本煤層瓦斯抽放技術(shù)途徑及分析-

1、本煤層瓦斯抽放技術(shù)途徑及分析孟凡偉1,2,張敬瑤1,2,張海濱1,2,景巨棟31、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 (2211162、煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州(2210083、神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)羊場(chǎng)灣煤礦,銀川(750004摘要:近年來(lái),隨著礦井生產(chǎn)機(jī)械化水平和生產(chǎn)集約化的提高,已有的瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)及裝備已經(jīng)不能有效的控制煤層瓦斯異常涌出。本文介紹了國(guó)內(nèi)外比較常用的瓦斯流動(dòng)理論和主要的本煤層瓦斯抽采技術(shù),通過(guò)瓦斯流動(dòng)理論和主要瓦斯抽采技術(shù)相結(jié)合,分析了本煤層瓦斯抽采技術(shù)途徑存在的問(wèn)題,在此基礎(chǔ)之上進(jìn)一步提出解決方法及途徑,為煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)提供了指導(dǎo)意見(jiàn)。關(guān)鍵字:瓦斯流動(dòng);

2、本煤層;瓦斯抽放;現(xiàn)狀分析1 引言我國(guó)煤礦賦存條件復(fù)雜,瓦斯含量大、煤層透氣性低,不易在開(kāi)采前抽放瓦斯1,尤其是近年來(lái),隨著開(kāi)采深度的不斷增加,原作為保護(hù)煤層開(kāi)采的煤層逐漸向突出煤層過(guò)渡,可供選擇的保護(hù)層越來(lái)越少,而保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中也存在保護(hù)不到的區(qū)域,已有的瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)及裝備已經(jīng)不能有效的預(yù)防瓦斯事故。針對(duì)上述問(wèn)題,本煤層瓦斯預(yù)抽的瓦斯治理方法得到了更廣泛的應(yīng)用,強(qiáng)化本煤層瓦斯抽放,減少煤層中的瓦斯含量和回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?以確保礦井的安全生產(chǎn)。本文本文介紹了國(guó)內(nèi)外比較常用的瓦斯流動(dòng)理論和主要瓦斯抽采技術(shù),通過(guò)瓦斯流動(dòng)理論和主要瓦斯抽采技術(shù)相結(jié)合,分析和歸納本煤層瓦斯抽放存在的問(wèn)題,在此基

3、礎(chǔ)上,總結(jié)提出便捷有效的防治對(duì)策措施,為本煤層瓦斯抽放提供必要的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),以確保煤層回采的安全生產(chǎn)。2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 煤層瓦斯流動(dòng)理論研究現(xiàn)狀瓦斯?jié)B流力學(xué)就是由滲流力學(xué)、固體力學(xué)、采礦學(xué)科以及煤地質(zhì)學(xué)等學(xué)科相互滲透、交叉而發(fā)展形成的一門(mén)新興學(xué)科,其主要研究瓦斯在煤層這個(gè)多孔介質(zhì)內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。瓦斯流動(dòng)理論是瓦斯抽放的基礎(chǔ)及依據(jù),為煤層瓦斯抽放提供了指導(dǎo)意見(jiàn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瓦斯流動(dòng)理論進(jìn)行了深入研究,其研究成果主要是以下幾個(gè)方面:20世紀(jì)40年代,前蘇聯(lián)學(xué)者應(yīng)用達(dá)西定律線性滲透規(guī)律來(lái)描述煤層內(nèi)的瓦斯運(yùn)動(dòng),開(kāi)創(chuàng)性的研究了考慮瓦斯吸附性質(zhì)的瓦斯?jié)B流問(wèn)題,開(kāi)創(chuàng)了瓦斯?jié)B流力學(xué)。以周世寧院士為首

4、的一批學(xué)者在煤層瓦斯流動(dòng)理論方面做了一系列奠基性和創(chuàng)造性的研究工作,首先從滲流力學(xué)的角度出發(fā),認(rèn)為瓦斯的流動(dòng)基本上符合達(dá)西定律,把多孔介質(zhì)的煤層看成一種大尺度上均分布的虛擬連續(xù)介質(zhì),首次提出了瓦斯流動(dòng)理論一線性瓦斯?jié)B透理論,這一理論的提出對(duì)我國(guó)瓦斯流動(dòng)理論的研究具有極為深刻的影響,并建立了煤層瓦斯?jié)B流的物理數(shù)學(xué)模型23;研究了煤層瓦斯含量與煤層透氣性系數(shù)的測(cè)試方法,并與原蘇聯(lián)的方法相比較,求解了一維煤層瓦斯?jié)B流微分方程的解析解4-6;通過(guò)試驗(yàn)對(duì)達(dá)西定律進(jìn)行了各種修正,并給出了多種形式滲流計(jì)算公式7-9。線性瓦斯擴(kuò)散理論認(rèn)為煤屑內(nèi)瓦斯運(yùn)移基本符合線性擴(kuò)散定律菲克定律。我國(guó)楊其鑾和王佑安通過(guò)對(duì)煤屑

5、中瓦斯擴(kuò)散理論的研究,系統(tǒng)的建立了煤粒瓦斯擴(kuò)散的微分方程,并將他們的理論應(yīng)用到煤層瓦斯流動(dòng)中,針對(duì)掘進(jìn)巷道瓦斯涌出提出了球向瓦斯擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型10。瓦斯?jié)B透擴(kuò)散理論認(rèn)為煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)動(dòng)是包含滲流和擴(kuò)散的混合流動(dòng)過(guò)程。隨著煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究的深入發(fā)展,國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)同這一觀點(diǎn)。在瓦斯流動(dòng)的線性理論研究中逐漸形成了線性滲流理論、線性擴(kuò)散理論和線性滲流擴(kuò)散理論,在一定的假設(shè)條件下形成嚴(yán)密的理論體系,一定程度上為瓦斯抽放提供了理論基礎(chǔ)。煤層瓦斯流動(dòng)過(guò)程復(fù)雜,隨著研究的深入,大量實(shí)踐數(shù)據(jù)與瓦斯線性流動(dòng)理論有一定的差異,分析其原因?yàn)?流量過(guò)大; 分子效應(yīng); 離子效應(yīng): 流體本身的非牛頓態(tài)勢(shì)。著

6、名的流體力學(xué)家E.M. Allen 指出:將達(dá)西定律用于描述從均勻固體物(煤樣 中涌出瓦斯的試驗(yàn)導(dǎo)致了與實(shí)際觀測(cè)不相符合的結(jié)論11。日本學(xué)者根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)提出了非線性瓦斯流動(dòng)基本定律冪定律。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者以非線性瓦斯流動(dòng)理論為基礎(chǔ), 提出了非線性瓦斯流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型, 經(jīng)初步實(shí)測(cè)驗(yàn)證表明, 非線性瓦斯流動(dòng)模型更符合實(shí)際12-14。此外,地球物理場(chǎng)效應(yīng)的瓦斯流動(dòng)理論認(rèn)為地應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)及地電場(chǎng)對(duì)瓦斯流動(dòng)場(chǎng)也有重要影響,應(yīng)該考慮進(jìn)去,修正達(dá)西定律和冪定律15。2.2 本煤層瓦斯抽放技術(shù)途徑的研究現(xiàn)狀瓦斯抽放意義重大,主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面: 通過(guò)瓦斯抽放能夠降低煤層的瓦斯壓力, 從而降低煤層瓦斯突出的

7、危險(xiǎn)性;降低煤層瓦斯含量, 從而降低開(kāi)采過(guò)程中瓦斯涌出量, 進(jìn)而為生產(chǎn)提供一個(gè)很好的安全環(huán)境;可降低礦井瓦斯排放量, 減少對(duì)大氣環(huán)境的污染, 抽放的瓦斯作為資源使用,實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色開(kāi)采。本煤層瓦斯抽放主要是抽放本煤層的瓦斯,是瓦斯抽放的重要環(huán)節(jié)之一,較為常規(guī)的抽放技術(shù)有以下幾種。(1鉆孔法預(yù)抽本煤層瓦斯16鉆孔法預(yù)抽本煤層瓦斯主要有兩種布置方式,即穿層鉆孔布置方式和順層鉆孔布置方式。當(dāng)采用穿層鉆孔預(yù)抽時(shí),鉆場(chǎng)可設(shè)在底板巖石巷道或鄰近煤層巷道,向開(kāi)采層打穿層鉆孔,經(jīng)過(guò)抽放后再進(jìn)入煤層進(jìn)行采掘,從而可以解決掘進(jìn)和采煤過(guò)程中的瓦斯問(wèn)題。當(dāng)采用順層鉆孔布置方式時(shí),則一般是利用提前開(kāi)掘出的巷道,沿

8、煤層打順層鉆孔,經(jīng)過(guò)抽放后再進(jìn)行回采,以解決回采過(guò)程中瓦斯的涌出問(wèn)題.。鉆孔法預(yù)抽本煤層瓦斯由于具有施工簡(jiǎn)便、成本低和抽放瓦斯?jié)舛容^高等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)煤礦中得到了廣泛的應(yīng)用。(2邊采邊抽本煤層瓦斯這是在未經(jīng)預(yù)抽或預(yù)抽時(shí)間不足的條件下,解決開(kāi)采煤層采掘過(guò)程中瓦斯涌出問(wèn)題的一種有效抽放方法。實(shí)質(zhì)上,主要是利用采掘過(guò)程中造成的卸壓作用抽放煤層中的瓦斯,以降低回采或掘進(jìn)中涌入回風(fēng)流中的瓦斯量。(3高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)高位鉆孔瓦斯抽放主要是利用工作面回采動(dòng)壓形成的頂板裂隙通道來(lái)抽放工作面煤壁以及上隅角的瓦斯。采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)中形成的裂隙空間成為瓦斯流動(dòng)通道,使得高位鉆孔能抽出瓦斯,并且大大超過(guò)本煤層鉆孔的瓦斯抽

9、放量。根據(jù)抽放經(jīng)驗(yàn),冒落拱一般為34倍的采高,鉆孔合適的位置在冒落拱的頂部,鉆孔布置在這個(gè)位置抽放流量大,效果好。隨著采掘深度的增加,我國(guó)面臨煤層透氣性低,抽放效率低下的難題,自20世紀(jì)70年代以來(lái)對(duì)低透氣性高瓦斯煤層進(jìn)行了多種抽采技術(shù)的探索試驗(yàn)研究17-20,從三個(gè)方面增加煤層透氣性:一是通過(guò)煤層卸壓增加其透氣性,使瓦斯流動(dòng)的通道順暢;二是改變瓦斯流動(dòng)模式;三是降低煤的吸附能力,使游離瓦斯量增大。在此基礎(chǔ)之上,本煤層瓦斯強(qiáng)化抽放方法主要有大直徑密集鉆孔抽放、水力沖孔瓦斯抽放、水力壓裂煤層瓦斯抽放、控制預(yù)裂爆破瓦斯抽放、松動(dòng)爆破瓦斯抽放、高壓水力割縫強(qiáng)化瓦斯抽放等。3 存在的問(wèn)題及分析在一定的

10、簡(jiǎn)化假設(shè)下,每種煤層瓦斯流動(dòng)理論都已形成了一定的理論體系,并在煤礦安全生產(chǎn)中起到了一定的作用。瓦斯流動(dòng)規(guī)律對(duì)于改善煤層瓦斯透氣性和煤提高瓦斯抽放效率具有重要意義。但是,由于煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者尚未從本質(zhì)上研究透徹瓦斯在煤層中的流動(dòng)機(jī)理。因此煤層瓦斯流動(dòng)理論有待繼續(xù)深入研究。本煤層瓦斯抽放作為綜合治理瓦斯技術(shù)體系的一個(gè)重要環(huán)節(jié),根據(jù)瓦斯流動(dòng)理論采取了一些技術(shù)、方法,取得了很大進(jìn)展,有效的降低了煤層的瓦斯涌出量,一定程度上保證了煤礦的安全生產(chǎn)。如鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯、邊采邊抽本煤層瓦斯、高位鉆孔瓦斯抽放等。但是這些措施方法均存在一定得局限性,尤其是在低透氣性煤層中抽放效

11、率更加低下。隨著開(kāi)采深度的不斷增加,原作為保護(hù)煤層開(kāi)采的煤層逐漸向突出煤層過(guò)渡,可供選擇的保護(hù)層越來(lái)越少,而保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中也存在保護(hù)不到的區(qū)域,因此本煤層瓦斯預(yù)抽的瓦斯治理方法得到了更廣泛的應(yīng)用。我國(guó)95%以上的高瓦斯礦井和突出礦井開(kāi)采的煤層其滲透系數(shù)只有10-3-10-4mD21,本煤層抽放效率低,抽放效果差,難以有效的降低煤層瓦斯含量,已經(jīng)成為制約本煤層瓦斯抽放的關(guān)鍵。所以低透氣性高瓦斯煤層提高煤層透氣性,強(qiáng)化瓦斯抽放成為本煤層瓦斯抽放的一個(gè)重要研究方向。如大直徑密集鉆孔抽放、水力沖孔瓦斯抽放、水力壓裂煤層瓦斯抽放、高壓水力割縫強(qiáng)化瓦斯抽放等技術(shù)在卸壓增透上均取得了一定成效,但是工藝繁雜

12、、自身技術(shù)不夠完善、自適應(yīng)性差等原因使這些技術(shù)并沒(méi)有在煤礦生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用,煤層卸壓增透技術(shù)仍然需要繼續(xù)探索研究。本煤層瓦斯抽放技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)瓦斯抽放設(shè)備的完善,抽放設(shè)備相對(duì)落后,打鉆過(guò)程中抱鉆、夾鉆、成孔率低等問(wèn)題也是制約瓦斯抽放效果的因素。設(shè)備創(chuàng)新如研制功率大、打鉆效率高、使用壽命長(zhǎng)的新型鉆機(jī)及相應(yīng)鉆桿、鉆頭成為提高瓦斯抽放效率亟待解決的問(wèn)題,是適應(yīng)抽放瓦斯技術(shù)發(fā)展的需要。4 解決辦法及途徑針對(duì)煤層透氣性低,抽放效果差的問(wèn)題,提高煤層透氣性,強(qiáng)化瓦斯抽放成為本煤層瓦斯抽放的一個(gè)重要技術(shù)手段。1“鉆割抽”三位一體強(qiáng)化瓦斯抽放為了增大煤體的透氣性系數(shù),人為地采取措施在煤層中造成空隙,溝通及

13、擴(kuò)展煤層內(nèi)部的裂隙網(wǎng)。對(duì)于單一煤層而言,則只有在煤層本身內(nèi)部采取措施,張開(kāi)原有煤層裂隙,造成新裂隙及局部卸壓條件,才能改善煤層內(nèi)部瓦斯流動(dòng)狀況。“鉆割抽”三位一體強(qiáng)化瓦斯抽放是在回采煤層兩巷對(duì)透氣性系數(shù)低、原始瓦斯含量大、有突出危險(xiǎn)的煤層進(jìn)行深孔水力割縫。即,在煤層中先打一個(gè)鉆孔,然后在退鉆過(guò)程中利用高壓磨料水射流對(duì)鉆孔二側(cè)的煤體進(jìn)行切割,在鉆孔二側(cè)形成一條具有一定深度的扁平縫槽,利用水流將切割下來(lái)的煤體帶出孔外,連接抽放管路進(jìn)行瓦斯抽放。圖4-1為順層鉆割抽三位一體施工布孔示意圖。 圖4-1順層高壓磨料射流鉆割一體化布孔示意圖強(qiáng)化抽放原理:水力割縫措施形成縫槽后,首先增加了煤體暴露面積,且扁

14、平縫槽相當(dāng)于局部范圍內(nèi)開(kāi)采了一層極薄的保護(hù)層,達(dá)到層內(nèi)自我解放,給煤層內(nèi)部卸壓創(chuàng)造了良好的條件,其結(jié)果是造成了縫槽上下煤體的一定范圍的較充分卸壓,增大了煤層的透氣性能;其次,在地應(yīng)力的作用下,縫槽周?chē)拿后w向縫槽空間移動(dòng),在煤體中產(chǎn)生大量的拉伸裂隙和剪切裂隙,有效的提高了煤層的滲透性,宏觀的縫槽和大量的次生裂隙共同構(gòu)成了解析瓦斯的流動(dòng)路徑,因而更擴(kuò)大了縫槽卸壓、排瓦斯范圍。最后扁平縫槽空間使其周?chē)后w發(fā)生激烈的位移和膨脹,煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)得到一定程度緩和,使突出潛能的大量釋放,煤巖變硬,大大改變了突出煤層的物理機(jī)械性能。水力割縫技術(shù)既可以增大煤體透氣性、改變煤層的物理機(jī)械性能,又能夠

15、擴(kuò)大瓦斯排放范圍。在割縫完成后,連接抽放管路,煤層瓦斯抽放率大大提高,達(dá)到了強(qiáng)化抽放的效果。2工作面淺孔抽放治理瓦斯涌出1根據(jù)巖石力學(xué)研究成果,煤樣的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€如圖4-2所示。 圖4-2煤樣的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€根據(jù)煤樣的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€,從CD段開(kāi)始,試件內(nèi)部即產(chǎn)生大量裂隙并相互貫穿,這為瓦斯流動(dòng)提供了良好通道。觀測(cè)煤樣的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€,與其工作面前方煤體的應(yīng)力分布及其相似。由于采掘工作的影響,在工作面前方形成了卸壓區(qū)和應(yīng)力集中帶,在應(yīng)力集中帶內(nèi),最大應(yīng)力比原始應(yīng)力高1-2倍,造成煤體發(fā)生塑性破壞。由最大應(yīng)力點(diǎn)到煤壁的距離稱為塑性極限應(yīng)力帶,視工作面的具體情況不同在8-20m之間變化。在

16、塑性極限應(yīng)力帶,煤體破壞,發(fā)生擴(kuò)容膨脹現(xiàn)象,大量裂隙形成相互貫穿,給超前動(dòng)壓區(qū)抽放瓦斯創(chuàng)造了有利條件。在工作面附近施工抽放鉆孔,煤層瓦斯在抽放負(fù)壓的作用下,大量瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài),而且瓦斯也由采面深部向煤壁方向涌出,進(jìn)入采面。淺孔抽放在抽放系統(tǒng)負(fù)壓的作用下,鉆孔附近煤層瓦斯氣體流動(dòng)方向發(fā)生變化,形成了徑向流動(dòng)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),抽放半徑增大,當(dāng)抽放半徑作用到煤層頂板和相鄰抽放孔之間的區(qū)域時(shí),采面附近煤層完全處于抽放負(fù)壓作用下,隔斷控制了淺部煤體瓦斯,從而由抽放鉆孔排放,減少了采面生產(chǎn)的危險(xiǎn)性。淺孔抽放條件下煤體瓦斯等氣體的運(yùn)動(dòng)特征如圖4-3。 圖4-3 淺孔抽放過(guò)程中煤層內(nèi)氣體云移特征

17、1-瓦斯流動(dòng)方向;2-淺孔抽放鉆孔;3-機(jī)巷;4-風(fēng)巷;5-支架;6-采空區(qū)冒落矸石;7-控制閥;8-壓力表;9-抽采泵站此外,鉆孔抽放、大直徑密集鉆孔抽放、水力沖孔瓦斯抽放、水力壓裂煤層瓦斯抽放、高壓水力割縫強(qiáng)化瓦斯抽放等技術(shù)各有適用條件,可以在條件具備的條件下使用,實(shí)施多位一體的本煤層瓦斯抽放技術(shù)措施。5 結(jié)論隨著開(kāi)采深度的增加,本煤層瓦斯抽放技術(shù)將在煤礦瓦斯治理中占有更重要的地位。本文通過(guò)對(duì)瓦斯流動(dòng)理論研究現(xiàn)狀和具體的實(shí)踐工程應(yīng)用現(xiàn)狀相結(jié)合,指出了本煤層瓦斯抽放途徑技術(shù)中存在的問(wèn)題,并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析歸納,對(duì)本煤層瓦斯抽放技術(shù)途徑進(jìn)行較為深入的分析和探討,得出以下結(jié)論:1國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者對(duì)煤層瓦斯流動(dòng)理論進(jìn)行了詳細(xì)的研究,建立了瓦斯在實(shí)際煤層中流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型,提