修订日期2008-12-19 作者简介陈静1985- , 女, 重庆云阳人, 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院在读硕士研究生, E -mail chenjing2613163. com 。 第28卷第3期2009年3月 煤 炭 技 术C oal T echnology V ol 128,N o 103 M ar ,2009 加。我国煤层气储量巨大, 有30～35万亿m 3 , 但由于普遍属于低渗透煤层, 致使煤层气预抽难以实施, 效果很差。煤层中储存的大量瓦斯气体溢入大气层, 这不仅严重地影响人类的生存环境, 而且浪费了大量的不可再生能源。 1 煤矿井下抽采技术概况介绍 我国大部分矿区煤层属低透气性难抽煤层, 给瓦斯治理和利用带来困难。因此, 强化抽放技术的研究与推广是我国煤矿瓦斯治理工作的十分迫切的需求。几十年来, 国内外科研人员和生产技术人员都对低透气性煤层瓦斯抽放技术进行过研究, 其研究的基本出发点是提高煤层透气性或增加单位煤体钻孔长度, 以达到提高抽放率的目的。根据我国煤层地质条件和瓦斯赋存特点, 不同的煤层, 采取不同的抽采技术, 比如我国开展技术包括水力割缝、深孔控制预裂爆破、旋转水射流扩孔、水力压裂、密集钻孔技术等。而抽采瓦斯方法的选择, 主要是根据矿井或采区、工作面 瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采程序以及开采地质条件等因素进行综合考虑。目前抽放瓦斯方法主要有开采层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采及采空区瓦斯抽采。 2 开采层瓦斯抽采 开采层抽采包括预抽、方式。预抽主要采用钻孔预抽采。, 预抽, 当工作面推进时, 工作面前方煤体由于卸压, 透气性大大增加, 抽放效率大幅度提高。2. 1 水力割缝强化抽采 水力割缝是对透气性系数低、原始瓦斯含量大的煤层进行预前割缝。其过程是利用定向水平钻机在煤层中进行水平钻孔, 钻孔完成后, 再在煤层中利用高压水射流对钻孔两侧的煤层进行切割, 在煤层中形成一条具有一定深度的扁平缝槽, 使煤层应力得到释放。在切割过程中, 煤层在地应力的作用下发生不均匀沉降, 在煤层中形成大量裂隙, 从而达到改善煤层渗透性的目的, 为瓦斯的解析和流动提 供通道, 进而增强煤层的透气性[1] 。 对于单一煤层而言, 则只有在煤层内部采取措施, 张开原有裂隙、产生新裂隙以及局部卸压, 进而改善煤层的透气性。由于高压水割缝的切割、冲击作用, 钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走, 形成扁平缝槽空间, 这一缝槽可以使周围煤体发生激烈的位移和膨胀, 增加了煤体中的裂隙, 改变了煤体的原始应力和裂隙状况, 大大改善了煤层中的瓦斯流 动状态, 为瓦斯的抽排提供了有利条件[2] 。2. 2 深孔控制预裂爆破强化抽采 深孔控制预裂爆破对于松软低透气性煤层的增 透效果是非常明显的。在采掘工作面的推进过程中, 要防止突出的发生, 必须改变工作面前方煤体的应力分布, 保持足够长的卸压带, 同时尽可能地增加煤体的透气性, 使煤层瓦斯得以充分预排。理论分析和现场试验表明对于低透气性突出危险煤层, 采用深孔预裂控制松动爆破能充分合理地利用炸药的爆炸能量, 起到控制孔的导向与补偿作用; 预裂爆破后使煤体中原生裂隙得以扩展, 同时产生新的裂隙, 较大地提高了煤层透气性, 能有效降低或消除煤层 突出危险性[3] 。 在爆破初始阶段, 爆破产生的动压迅速摧毁爆孔附近煤体的抵抗, 在其周围产生破裂带和少量裂纹, 为进一步破坏煤体提供弱面。由爆破产生的应力波在煤体中以爆破孔为中心呈同心圆状向煤体中传播, 应力波相交后产生叠加效应, 加速了煤体的破坏。由于两爆孔距离不同, 爆破产生的相互影响也不同。当两爆孔较近时, 爆孔间裂纹充分发育, 并最终相互沟通, 加速了煤体的破坏; 而当两爆孔较远时, , 最终只有少量裂纹相互沟通。5～6m 时, 两爆, 为。两爆孔间的裂纹, 为瓦斯抽放提供了通道。, 再加上, 为松软低透气性煤层瓦斯抽采提供了一 个较好的解决方案[4] 。2. 3 旋转水射流扩孔强化抽采 旋转水射流扩孔基本原理旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的情况下产生的具有三维速度射流的质点, 一面沿着螺旋线轨迹运动, 一面向周围环境介质中扩散而形成的射流。在流场中, 除了射流中的轴向和径向速度分量外, 还具有切向速度分量, 这就形成了螺旋流动。旋转射流具有扩散角大, 射程短, 卷吸和掺混能力非常强, 且存在回流区等特性。 旋转射流扩孔的工艺流程旋转射流扩孔只用于对已完成的小直径钻孔进行扩孔, 扩大其钻孔直径; 因此, 旋转射流扩孔的操作需在钻孔施工完成后进行如图1所示 , 其工艺过程如下 1 先用钻机按设计要求钻好钻孔, 退出钻杆后, 将扩孔射流器、过滤装置及连接手动推进泵的高压扩孔钻杆送入孔内, 并用手动推进泵来调节送达孔内的深度。 2 手动推进泵的尾部接上高压水管, 由高压水泵提供高压水源, 经调压阀门最终送达带螺旋叶轮的喷嘴, 从带螺旋叶轮的喷嘴喷出的流体具有三维速度, 在高压水驱动下对四周的孔壁进行旋转切割。 3 当扩孔完成一定长度时, 如果不满足实际需要, 通过增加或卸掉1根或几根钻杆, 继续进行扩孔。调节手动推进泵, 直到扩孔段的长度达到要求, 完成一个钻孔的扩孔作业。 旋转射流扩孔通过扩大钻孔直径, 达到增加钻孔的煤层暴露面积和卸压范围, 增加钻孔的抽排瓦 第3期 陈 静, 等低透气性煤层瓦斯抽采技术与应用 ・71・ 斯量, 提高钻孔的抽排效果, 为提高低透气性煤层的瓦斯抽采效果和扩大防突起措施的效果提供了一个可行的技术途径。随着高压水旋转射流技术的不断革新, 它在煤矿预抽防突领域中的应用前景非常广阔[5] 。 图1 旋转射流扩孔设备及工艺示意图 11储水箱 21阀门 31高压水泵 41调压阀 51压力表 61手动 推进泵 71喷嘴 2. 4 水压致裂 水压致裂的基本原理是通过钻孔将大量混入石 英砂或其它支撑剂的高压液体压入油气储层, 迫使储层破裂形成垂直或平行层面的裂缝, 使支撑剂充满裂缝, 以便在停止压裂后支撑住裂隙, 利用压裂在钻孔周围造成大量裂缝以提高储层的渗透性。近20多年来, 国内外学者将石油工业的水力压裂法应用于本煤层的瓦斯抽采以及煤层气的开采中。但由于煤层构造复杂, 煤质松软, 常导致压裂的方向不易控制或支撑剂容易嵌入煤体, 不易排除, [6,7。2. 5 , 一般钻孔深80m 3～5m , 预抽时间半年以上。为提高抽采效果, 在布孔时往往采用斜向孔及交叉钻孔。斜向布孔有利于边采边抽, 交叉式布孔可在不增加任何工程量的条件下, 提高本煤层瓦斯抽采的效果。经在焦作矿区及平顶山矿区开展顺层交叉钻孔抽采突出煤层瓦斯的试验, 证明交叉布孔可以避免由于钻孔坍塌、堵孔等影响抽采效果的 现象发生, 比平行钻孔抽采效果提高1. 5倍[8] 。2. 6 网格式穿层钻孔抽采 网格式穿层钻孔的优点是可解决突出煤层打顺层孔时钻喷孔、塌孔问题。大面积网格式穿层钻孔, 低透气性煤层尽管预抽瓦斯极为困难, 但在合理布置钻孔、保证预抽时间等技术条件下, 完全能够达到预期的抽采效果, 瓦斯抽采率可达到30以上。目前网格式穿层钻孔成为我国单一松软低透严重突出 煤层防突的主要方法[8] 。2. 7 密集钻孔抽采 密集钻孔抽采瓦斯的方法, 是指通过缩小钻孔间距, 提高瓦斯抽采率的瓦斯抽采方法。该技术一般通过加大钻孔直径, 缩小钻孔间距, 降低抽采负压, 以提高瓦斯抽采效果。根据周世宁院士的渗流 理论, 钻孔的总瓦斯流量为[9] Q πm λ0. 9P 1. 850R 0. 21α0. 1t 0. 1从式子中可以看出, 在抽放时间较长, 瓦斯进入稳定流动状态时, 钻孔总瓦斯流量Q 与煤层厚度m 成正比, 与煤层瓦斯压力p 0的1. 85次方及透气系数λ的0. 9次方成正比, 而钻孔半径R 1对总瓦斯流量Q 的影响不大。决定钻孔瓦斯流量的关键参数是瓦斯压力p 0和透气系数λ。 3 邻近层瓦斯抽采 邻近层瓦斯抽采就是通常所说的卸压层瓦斯抽采。在煤层群条件下, 受开采层的采动影响, 其上部或下部的邻近层煤层得到卸压, 而产生膨胀变形, 煤层透气性大幅度提高。此时煤层与岩层之间形成的空隙与裂缝, 不仅可以储存卸压瓦斯, 而且也是良好的瓦斯流动通道, 为防止邻近层瓦斯向开采层工作面涌出, 就应当用抽采的办法来处理这部分瓦斯。实践证明, 邻近层瓦斯抽采效果较好。 顶板走向水平长钻孔抽采邻近层瓦斯技术是针对高瓦斯无煤柱综采或综放工作面的特点, 为解决瓦斯超限问题, 斯、顶板穿层短钻, , 尤, 其优越性更为突出。、、河南平顶山、辽宁阜新和铁法等20多个矿区160对矿井 推广应用, 瓦斯抽采量和抽采率大幅度提高。该抽采方法为我国高瓦斯煤层群抽采探索出一条新路子, 为煤炭生产实现安全高效提供了技 术保障[8] 。 4 采空区瓦斯抽采 采空区瓦斯抽采具有抽采量大、来源稳定等特 点, 邻近层及围岩瓦斯的大量涌出, 使采空区瓦斯涌出量较大, 具备进行采空区瓦斯抽采的条件。采空区埋管在采空区抽采应用广泛, 沿回采工作面的回风巷上帮敷设1条瓦斯管, 随工作面推进, 抽放站管埋入采空区。 在采空区无内部漏风的流场中, 采空区内的瓦斯体积分数很高, 瓦斯随着采空区风流移动汇集在采空区上隅角, 形成高体积分数的瓦斯聚积区; 这是因为上隅角的漏风流线大多是流经采空区深部的流线, 携带瓦斯量大, 最终在上隅角形成瓦斯聚积, 所 以, 抽放的对象应是上隅角瓦斯聚积点的风流[10] 。利用上隅角插管抽放方法, 将聚集在上隅角的瓦斯抽出, 有效地解决了上隅角瓦斯超限问题, 同时减少采空区的漏风量及瓦斯涌出量, 以便将聚集在采空区上隅角的低体积分数瓦斯抽出。采用此方法时, 积极探索瓦斯涌出规律, 并通过对采空区瓦斯流场的分析, 采取高中低位的立体抽放方法见图2 , 高 低体积分数分散抽采, 大大提高抽采效率[11] 。 ・72・ 煤 炭 技 术 第27卷 高应力强流变软岩巷道底臌防治技术研究应用 薛再君, 李 俊, 毛永锋 甘肃华亭煤电股份有限公司, 甘肃华亭744100 摘 要针对华亭煤矿高应力松软岩巷道底臌变形破坏情况及岩性特点, 研究采用高强度锚网索、钢筋混凝土、底板锚注全断面支护技术, 进行软岩巷道底臌防治, 解决支护问题。该技术经过2年多的研究应用, 取得了显著成效。关键词高应力; 软岩巷道; 全断面支护; 底臌防治 中图分类号TD353 文献标识码A 文章编号1008-87252009 03-0073-04 R esearch and Application of Prevention of H eave on I ntensive Rheological Soft R ock R oadw ay U nder H igh Stress X UE Z ai -jun , LI Jun , MAO Y ong -feng Hua -ting C oal and E lectricity C o. , Ltd. , Huating 744100, China Abstract Accordingto the damage floor heave and rock chracteristics of s oft rock roadway under high stress in Hua -ting C oal Mine , whole section supporting techonogy with high strengh cable anchor ,rein forced concrete and floor bolt -grouting is researched and used to prevent floor heave in s oft rock roadway s olve the sup 2proting problem. A fter the application during tw o years , this supporting teconology a great success. K ey w ords highstress ;s oft rock roadway ;whole section supporting 0 前言 大, 开采的深度不断增加, 越复杂[1,2,3] 。、强流变和岩 , [4,5] , 断面缩小, 阻碍运输、通风和行人, 是极为迫切需要解决的技术难题。 华亭煤矿是甘肃华亭煤电股份有限公司的骨干图2 立体抽放示意图 5 结束语 我国高瓦斯低透气性煤层分布广、瓦斯抽采难, 是众多煤矿企业普遍存在的技术难题, 也是制约安全生产水平, 提高及落实“先抽后采”瓦斯治理方针的“瓶径”。由于各矿井煤岩层的赋存特点、瓦斯赋存规律、生产采掘工艺等不同, 所以根据矿井自身特点研究瓦斯抽采的合理组合方式、工艺参数、抽放效果评价技术等是非常必要的。煤矿瓦斯抽采, 煤层气开发利用是一件利国利民、利企业的大事。国家应积极支持煤矿企业进行瓦斯抽采与利用技术的 研究开发, 建立示范工程, 为有效控制煤矿瓦斯灾害事故提供技术支持。参考文献 [1] 瞿涛宝. 水力割缝技术处理煤层瓦斯的效果[J].西部探矿工 程,1996, 53 . [2] 赵岚, 冯增朝, 赵阳升, 等. 水力割缝提高低渗煤层的渗透性实 验研究[J].太原理工大学学报,2001, 3 . [3] 魏国营, 张书军, 辛新平. 突出煤层掘进防突技术研究[J].中 国安全科学学报,2005,156 100-104. [4] 蔡峰, 刘泽功, 张朝举, 等. 高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破 增透数值模拟[J].煤炭学报, 325 . [5] 郭仁宁, 王海刚. 旋转射流提高煤层瓦斯抽排效果的试验[J]. 煤矿机械, 2007,2810 . [6] 许江, 鲜学福. 含瓦斯煤的力学特性的实验分析[J].重庆大学 学报,1993,165 26-32. [7] 周世宁, 林柏泉. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京煤炭工 业出版社, 1999. [8] 王魁军, 张兴华. 中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前景[J]. 中国煤层气, 2006,31 . [9] 周世宁, 林柏泉. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京煤炭工 业出版社,1999. [10] 李宗翔. 回采采空区上隅角瓦斯抽放的数值模拟与参数确定 [J].矿业安全与环保, 2002,291 . [11] 沈怀津, 郑孝鹏. 低透气性高瓦斯煤层立体多层次瓦斯综合 治理技术[J].煤矿开采, 2007,124 . 责任编辑 王凤英 收稿日期2008-10-15; 修订日期2008-12-19 作者简介薛再君1974- , 男, 甘肃静宁人, 工程师, 现在甘肃华亭煤电股份公司华亭煤矿从事技术管理工作, E -mail jsk f 2bxzjun 1631com 。 第28卷第3期2009年3月 煤 炭 技 术C oal T echnology V ol 128,N o 103 M ar ,2009