1、专题部分浅谈瓦斯的抽放 摘 要 本文系统总结评述了近年来煤矿瓦斯治理和抽放理论及其应用的诸多成果和最新进展，指出覆岩采动裂隙的分布形态及其中瓦斯运移规律是今后的研究重点，也是实现煤与瓦斯安全共采的理论基础。基于此，结合相似材料模拟实验和ANSYS数值模拟，分析煤层开采后上覆岩体裂隙产生发展的时空规律和分布形态以及充分卸压范围与特征，验证了采动覆岩中的穿层破断裂隙和层而离层裂隙贯通后，其空间分布形状是一个动态变化的采动裂隙椭抛带，简称椭抛带（PPZ），并进一步研究了其基本特征。应用煤岩瓦斯耦合理论、采动岩体力学以及传质学原理等推导了瓦斯在采动裂隙带中流动的数学模型，并由此初步得到其中瓦斯运移的基
2、本规律，得出椭抛带为卸压瓦斯流动及储集提供了通道和空间，是瓦斯的运移和聚集带，对于合理的布置瓦斯抽放系统提供了理论依据。通过阳泉新景矿的现场应用，分析了抽放来自本煤层、邻近煤岩层及采空区中瓦斯的抽放系统布置，得到将抽放巷道口（或钻孔终点）置于覆岩采动裂隙带，可提高瓦斯抽放率、瓦斯抽放浓度，获得良好的抽放效果。关键词：采动裂隙椭抛带；瓦斯运移规律；煤与瓦斯安全共采1 绪论1.1课题研究的背景到目前为止，瓦斯灾害依然是我国煤矿伤亡、损失最大以及发生最频繁的重大恶性事故，严重威胁着矿井的安全生产，并给煤矿企业带来沉重的经济负担，迫使许多高瓦斯突出矿井长期处于亏损经营状态，有的甚至破产。据统计，原国有
3、重点煤矿576处矿井中，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井有277处，占48%以上。在1976年我国煤矿瓦斯事故死亡人数比例占20.2%，而到了2000年，煤矿的瓦斯事故死亡人数的比例却上到54%,仅当年全国共发生特大瓦斯事故69起，死亡1326人，分别占当年煤矿特大事故总起数和死亡总人数的92%和94. 4% 。煤层瓦斯还是造成温室效应、破坏臭氧层等大气环境污染之源，其温室效应是同质量二氧化碳的20-60倍，对大气臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍。尤其是近年来，随着煤炭开采深度的增加，采掘机械化程度的提高，矿井瓦斯排放量也在急剧增大，相应的在排放过程中消耗的人力、财力也迅速增加。据估计，我国每年不
4、经过任何处理直排大气的瓦斯约为7.71010 m3，占世界煤矿瓦斯排放量的32. 5%，造成严重的大气污染。同时，瓦斯又是一种经济的可燃气体，是高热、洁净、方便的能源，具有其它能源无法比拟的无污染、无油污等多种优点。按瓦斯的热值（约为 3. 35 3. 77105 J/m3）计算，1000 m3瓦斯约相当于4 t原煤所产生的热量。另外，瓦斯除用做民用燃料之外，还可作为化土原料生产氨气和化肥等。因此，瓦斯集利与害于一身，是煤矿特有的宝贵资源，应该作为煤矿的第二能源加以积极的开发和利用。国内外大量的实践证明，如能实现煤与瓦斯两种资源的有效、安全共采，不但可以大大地降低矿井瓦斯排放量、有效防治瓦斯灾
5、害，从而保障煤炭的安全回采，而目还可作为清洁能源加以利用，使其变害为宝，减少将其排放于大气所造成的环境污染，并为社会提供更多的就业机会，从而实现矿井安全生产、新能源供应和环境保护三重效应，获得显著的经济和社会效益。我国是世界上煤层瓦斯（煤层气）资源储量巨大的国家之一。据中联煤层气有限责任公司与煤炭科学研究总院西安分院最新一轮的全国煤层气资源预测（2000年），在300-2000 m范围内储藏着3. 1461013 m3的瓦斯资源，约占世界的13%，与我国常规天然气的资源量相当，极具开采利用价值。然而，以往我国大部分煤矿开采中，只将其作为有害气体加以控制和排放。虽然，近年来我国在开采煤层气方而的
6、研究和开发力度有所提高，但与美国勘探利用煤层瓦斯资源（其年产量占天然气总产量的5%，相当于我国天然气的年总产量）相比，我国日产气量超过1000 m3的气井数目不多，且产气量不甚稳定，主要原因是我国煤层瓦斯赋存明显地存在着“两高三低”的特征以及与之相应的瓦斯储运理论和开采技术尚未有重大突破。因此，必须在吸收美国开发煤层瓦斯成功经验的基础上，研究适合我国煤层瓦斯的储运理论和开采技术。1.2煤矿瓦斯抽放机理的国内外研究现状瓦斯在煤层及采动裂隙岩体中的运移和聚积规律，是煤矿瓦斯防治和抽放技术发展的基础，而这项研究涉及渗流力学、岩石力学、采矿及安全工程学等多学科，但关键却在于力学学科的渗流理论。自194
7、7年前苏联学者P. M.克里切夫斯基将渗透理论用于描述煤层内瓦斯运移过程，得出了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流规律，为煤岩瓦斯渗流理论的发展奠定了基础，到现在，煤岩瓦斯耦合作用理论已经发展了近60年。目前，在国内外指导煤矿瓦斯防治和抽放瓦斯机理的数学模型主要集中在煤层瓦斯渗流规律、煤层瓦斯扩散理论、煤层瓦斯渗流一扩散规律以及多物理场、多相煤岩瓦斯祸合规律、煤层卸压瓦斯越流理论和采动裂隙带瓦斯运移规律等方而的研究。1.3目前瓦斯抽放理论存在的问题及发展方向从以上的文献综述来看，尽管当前瓦斯在煤岩体中的运移理论从煤层瓦斯渗流规律、煤层瓦斯扩散理论、煤层瓦斯渗流扩散规律、多物理场、多相煤岩瓦斯耦合规律以
8、及煤层卸压瓦斯越流规律到采动裂隙带瓦斯运移规律的研究，在一定的简化假设下，其发展已经形成较严密的理论体系，并在煤矿安全生产中起到了一定的作用。但由于瓦斯在煤岩体中的运移规律是一个非常复杂的过程，受多种因素影响，各种理论有其一定的适用条件，且大部分的研究是集中于煤岩体在应力峰前区的瓦斯运移规律，并未涉及煤矿瓦斯治理和开采的本质。不论是高地应力软煤层，还是煤岩层破坏后或煤岩体在应力峰后区的流体渗流与煤岩体变形的耦合规律，其渗流骨架的固体力学描述还没有完备。因此，今后煤矿瓦斯治理和抽放理论的发展方向应着眼于峰后煤岩体的渗流本构关系，采动岩体中的裂隙分布与演化规律，进而研究瓦斯在其中的运移规律。对于采
9、动裂隙带的瓦斯运移规律，目前只局限于瓦斯的升浮一扩散、瓦斯动力弥散等方而的研究，而并未考虑瓦斯压力对于煤岩体骨架的影响，以及煤岩体变形对于瓦斯压力和瓦斯浓度分布规律影响方而的研究，即并未将瓦斯渗流场、瓦斯浓度场以及煤岩体裂隙场分布特征三者结合起来研究瓦斯在采动裂隙带的运移规律。而大量现场实践证明，采动裂隙带瓦斯的运移规律是相当复杂的，既有瓦斯弥散、瓦斯升浮、瓦斯扩散，也包括瓦斯越流及与煤岩体骨架相互作用的影响，考虑这些因素共同作用下的瓦斯运移规律是今后瓦斯抽放理论的研究重点，也是实现煤与瓦斯安全共采的理论基础。2 采动裂隙带中瓦斯的运移特征从相似模拟实验研究中得出:煤层综放开采后，上覆岩层层面
10、离层裂隙和穿层破断裂隙相互贯通后，形成动态变化的采动裂隙椭抛带分布，其为本煤层或邻近煤岩层中的卸压瓦斯流动和储集提供了通道和空间。而采动裂隙带中瓦斯的运移规律十分复杂，在这一章中，从多场耦合的角度建立采动裂隙带固气耦合数学模型，并由此分析瓦斯在其内的运移聚集特征，从而为在其中进行瓦斯抽放提供理论依据。2.1采动裂隙带抽放瓦斯多场耦合分析2.1.1采动裂隙带中瓦斯对安全生产的危害综放工艺之所以在富含瓦斯特厚煤层的推广应用中遇到困难，在很大程度上是因为综放面的瓦斯超限及由此引起的一系列安全问题。而要解决这些问题，则必须对综放开采所形成的采动裂隙带进行瓦斯抽放，主要原因有以下几个方而：（1）众所周知
11、，采空区内空气的压力一般在1个大气压左右，而邻近层煤层若未进行抽放或未受采动影响，其原始瓦斯压力可能高达十几个大气压甚至几十或近百个大气压，一旦采动裂隙带形成后，其与工作面的裂隙连通，则向工作面的瓦斯涌出是势不可挡，使采动裂隙带充满高浓度瓦斯，成为“瓦斯库”，一旦老顶周期来压，势必造成其内的瓦斯大量涌入回采工作面。（2）为保证工作面安全正常生产，必须向工作面供给足够的新鲜空气，冲淡并排除有害气体和矿尘，创造适宜的气候条件。而在工作面通风过程中，因漏风影响，部分风流就会从采空区冒落带流向回风侧。而采动裂隙带中的瓦斯通过煤岩层的裂隙进入采空区与风流相混合，并在风流作用下向工作面回风侧方向运动。因采
12、空区气体流动的影响，使采空区的瓦斯运移到工作面，从而造成工作面（特别是上隅角）的瓦斯积聚甚至超限。 （3）地面大气压的变化，也会引起采空区的瓦斯涌入综放面，由状态方程可知 .（2-1）采空区温度（T）在昼夜之间的变化不大，而大气压（P）的变化可达几百甚至上千个帕，则导致采空区内气体体积的变化，形成采空区所谓的“呼吸”现象，当为“呼”的过程时，便把采动裂隙带的高浓度瓦斯带入工作面。 综上所述，采动裂隙带瓦斯影响安全生产的主要表现形式为：一是造成回采工作面隅角的瓦斯超限；二是造成工作面回风流中瓦斯超限；第三甚至造成分区总回风巷瓦斯超限。由于工作面的瓦斯浓度过大（甚至瓦斯超限），一是引起工人窒息，二
13、是容易起火，甚至引起瓦斯爆炸，使工人的生命以及矿井的财产受到威胁，从而不能保证正常的煤炭生产。因此，对于采动裂隙带中的瓦斯必须进行抽放，以保证煤矿的安全生产。然而，为尽量的抽出高浓度瓦斯，而又不致于造成工作面的大量漏风，则需要深入研究抽放巷道或抽放钻孔的布置位置（抽放参数）。所以，研究采动裂隙带中瓦斯运移规律，对于工作面安全生产、矿井瓦斯抽放系统的合理布置具有特别重要的意义，木章将对其进行初步的探讨。2.1.2瓦斯在采动裂隙带运移规律 煤层未开采前，原始的煤层、围岩与瓦斯流体组成的系统处于平衡状态。煤层采动后，随工作面的向前推进，采空区覆岩层而离层裂隙和穿层破断裂隙相互贯通后，会形成动态变化的
14、采动裂隙椭抛带分布。由于采场不可避免的存在漏风，以及上、下风巷压差等的驱动，椭抛带孔隙一裂隙介质空间将充满流动气体（瓦斯或瓦斯一空气混合气体）。 当在采动裂隙带中布置瓦斯抽放系统（如抽放巷道或抽放钻孔等）后，其中的高浓度瓦斯可直接从钻孔或巷道中抽出。一方而，在采动裂隙带中，由于遗煤和邻近含瓦斯煤岩层中瓦斯的大量涌出，使混气中的瓦斯浓度分布发生改变，影响到混气的密度及粘度。反过来，气体密度及粘度变化又改变气体的流动速度，从而导致混气中的瓦斯浓度发生改变，也就是瓦斯浓度的分布与混合气体的流动相互影响、相互作用，即渗流场与浓度场的耦合作用。 另一方而，煤岩层下沉、断裂和运动时所形成的采动裂隙以及原有
15、孔隙、裂隙为气体的运移提供了通道和空间，其中的气体流动对煤岩体产生孔隙压力的力学作用，从而改变了气体原来的流动状况和赋存状态。同时，随着开采工作面的推移，采动裂隙带是动态变化的，其中的煤岩体变形，导致空隙度的变化，从而使煤岩体的透气性发生改变，于是气体在孔隙、裂隙的流动状况以及孔隙压力也将受到改变。 综上所述，采动裂隙带中气体运移与煤岩体变形之间存在着复杂的相互作用。它是渗流场、浓度场和变形场之间耦合的一个动态平衡体系，其相互影响作用如图2.1所示。图2-1采动裂隙椭抛带动态平衡体 研究采动裂隙带煤岩与瓦斯的固气耦合规律涉及采动岩体力学、渗流力学、采矿及安全土程学等多学科，是一个复杂的问题，本
16、文基于一定的假设，在受周世宁院士、李树刚、赵阳升、章梦涛、梁冰、刘建军、孙培德等专家教授的研究成果启发并在其基础之上，运用矿山采动岩体力学、弹塑性力学、多孔介质力学、渗流力学以及传质学原理，推导出采动裂隙带固气祸合的数学模型，进而山此初步得出采动裂隙带瓦斯的运移规律。2.2采动裂隙等效岩体的概念2.2.1采动裂隙等效岩体的引入 煤层开采后，上覆岩层所形成的采动裂隙带所包含的煤岩体的力学性能、参数等都已发生重大变化，其裂隙充分发育，渗透率大大提高，连续性从微观角度来讲已不在成立，但由于采动裂隙带岩体的破断结构和堆积方式的随机性，为了方便的描述问题，在本质上不影响其中气体运移规律的前提下，从宏观上来看，仍可将其视为各向同性的连续介质，将裂隙用等效孔隙介质来代替。因此，本章从宏观的角度，引入采动裂隙等效
