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、煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實驗室,江蘇徐州(2210083、神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)羊場灣煤礦,銀川(750004摘要:近年來,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。本文介紹了國內(nèi)外比較常用的瓦斯流動理論和主要的本煤層瓦斯抽采技術(shù),通過瓦斯流動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。關(guān)鍵字:瓦斯流動;

2、本煤層;瓦斯抽放;現(xiàn)狀分析1 引言我國煤礦賦存條件復(fù)雜,瓦斯含量大、煤層透氣性低,不易在開采前抽放瓦斯1,尤其是近年來,隨著開采深度的不斷增加,原作為保護(hù)煤層開采的煤層逐漸向突出煤層過渡,可供選擇的保護(hù)層越來越少,而保護(hù)層開采過程中也存在保護(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。針對上述問題,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)。本文本文介紹了國內(nèi)外比較常用的瓦斯流動理論和主要瓦斯抽采技術(shù),通過瓦斯流動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題,在此基

3、礎(chǔ)上,總結(jié)提出便捷有效的防治對策措施,為本煤層瓦斯抽放提供必要的技術(shù)和經(jīng)驗,以確保煤層回采的安全生產(chǎn)。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 煤層瓦斯流動理論研究現(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)展形成的一門新興學(xué)科,其主要研究瓦斯在煤層這個多孔介質(zhì)內(nèi)運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。瓦斯流動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。國內(nèi)外學(xué)者對瓦斯流動理論進(jìn)行了深入研究,其研究成果主要是以下幾個方面: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)律來描述煤層內(nèi)的瓦斯運(yùn)動,開創(chuàng)性的研究了考慮瓦斯吸附性質(zhì)的瓦斯?jié)B流問題,開創(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理論一線性瓦斯?jié)B透理論,這一理論的提出對我國瓦斯流動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;通過試驗對達(dá)西定律進(jìn)行了各種修正,并給出了多種形式滲流計算公式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。我國楊其鑾和王佑安通過對煤屑

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)用到煤層瓦斯流動中,針對掘進(jìn)巷道瓦斯涌出提出了球向瓦斯擴(kuò)散運(yùn)動的數(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)動是包含滲流和擴(kuò)散的混合流動過程。隨著煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究的深入發(fā)展,國內(nèi)外越來越多的學(xué)者認(rèn)同這一觀點(diǎn)。在瓦斯流動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)。煤層瓦斯流動過程復(fù)雜,隨著研究的深入,大量實踐數(shù)據(jù)與瓦斯線性流動理論有一定的差異,分析其原因為:流量過大; 分子效應(yīng); 離子效應(yīng): 流體本身的非牛頓態(tài)勢。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 中涌出瓦斯的試驗導(dǎo)致了與實際觀測不相符合的結(jié)論11。日本學(xué)者根據(jù)大量實驗提出了非線性瓦斯流動基本定律冪定律。國內(nèi)外大量學(xué)者以非線性瓦斯流動理論為基礎(chǔ), 提出了非線性瓦斯流動的數(shù)學(xué)模型, 經(jīng)初步實測驗證表明, 非線性瓦斯流動模型更符合實際12-14。此外,地球物理場效應(yīng)的瓦斯流動理論認(rèn)為地應(yīng)力場、地溫場及地電場對瓦斯流動場也有重要影響,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)在以下三個方面: 通過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、危險性;降低煤層瓦斯含量, 從而降低開采過程中瓦斯涌出量, 進(jìn)而為生產(chǎn)提供一個很好的安全環(huán)境;可降低礦井瓦斯排放量, 減少對大氣環(huán)境的污染, 抽放的瓦斯作為資源使用,實現(xiàn)真正意義上的綠色開采。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,鉆場可設(shè)在底板巖石巷道或鄰近煤層巷道,向開采層打穿層鉆孔,經(jīng)過抽放后再進(jìn)入煤層進(jìn)行采掘,從而可以解決掘進(jìn)和采煤過程中的瓦斯問題。當(dāng)采用順層鉆孔布置方式時,則一般是利用提前開掘出的巷道,沿

8、煤層打順層鉆孔,經(jīng)過抽放后再進(jìn)行回采,以解決回采過程中瓦斯的涌出問題.。鉆孔法預(yù)抽本煤層瓦斯由于具有施工簡便、成本低和抽放瓦斯?jié)舛容^高等優(yōu)點(diǎn),在我國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)抽時間不足的條件下,解決開采煤層采掘過程中瓦斯涌出問題的一種有效抽放方法。實質(zhì)上,主要是利用采掘過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壓形成的頂板裂隙通道來抽放工作面煤壁以及上隅角的瓦斯。采動應(yīng)力場中形成的裂隙空間成為瓦斯流動通道,使得高位鉆孔能抽出瓦斯,并且大大超過本煤層鉆孔的瓦斯抽

9、放量。根據(jù)抽放經(jīng)驗,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,鉆孔布置在這個位置抽放流量大,效果好。隨著采掘深度的增加,我國面臨煤層透氣性低,抽放效率低下的難題,自20世紀(jì)70年代以來對低透氣性高瓦斯煤層進(jìn)行了多種抽采技術(shù)的探索試驗研究17-20,從三個方面增加煤層透氣性:一是通過煤層卸壓增加其透氣性,使瓦斯流動的通道順暢;二是改變瓦斯流動模式;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 存在的問題及分析在一定的

10、簡化假設(shè)下,每種煤層瓦斯流動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。瓦斯流動規(guī)律對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)瓦斯流動是一個非常復(fù)雜的過程,目前國內(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機(jī)理。因此煤層瓦斯流動理論有待繼續(xù)深入研究。本煤層瓦斯抽放作為綜合治理瓦斯技術(shù)體系的一個重要環(huán)節(jié),根據(jù)瓦斯流動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。隨著開采深度的不斷增加,原作為保護(hù)煤層開采的煤層逐漸向突出煤層過渡,可供選擇的保護(hù)層越來越少,而保護(hù)層開采過程中也存在保護(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95%以上的高瓦斯礦井和突出礦井開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)展離不開瓦斯抽放設(shè)備的完善,抽放設(shè)備相對落后,打鉆過程中抱鉆、夾鉆、成孔率低等問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煤層透氣性低,抽放效果差的問題,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)。對于單一煤層而言,則只有在煤層本身內(nèi)部采取措施,張開原有煤層裂隙,造成新裂隙及局部卸壓條件,才能改善煤層內(nèi)部瓦斯流動狀況?！般@割抽”三位一體強(qiáng)化瓦斯抽放是在回采煤層兩巷對透氣性系數(shù)低、原始瓦斯含量大、有突出危險的煤層進(jìn)行深孔水力割縫。即,在煤層中先打一個鉆孔,然后在退鉆過程中利用高壓磨料水射流對鉆孔二側(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,縫槽周圍的煤體向縫槽空間移動,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圍煤體發(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,這為瓦斯流動提供了良好通道。觀測煤樣的應(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方向發(fā)生變化,形成了徑向流動。隨著時間的延長,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,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)的危險性。淺孔抽放條件下煤體瓦斯等氣體的運(yùn)動特征如圖4-3。 圖4-3 淺孔抽放過程中煤層內(nèi)氣體云移特征

17、1-瓦斯流動方向;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。本文通過對瓦斯流動理論研究現(xiàn)狀和具體的實踐工程應(yīng)用現(xiàn)狀相結(jié)合,指出了本煤層瓦斯抽放途徑技術(shù)中存在的問題,并對存在的問題進(jìn)行分析歸納,對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國內(nèi)有關(guān)學(xué)者對煤層瓦斯流動理論進(jìn)行了詳細(xì)的研究,建立了瓦斯在實際煤層中流動的數(shù)學(xué)物理模型,提