煤礦瓦斯抽采新技術(shù)

成績中國礦業(yè)大學(xué)級士研究生課程考試試卷考試科目煤礦瓦斯抽采新技術(shù)考試時間學(xué)生姓名學(xué)號所在院系任課教師中國礦業(yè)大學(xué)研究生院培養(yǎng)管理處印制

高瓦斯低透氣性煤層增透技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述摘要：煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，隨著開采深度的增加，瓦斯已成為嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。由于我國煤系地層普遍屬于低滲透性煤層，與國外相比瓦斯抽采效果很不理想。因此，利用煤層增透技術(shù)，增大高瓦斯低透氣性煤層的透氣性，提高瓦斯抽采效率，已成為實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。本文通過查閱文獻資料，首先介紹了近年來國內(nèi)外諸多專家學(xué)者們關(guān)于煤層透氣性影響因素的研究成果。接著通過實例說明了國內(nèi)煤礦煤層瓦斯抽采存在的主要問題，并對問題進行分析。然后根據(jù)存在的問題著重介紹了目前國內(nèi)增加煤層透氣性的主要方法和技術(shù)手段，并列舉數(shù)據(jù)和相應(yīng)實例對各種增透技術(shù)的效果和優(yōu)缺點進行說明。最后，從理論和技術(shù)兩個方面對現(xiàn)階段煤層增透技術(shù)研究中可能存在的問題進行了探討，并總結(jié)了原因，并對將來的技術(shù)發(fā)展進行了展望。關(guān)鍵詞：高瓦斯低透氣性煤層；卸壓增透；研究現(xiàn)狀1前言煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，瓦斯災(zāi)害已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。而我國煤系地層普遍屬于低滲透性煤層，研究表明:我國煤層滲透率一般在(0.001～0.1)×10-3um2，國內(nèi)滲透率最大的撫順煤田也僅為(0.54～3.8)×10-3um2，其滲透性比美國低2～3個數(shù)量級，并且隨著煤層開采深度的增加，煤層透氣性隨之減小，致使煤層氣預(yù)抽難以實施，效果很差，從而嚴重影響了煤層瓦斯的抽采率和瓦斯抽采效果。因此，通過對高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透，提高抽采鉆孔的單孔有效影響范圍，已成為實現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2國內(nèi)外煤體透氣性的影響因素研究現(xiàn)狀2.1國外研究現(xiàn)狀1988年Mckee等通過對美國皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤層滲透率與埋藏深度關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，隨著煤層埋藏深度和有效應(yīng)力增加,煤層割理縫的寬度減小,滲透率呈指數(shù)降低。Harpalani和Mcpherson研究了應(yīng)力對美國中西部煤的氣體滲透率的影響，得出滲透率隨應(yīng)力呈指數(shù)下降。1997年Enever等通過對澳大利亞煤層滲透率與有效應(yīng)力的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，煤層滲透率變化值與地應(yīng)力的變化呈指數(shù)關(guān)系。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀1987年林柏泉、周世寧研究了在孔隙壓力一定的條件下，滲透率和圍壓力以及煤樣變形間的關(guān)系；得出在圍壓力不變的前提下，孔隙壓力和滲透率以及煤樣變形值間的關(guān)系基本北票臺吉一井3C4281.536上水城汪家寨811351.343上水城老鷹山813431.5125上漣邵蛇形山1上3中351.1593上六枝地宗礦137431.2346上天府磨心坡79230.555000上漣邵蛇形山1上4501.1596上天府磨心坡29800.7586上正是由于保護層開采增透效果明顯，我國《煤礦安全規(guī)程》第一百九十二條規(guī)定：“對于有突出危險煤層，應(yīng)采取開采保護層或預(yù)抽煤層瓦斯等區(qū)域性防治突出措施”。第一百九十三條規(guī)定：“在突出礦井開采煤層群時，應(yīng)優(yōu)先選擇開采保護層防治突出措施”。目前保護層開采在全國范圍已得到了廣泛的應(yīng)用。4.2煤層層內(nèi)增透技術(shù)煤層層內(nèi)增透可分為兩種：一是通過煤層卸壓增加煤層透氣性，使瓦斯流動通道順暢；二是降低煤的瓦斯吸附能力，使游離瓦斯量增大、瓦斯壓力相應(yīng)增高。4.2.1煤層層內(nèi)卸壓增透技術(shù)煤層層內(nèi)卸壓方法主要有大直徑密集鉆孔抽放、水力壓裂加支撐劑、水力沖孔、水力割縫、控制預(yù)裂爆破、松動爆破和高能氣體壓裂等。大直徑密集鉆孔抽放是通過向煤層施工大直徑密集穿層鉆孔取煤，造成煤體局部卸壓，增加煤體的透氣性。增大鉆孔直徑相應(yīng)增大了煤體的接觸面積，并導(dǎo)致鉆孔周圍煤體的卸壓圈增大，提高了單個鉆孔周圍煤體的透氣性。水力壓裂加支撐劑抽放：水力壓裂的基本原理是通過鉆孔將大量混入石英砂或其它支撐劑的高壓液體壓入油氣儲層，迫使儲層破裂形成垂直或平行層面的裂縫，使支撐劑充滿裂縫，以便在停止壓裂后支撐住裂隙。近20多年來，國內(nèi)外學(xué)者將石油工業(yè)的水力壓裂法應(yīng)用于本煤層的瓦斯抽放以及煤層氣的開采中，但由于煤層構(gòu)造復(fù)雜，煤質(zhì)松軟，常導(dǎo)致壓裂的方向不易控制或支撐劑容易嵌入煤體，而且壓裂液進入煤體后不易排除，很難較大范圍提高煤層的透氣性。另外，水力壓裂加支撐劑，在煤層壓裂裂縫周圍會形成一高應(yīng)力區(qū)，它的存在較大幅度低降低了裂縫周圍煤體的滲透性，即盡管形成了較好的滲流通道，但裂縫周圍反而形成一個屏障區(qū)，這也導(dǎo)致水力壓裂技術(shù)改造低滲透煤層效果不佳。水力沖孔瓦斯抽放方法是在鉆孔的基礎(chǔ)上，用水力沖刷鉆孔，以達到擴大鉆孔直徑和沖洗鉆孔壁煤粉的目的，使鉆孔壁有更好的滲透性，但增透效果有限，目前已很少應(yīng)用。水力割縫瓦斯抽放方法：20世紀80年代，鶴壁礦務(wù)局四礦、湖南紅衛(wèi)煤礦曾進行了水力割縫強化抽放技術(shù)的研究。研究結(jié)果證明該技術(shù)可以提高煤層的滲透性。趙嵐等在實驗室進行了水力割縫的試驗研究，結(jié)果表明水力割縫可以釋放煤層內(nèi)的部分有效體積應(yīng)力，應(yīng)力場重新分布，煤層內(nèi)的裂縫和裂隙的數(shù)量、長度和張開度得到增加，增大了煤層內(nèi)裂縫、裂隙和空隙的連通面積，從而增加了低滲透煤層的滲透性。近年林柏泉等人通過分析煤層巷道煤與瓦斯突出機理，提出了整體卸壓的理念，對傳統(tǒng)水力割縫進行了改進開發(fā)了高壓磨料射流割縫防突技術(shù)并且在煤層巷道掘進工作面進行了實際應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：該技術(shù)可用于具有突出或沖擊危險的煤層，可以使鉆孔之間相互溝通，造出縫隙，使煤體得到充分卸壓，煤體中的瓦斯得到排放，應(yīng)力得到解除，為掘進工作提供較為安全的工作環(huán)境。高壓磨料射流割縫技術(shù)具有割縫能力強、用水量相對較少、工藝簡單、操作方便等特點，可用于高瓦斯高應(yīng)力煤層巷道掘進工作面的快速卸壓、增透和排瓦斯工作，通過有效的割縫,能夠快速釋放煤體中的瓦斯和地應(yīng)力,掘進巷道的安全狀況得到明顯改善，還可以減少用于消突的瓦斯排放鉆孔的個數(shù)，提高勞動效率，降低勞動強度，具有明顯地經(jīng)濟效益和社會效益。深孔控制預(yù)裂爆破的實質(zhì)是在回采工作面的進、回風巷每隔一定距離，平行于采煤工作面打一定深孔和控制孔，二者交替布置。爆破孔裝藥段利用壓風裝藥器進行連續(xù)耦合裝藥。利用炸藥爆炸的能力、瓦斯壓力及控制孔的導(dǎo)向和補償作用使煤體產(chǎn)生新的裂隙，并使原生裂隙得以擴展，提高煤層的透氣性。平煤集團五礦己72228工作面試驗表明，深孔預(yù)裂爆破后，煤層透氣系數(shù)可增加6倍。松動爆破是在工作面前方的煤體中打3～5個深8ｍ以上的炮眼，裝藥爆破，使炮眼周圍的煤體在炸藥產(chǎn)生的爆壓作用下，產(chǎn)生破裂和松動，以形成破碎圈、松動圈和裂隙圈。深孔松動爆破技術(shù)不僅適用于煤巷掘進，也可用在回采工作面。60年代中期我國在漣邵、北票等礦開始試用，以后不斷推廣，迄今為止已有28對礦井應(yīng)用了這一措施，并且隨著突出礦井的增加還有繼續(xù)增加的趨勢。高能氣體壓裂技術(shù)是利用發(fā)射藥和推進劑在鉆孔中燃燒所產(chǎn)生的高溫高壓氣體對煤層實施脈沖加載。通過設(shè)計合理的裝藥結(jié)構(gòu)，控制峰值壓力和脈沖加載時間，可在鉆孔周圍形成長而多的裂縫，使其相互溝通，增加通透性。目前美國、俄國、法國等都進行了理論與實踐的研究，取得了成功。80年代末我國的高能氣體壓裂技術(shù)也取得了成功，現(xiàn)主要用于油田提高油氣產(chǎn)出率。煤層與油氣儲層有相似之處，把這項技術(shù)用于煤層瓦斯抽采是一項新的嘗試，可為提高瓦斯抽采率提供新途徑。4.2.2降低煤層瓦斯吸附能降低煤的瓦斯吸附能力是利用煤-瓦斯系統(tǒng)處于交變電磁場作用下，煤體溫度升高，瓦斯吸附量減少，瓦斯吸附能降低，煤層瓦斯壓力升高的效應(yīng)以提高瓦斯抽放效果。中國礦業(yè)大學(xué)通過試驗研究了施加交變電場條件下的煤體瓦斯?jié)B透特性，研究結(jié)果表明，煤體瓦斯?jié)B透率對電場有明顯的響應(yīng)。但這種方法目前處于實驗室研究階段，可能是一條有效途徑，有待于現(xiàn)場試驗論證。5結(jié)論低透氣性煤層層內(nèi)增透技術(shù)是人們公認的難題，經(jīng)過幾十年的研究探索，已取得了一定的成效。在理論研究方面，煤層內(nèi)卸壓增透技術(shù)的研究方法比較多地集中在基于數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值模擬的理論分析和現(xiàn)場應(yīng)用兩個方面，基于物理模擬條件下的層內(nèi)卸壓增透的系統(tǒng)性實驗研究相對較少。有必要建立專用的實驗平臺，發(fā)揮物理實驗系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)且不受現(xiàn)場影響等優(yōu)勢，通過建立物理模型，采用先進的數(shù)據(jù)測定手段及數(shù)據(jù)采集分析方法，對各種煤層卸壓增透技術(shù)，進行較為全面的系統(tǒng)性研究。在技術(shù)方面，層內(nèi)卸壓增透所采取的各種措施在局部起到了一定的效果，但尚未從根本上解決區(qū)域性整體卸壓增透的問題，達到大面積整體提高煤層瓦斯抽采率的目的。原因可歸納為以下幾點：一是煤層賦存條件復(fù)雜，增透效果差；二是增透工藝繁瑣，受現(xiàn)場條件限制；三是增透技術(shù)本身不完善；四是一些層內(nèi)增流技術(shù)的實施直接面對突出煤層，實施危險性大。我國高瓦斯低透氣性煤層分布廣、瓦斯抽采難，是眾多煤礦企業(yè)普遍存在的技術(shù)難題，提高煤層的透氣性，增強瓦斯抽采效果，是目前呈待解決的問題，隨著增透機理研究的深入、增透技術(shù)的發(fā)展，更為方便、適用的技術(shù)將會投入到實際生產(chǎn)中，為確保煤礦的安全高效生產(chǎn)提供保障。參考文獻[1]俞啟香．礦井瓦斯防治[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992．[2]于不凡．煤礦瓦斯防治技術(shù)[M]．北京：中國經(jīng)濟出版社，1987．[3]于不凡．煤與瓦斯突出機理[M]．北京:煤炭工業(yè)出版社，1985．[4]胡千庭，蔣時才，蘇文叔．我國煤礦瓦斯災(zāi)害防治對策[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2002，27(1):1-4．[5]林柏泉，周世寧．煤樣瓦斯?jié)B透率的實驗研究[J]．中國礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1987，1：21-28．[6]賈軍唐，培琴．三軸應(yīng)力對煤層滲透性的影響[J]．探礦工程，1994，1：43-47．[7]張廣洋，胡耀華，姜德義．煤的瓦斯?jié)B透性影響因素的探討[J]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