基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用.pdf

第 3 6卷第 l 期 2 0 1 1年 1月 煤 炭 学 报 J OURNA L OF CHI NA C 0AL S O CI E T Y V l _ 3 6 No． 1 J a n ． 2 0 1 l 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 1 0 J 一 0 0 7 5 0 5 基 于 区域 瓦斯治理 的钻 割抽 一体 化技术及应用 林柏泉， 孟凡伟， 张海宾 中国矿业 大学 安 全工程学 院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘 要 针对我 国高瓦斯煤层赋存特 点及 目前煤矿 区域 瓦斯治理过程 中存在 的问题 ， 采 用理论研 究、 数 学建模和现场测试相结合的方式 ， 研究 了基于区域 瓦斯治理的高瓦斯低透气性煤层卸压增透 技术及 改善瓦斯流动与解吸方式 ， 建立了高压射流割缝卸压 范围内瓦斯流动毛细管模型， 并且通过 对割缝 主 体影 响 区 、 边界 影 响 区 消突 时间 的对 比分析 ， 得 出 了割缝 影 响 区 内任 一点 消 突的判 据和 割 缝卸压 范围内整体消突时间。最后 ， 结合笔者多年从事瓦斯抽采的研究和科研成果 ， 提 出了基 于区 域 瓦斯治理的钻割抽一体化技 术， 开发 了相应的配套设备和材料 ， 在 国内有关矿井进行 了应用。应 用结果表明， 该技 术可显著提 高抽放钻孔的单孔有效影响范围， 减少 区域 瓦斯 治理 需要 的钻孔数 量 ， 缩短 区域抽采时间， 提 高区域抽采效率。 关键 词 煤矿 瓦斯 ； 钻 割抽 一 体化 ； 卸 压增 透 ； 瓦斯 抽 采 中图分 类号 T D 7 1 2 ． 6 文 献标 志码 A Re g i o n a l g a s c o n t r o l b a s e d o n d r i l l i n g- s l o t t i ng - e x t r a c t i n g i n t e g r a t i o n t e c hn o l o g y L I N Ba i q u a n， MENG F a n we i ， ZHANG Ha i b i n S c h o o S a f e t y E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s it y o ／Mi n i n g＆ T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， i n a Abs t r a c t F o r t h e c o a l s e a m c h a r a c t e r i s t i c s wi t h hi g h c o n c e n t r a t i o n o f g a s a n d t h e c u r r e n t p r o b l e ms o f r e g i o n a l g a s c o n t r o l ， t h e t e c h n o l o g y o f p r e s s u r e r e l i e f a n d p e r me a b i l i t y e n ha n c e me nt s i n l o w pe r me a b i l i t y c o a l s e a m ba s e d o n r e g i o n a l g a s c o n t r o l a n d wa y s t o i mp r o v e g a s flo w a n d d e s o r p t i o n we r e r e s e a r c h e d b y t h e o r e t i c a l r e s e a r c h， ma t he ma t i c a l mo d e l i n g a n d fie l d t e s t i n g， a n d a g a s flo w c a pi l l a r y mo de l i n t he p r e s s u r e r e l i e f a r e a a f t e r s l o t t i n g wa s e s t a b l i s he d， t h e n t h e o u t b u r s t e l i mi na t i o n c r i t e r i o n o f a n y p o i n t i n p r e s s u r e r e l i e f a r e a a n d t h e o u t b ur s t e l i mi n a t i o n t i me o f t h e o v e r a l l p r e s s u r e r e l i e f a r e a we r e o b t a i n e d b y a n a l y z i n g t he o u t b u r s t e l i mi n a t i o n t i me o f s l o t t e d ma i n a f f e c t e d a r e a a nd b o u n d a r y a f f e c t e d a r e a ． Ad d i t i o n a l l y， a n c i l l a ry e q u i p me n t s a nd ma t e r i a l s c o mb i ne d wi t h t h e d ril l i n g s l o t t i ng e x t r a c t i n g i n t e g r a t i o n t e c h n o l o g y we r e d e e p l y d e v e l o p e d b a s e d o n r e g i o na l g a s c o n t r o l me t h o d， wh i c h we r e c o n fir me d b y t he fie l d t e s t s ． Th e a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e c h ni q ue c a n o bv i o u s l y e n h a n c e t h e d r i l l e f f e c t i v e r a ng e， r e d u c e t h e q u a n t i t y o f d ril l s， s ho r t e n t h e g a s e x t r a c t i o n t i me， i nc r e a s e t h e e f f i c i e n c y o f t he r e g i o n a l e x t r a c t i o n ． Ke y wo r ds c o a l g a s ； d r i l l s l o t t i n g e x t r a c t i n g i n t e g r a t i o n； pr e s s ur e r e l i e f a n d p e r me a b i l i t y i nc r e a s e； g a s e x t r a c t i o n 我 国的煤炭资源总量为 5 ． 5 7万亿 t ， 石油总资源 量为 9 4 0亿 t ， 煤层气资源量为 3 5万亿 m ， 能源构成 具有鲜明的富煤 ， 贫油 ， 少气特征 J 。煤炭 占一次能 源 比重的 7 5 ％ ， 因此 国家制定 了坚持 以煤炭为 主体 的能源战略 ， 保证煤矿企业 的安全生产是我国国民经 济可持续发展的根本保障。 我国煤矿 9 0 ％是地下开采 ， 煤层赋存条件复杂 ， 2 0 0 7年大中型煤 矿平均采深 4 8 6 m， 其 中 3 0 ％ 煤矿 采深大于 6 0 0 m， 并且以 1 0 m ／ a的速度向深部延 伸。 同时 ， 目前 我 国 煤 矿 的 安 全 生 产形 势 十分 严 峻， 2 0 0 2 --2 0 0 8年 ， 工矿 企业 一 次死 亡 1 0人 以上 特 大 事 故 中， 煤矿事故 占7 2 ． 8 ％ ～ 8 9 ． 5 ％ 死亡人数 ， 经济 收稿 日期 2 0 1 O - 0 5 2 1 责任编辑 毕永华 基 金项 目 国家科技 支撑 计划 项 目 2 0 0 7 B A K 2 9 B O I 国家 自然 科 学基金 重 点项 目 5 0 5 3 4 0 9 0 ； 国家重 点基 金 研究 发展 计划 9 7 3 项 目 2 0 0 5 c b 2 2 1 5 0 6 ； 煤 炭资源与安 全开采国家重点实验室 自主研究课 题资金 作者简 介 林柏 泉 1 9 6 O 一 ， 男 ， 福建龙岩人 ， 教授 ， 博士生导师。E m a i l l b q 2 1 4 0 5 1 2 6 ． c o i n 7 6 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6卷 损失 数百亿元 ； 2 0 0 0 --2 0 0 7年 ， 煤 矿每 年死亡人 数 6 7 6 9～ 3 7 8 6人。在煤矿企业一次死亡 1 0人以上事 故中， 瓦斯事故占死亡人数的 7 1 ％ ， 其中与技术原因 有关 造成 的事故 占 5 2 ． 5 ％ 。随着 矿 井 开采 深度 的进 一 步增加 ， 瓦斯涌出量急剧增大 ， 开采条件和 自然环 境 也发生显 著变化 ， 安 全 生产 面 临 的压 力 更 高 ， 原有 安全技术已难 以适应 当前煤矿安全生产的迫切需求。 1 我 国煤层瓦斯抽采存在 的主要 问题 我 国机械抽 采 瓦斯 始 于 1 9 3 8年 ， 1 9 5 2年 开始 工 业应用 ， 2 0 0 2年国家安全生产监督管理总局确定 了 “ 先抽后采 、 监测监控 、 以风定产 ” 的十二字方针。 目 前全国已有 3 0 0多对矿井建立 了抽放系统 国有重 点煤矿 2 0 0多对 ， 国有 地方煤矿近 1 0 0对 ， 2 0 0 7年 全国瓦斯抽采量达 4 4 ． 5亿 I l l 其 中国有重点煤 矿 3 0 ． 5 8亿 m ， 2 0 0 8年达到 5 8亿 m 。 。实践证 明 高 瓦斯煤层瓦斯抽采是煤矿安全生产的需要 、 是煤矿安 全高效的需要 、 是开采两个资源 的需要 ， 同时也是保 护环境 的需要 。 美国煤层气地面开发选区通常要求煤层的渗透 率不低于 0 ． 1 9 8 7 1 0 I I I ， 而我国煤层瓦斯赋存具 有微孔隙、 低渗透率 、 高吸附的特征。煤层渗透率平 均只有 1 ． 1 9 7 4 1 0 ～1 ． 1 5 9 6 1 0 m ， 其 中渗透 率大于 0 ． 1 9 8 7 1 0 m 的仅 占2 8 ％ ， 而渗透率大于 0 ． 9 1 8 7 1 0 I l l 的极 少 。煤 层 透 气性 低 是 造成 我 国 高瓦斯矿井煤层瓦斯抽采效果普遍较差的主要原因 专 一[ 2 4 ] ，一 0 为了解决上述问题 ， 主要采取卸压增透的方法 ， 目前可供采取的方式有两种 层问的区域卸压增透技 术和层 内卸压增透技术。保护层开采作 为层间的区 域卸压增透技术基本趋于成熟 ， 能够有效增加煤层透 气性 ， 得到了广泛 的推广应用 ； 在不具备开采保 护层条件时 ， 各种常规卸压增透措施虽然起到了一定 的效果 ， 但是 目前 尚无法满 足生产 实际 的需 要。 因此 ， 开发适用该条件下的区域瓦斯治理技术尤为重 要 2 煤体 中瓦斯流动的理论分析 在地压的作用下 ， 具有突出危险的煤层其内部孔 隙和裂 隙都很 小 ， 而 高瓦斯 低透 气性 煤 层尤 为 如 此 。对于单一煤层 ， 只有在煤层 内部采取措施 ， 沟 通及扩展煤层内部 的裂隙网， 张开原有煤层裂隙， 人 为增加新裂隙， 形成卸压条件， 才能改善煤层 内部瓦 斯的流动情况。 ⋯ ， 而在煤层内部进行割缝 ， 形成卸压 增透 ， 则是一种有效的技术措施。 2 ． 1 割缝 卸压范 围 内煤 体 中瓦斯流 动数 学模型 的建 立 瓦斯在煤体 中的运动是一个扩散渗透 的过程 ， 割 缝卸压范围内煤体中瓦斯流动可 以简化为单通道 网 格结构流动 ， 从而实现瓦斯从煤层至缝槽的运移。割 缝卸压范围内煤体 中瓦斯流动的毛细管模型以 F i c k 扩散定律和 D a r c y渗透定律为基础， 将割缝 的卸压范 围分为主体影响区和边界影响区， 得出割缝主体影响 区和边界影响区煤层任一时刻瓦斯流人缝槽的流量 ， 如图 1所示 。 边 界 影 响 区 主体影响区 主体 影 响 区 边 界 影 响 区 Fi g ．1 S e c t i o n o f s l o t t e d p r e s s ur e r e l i e f a r e a 主体影响区瓦斯流入缝槽的流量为 g z c ， [ 一 一 z 一 b e -4k21 。 [ 1． 8 5 9 e x p 一 2 k 2z 一 5 8 3 e x p f 一 2 k z 一 o ． 3 2 6 8 ex p 一 2 一 丁2 5 w 2D t ] 1 式 中， t 为煤层 中割缝完成后瓦斯抽采 的时间； k 、 均为系数， 根据实验数据拟合曲线 的过程可 以得到； P o 为煤层 的原 始 瓦斯 压力 ； ／ x为瓦 斯 的动力 黏度 ， P a S ； h为以缝槽 中心轴为基点单侧主体影响区所 能 影 响到的最 大 范 围 ； b为 钻孔 成孑 L 直 径 ；1 为 割缝 主体影响区煤层 中任一点距缝槽边界的垂直距离； C 为毛细管 中瓦斯 的体积浓度 ； D为多孑 L 介质中瓦斯扩 散 系数 ， 与空 间位置无 关 ， m ／ s 。 边界影响区瓦斯流人缝槽的流量为 w p o k 年 e 2f 2 c 。 1 ． 8 5 1 9 e x p 一 2 k 2 z 一 0 ． 5 5 8 3 e x p 一 2 k z 一 。 ． 3 2 6 8 e x p 一 2 k 2l 一 2 5 D t 】 7 8 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 时 ／ mi n 0 20 40 6 0 8O 1 O0 图 3 3种材料密闭时负压 的变化 曲线 Fi g ． 3 The c h a n g e c u r v e s o f s u c t i o n p r e s s u r e s e a l e d b y t h r e e ma t e r i a l s 机巷， 使用钻割抽 一体化技术进行 采工作面本煤层 预抽 瓦斯作业 ， 其 割缝效 果如 图 4所示 。 ∈ ＼ 恒 兽 J 暑 煺 四 扰动 影 响 面积■扰 动 影 响 体积 l 0 O ．3 1 7 ． 5 8 O ． 7 O ． ．■． 5 ≥ 匠 2 萎 抽 米 天 数 ／ d b部分抽采孔流量变化 曲线 --I I--5 号割缝孔P D封 p 1 I 号割缝4 L 氮酯封 7 号割缝孔P D封十1 2号 通孔聚氨酯圭 寸 9 9割缝孔P D 封～ I 3争普通孔 聚氨醣封 图 4本煤层钻割～体化卸 增透效果 Fi g ． 4 Ef f e c t o t p r e s s u r e r e l i e f a nd pe r mea bi l i t y e n h a n c e me n t s dr i l l i ng a nd s l o t t i n g i n t e g r a t i o n t e c hn o l o g y b y d r i l l i n g i n t he c o a l s e a m 试验表明 钻割一体化抽采钻孔与传统意义上的 抽采钻孔相比， 扰动煤体体积提高 6倍 ， 影响煤体表 面积提高 5～ 6倍 ， 扩大了抽采钻孔有效影响范围， 增 大了煤层渗透性 ， 对提高抽采效果有着显著的作用 。 4 ． 2 底板岩 巷穿层钻 割一体化 卸压增 透技术 的现 场 应用 芦 岭煤矿 Ⅱ8 2 1 0工作 面煤层结构属于极其 松 软 、 破碎类型， 煤层的坚固性系数平均在 0 ． 1～ 0 ． 3之 间 ， 瓦斯压力 为 4 ． 4 3～6 ． 4 7 M P a ， 煤层 瓦斯含量为 2 2 ． 6 7～ 2 5 ． 4 0 1 1 1 ／ t 。经过 1 ． 0～1 ． 5 a的预抽 ， 抽采 率只有 3 0 ％左右 ， 只能部分降低煤层瓦斯含量 降至 1 4 m ／ t ， 回采工作面仍然有突出危险性。使用钻割 一 体化技术在底板岩巷穿层对 I I 8 2 1 0工作面进行卸 压增透的试验 ， 其割缝效果如图 5所示。 拙 泶 天 数 f b 8 钻场 图 5 瓦斯抽采 流量 随抽采时 间的变化关系 Fi g ． 5 Re l a t i o n o t f l o w r a t e o f g a s e x t r a c t i o n wi t h t i me 试验结果表 明 钻割抽一体化技术大幅度提高了 煤层瓦斯抽采速度和瓦斯抽采率 ， 单孔纯瓦斯抽采量 最高达到 6 0 I Mm i n ， 比相邻 的非割缝钻孑 L 瓦斯抽采 速度提高了 4～ 6倍 ， 随着时间的推移， 割缝钻孔与非 割缝钻孔瓦斯抽采速度均在衰减 ， 但割缝钻孑 L 的瓦斯 抽采流量是未割缝 的2 ． 3 5倍左右。 5 结 论 I 建立了瓦斯流动模 型和消突判断模型 ， 得出 了割缝影 响 区 内任 一 点 消突 的 判据 和 割缝 卸 压 范 围 内整体消突m t f ．3。 2 研发 了可将 打钻与割缝相结合的钻割抽一 体化技术及装备 ， 减少了实施割缝措施的工作量。 3 钻割一体化抽采钻孔与传统意义上的抽采 钻孔相比， 扰动煤体体积提高 6倍， 影响煤体表面积 提高 5～ 6倍 ， 增加了单孑 L 的有效影响范围。 4 通过对割缝与未割缝钻孔 内瓦斯抽采流量 的对 比分析， 割缝后 瓦斯抽采流量是 未割缝 的 2～ 6倍 ， 钻割抽一体化技术 提高了煤层瓦斯抽采率， 消 除了煤层瓦斯突出危险性 。 5 实施基于区域瓦斯治理的“ 钻 、 割、 抽 ” 一体 化技术后， 预抽瓦斯 时间可缩短一半 ， 瓦斯抽采钻孔 数可减少 3 0 ％ ～5 0 ％ ， 实现高瓦斯低透气性突出煤 加 ∞ ∞ ∞ 加 0 第 i 期 林柏泉等 基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用 7 9 层瓦斯 的安全 高效 抽采 。 参考文献 胡殿明 ， 林柏 泉． 煤层瓦斯赋存 规律及 防治技术 [ M] ． 徐 州 中国 矿业大学出版社 ， 2 0 0 6 ． Hu Di a n mi n g ，L i n Ba i q u a n ．C o a l g a s de p o s i t l a w a n d p r e v e n t i o n t 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n d T e c h n o l o gy P r e s s ， 2 0 1 0． 张铁 岗． 矿井 瓦斯综 合治理 技术 [ M] ． 北 京 煤 炭工业 出版社 ， 2 0 01 ． 袁亮． 松软低透煤层群瓦斯 抽采理论 与技术 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． W a n g Li a n g， Ch e n g Yu a n p i n g， L i Fe n g r o n g， e t a 1 ． F r a c t u r e e v o l u t i o n a n d p r e s s u r e r e l i e f g a s d r a i n a g e fr o m d i s t a n t p r o t e c t e d c o a l s e a ms u n d e r a ll e x t r e m e l y t h i c k k e y s t r a t u m[ J ] ． J o u r n a l o f C o a l S c i e n c e＆ E n g i n e e r i n g C h i n a ， 2 0 0 8， 1 8 2 1 8 2 1 8 6 ． 于不凡 ， 王佑安． 矿井瓦斯灾害防治及利用技术手册 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 0 ． L i n B a i q u a n， Wu H a ij i n ． I n t e g r a t i v e o u t b u r s t p r e v e n t i o n t e c h n i q u e o f h i g h p l s s u r e j e t o f a b r a s i v e d r i ll i n g s l o t t i n g [ A 3 ． T h e 6 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Mi n i n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y [ C] ． 2 0 0 9 2 7-3 4． 林柏泉 ， 吕有厂 ， 李宝玉 ， 等． 高压 磨料射 流割缝技术 及其在 防 突工程 中的应用 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 7， 3 2 9 9 5 9 9 6 3 ． Li n B a i q u a n， L a Yo u c h a n g， L i Ba o y u， e t a 1 ． Hi g h p r e s s u r e a b r a s i v e h y d r a u l i c c u t t ing s e a m t e c h n o l o gy a n d i t s a p p l i c a t i o n i n o u t b u rst s p r e v e n t i o n [ J ] ． J o u rna l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 7 ， 3 2 9 9 5 9 9 6 3 重 要 启 示 乜 雷电G也 G乜雷也 G 目前 ， 科技期刊 中基金项 目著录存在很 多问题 ， 出现 了编造、 剽窃基金项 目等学术不端行为。同时， 由于科 技论文中可列 出的基金项 目数量没有相关规定， 有些作者为 了项 目结题 ， 在论文中尽可能多地标注与论文无关 的基金项 目， 这是一种极其不负责任的行为。为 了弘扬健康、 向上的学术风气， 还科技期刊一片净 土， 煤炭学 报 编辑部针对本刊论文中的基金项 目著录进行如下规 定 1 ． 禁止 编造 、 剽 窃基金 项 目。 2 ． 禁止 出现 与论 文研 究 内容 不相 关 的基金 项 目。 3 ． 我刊不排斥、 不歧视无基金项 目资助 的论 文， 所有稿件一视 同仁。 4 ． 原则上每篇论文只允许标注 1 2个与本文研 究内容直接相关的基金项 目， 最多不超过 3个。 5 ． 对 于获得 多个基 金 项 目资 助 的论 文 ， 只标 注省 部 级及 以上 级 别的基 金 项 目。 6 ． 论文 中出现的所有基金项 目， 请作者务必提供 带编号的基金批文复印件或扫描件 。 对于基金项 目著录过程 中出现 学术道德 问题甚至违反相 关法律法规的 ， 视情节轻重， 我刊保 留将作者列入 黑名单并公开发表声明、 通报作者所在单位和通报相 关基金委员会的权利。本规定从 2 0 1 1年 2月份， 即2 0 1 1 年 煤炭 学报 第2期开始执行 ， 敬请 广大读者、 作者监督 。 本 刊编 辑部 2 0 1 1年 1月 j ] 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