1、专题部分 低透气性高瓦斯煤层巷道边抽边掘抽放瓦斯技术研究摘要： 本文针对我国复杂地质构造下极松软、低透气性高瓦斯煤层，在巷道掘进施工中采用通风方法，或者采用目前先进的煤巷掘进施工技术无法解决巷道风流中的瓦斯浓度超限问题和消除煤与瓦斯突出灾害这一重大技术难题，进行了复杂条件下低透气性高瓦斯煤层边抽边掘抽放瓦斯技术研究。应用含瓦斯煤体一一气固藕合原理，研究分析了掘进头周围煤(岩)体内的静态应力场、蠕变状态及受掘进动压和支承压力的作用煤体渗选率的变化规律。根据多孔介质渗透理论，导出了常、变透气性煤层巷道边抽边掘抽放钻孔周围瓦斯流动场方程，编写了计葬机程序，对抽放钻孔周围瓦斯流动场进行了数值模拟计算。
2、找出了复杂地质构造下极松软、低透气高瓦斯谋层巷道振进过程中抽放钻孔周围煤体瓦斯流动规律、抽放半径、抽放时间、抽放负压与抽放量的关系。并在淮南矿区进行了工业性试验，确定了边抽边掘抽放瓦斯钻孔的合理布置参数和最佳位置，以及瓦斯抽放量与抽放动力和钻孔数量的关系，现场试验获得成功。时解决复杂地质构造下极松软、低透气性高瓦斯煤层，在巷道掘进施工中瓦斯突出灾害防治有一定使用价值.关键词: 低透气性，高瓦斯煤层，煤巷掘进，边抽边掘，瓦斯1.课题的提出煤矿开采过程中，经常遇到各种瓦斯突出现象。这些现象的出现给采掘工作面的生产带来了很大的困难和危险。它的发生将严重影响矿并的安全生产，并可能导致矿井瓦斯爆炸事故的
3、发生。突出煤层石门揭煤是矿井生产中可能发生煤与瓦斯突出强度最大、突出危险性最高的矿井动力现象。当突出发生时，煤体所含的瓦斯突然地连续地抛向巷道空间，造成煤流埋人、推倒支架和设备的事故;当抛出的瓦斯气体如果遇到火源，又会形成瓦斯爆炸，摧毁整个工作面甚至整个矿井。在治理瓦斯灾害的斗争中，人们一直进行着不懈的努力，主要从两方面着手研究，其一是研究煤与瓦斯突出机理，掌握突出发生的规律，以指导煤矿生产实践。但由于煤与瓦斯突出是一种的动力现象，突出过程变化复杂，至今尚无理论直接导出突出预测方法或防治方法用于煤矿现场。其二研究现场使用的瓦斯突出预测方法和防治方法。通过瓦斯抽放，可降低矿井瓦斯涌出量和回采空间
4、中的瓦斯体积分数，从而达到矿井安全生产的目的。通过瓦斯抽放，可降低煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量，防治煤与瓦斯突出，从而减少矿井伤亡事故以及其它重大恶性事故的发生。矿井瓦斯是一种优质燃料，具有商业利用价值。通过瓦斯抽放和瓦斯利用，可减少瓦斯对大气的污染，据有关资料研究表明，cH4对臭氧层的破坏比c02高16倍。因此，瓦斯抽放对环境的保护具有至关重要的作用。由于煤矿瓦斯抽放的积极作用，世界各主要产煤国均投入了大量的人力、物力和财力开发矿井瓦斯抽放工作，并得到了迅速发展。然而，我国大多数矿井瓦斯抽放还比较小，抽放效果也不够理想，因此抽放水平有待进一步提高。所以，防治煤与瓦斯突出，特别是瓦斯的抽放与治理
5、是长期而艰巨的研究论文。2.国内外瓦斯灾害治理的研究历史及成果.2.1瓦斯抽放研究成果及现状我国矿井瓦斯抽放工作经过40多年的发展，目前在科研和生产实践中已经建立了一套适应各种不同地质条件和采掘布置的抽放瓦斯方法，并有成套的装备可供应用。根据对全国110个抽放矿井的调查，抽放开采层瓦斯的有58对矿井，抽放量占4.8%;抽放邻近层瓦斯的有44对矿井，抽放量占52.8%。其余为抽放采空区及围岩的瓦斯，抽放量占4.8%，至1994年，全国实际进行瓦斯抽放的工作面有622.2个，平均抽出瓦斯浓度为36.6%,平均采区实际抽放率为32.75%，平均矿井实际抽放率为21.11%，平均吨煤抽放钻孔数为0.0
6、3182个，全国矿井实际钻孔总进尺为1266132m。此外，在基础理论方面也开展了许多研究，得出了一些理性认识，故而发展前景是好的。瓦斯抽放工作优劣的两个主要指标是抽放率和相对瓦斯抽放量(吨煤瓦斯抽放量)。一般认为，这两个指标可以反映出各抽放瓦斯国家的瓦斯抽放技术水平和抽放瓦斯在煤矿中的普遍应用程度。国外有些国家瓦斯抽放技术现已达到了较高的水平，抽放瓦斯不仅在煤矿中得到较普遍的应用，而且取得了较好的效果.一般认为，他们的主要经验是，在抽放瓦斯矿井中，尽可能地设法多抽出瓦斯，不断扩大抽放瓦斯的范围，包括本煤层抽放、采空区抽放、围岩抽放等;同时在提高煤层透气性上加强研究，研制并利用先进的钻机具，不
7、断改进和提高抽放工艺、系统及设备。尤其是在全矿井或高瓦斯煤层的高产工作面都采用了综合抽放瓦斯的方法，这也是当今瓦斯抽放的发展趋势。我国煤矿瓦斯抽放工作虽然己得到很大发展，但是由于认识、资金、生产的影响，还存在很多问题，集中反映在:抽放瓦斯总量少;矿井瓦斯抽放率低;吨煤瓦斯抽放量. (相对瓦斯抽放量)少，吨煤钻孔量少;综合抽放工作不足，装备和管理水平有待加强和提高。煤层的透气性差。改善特厚低透气性煤层透气性，提高矿井瓦斯抽放率是瓦斯抽放工作中值得深入研究和急待解决的问题。合理选择抽放方法、改进抽放巷道布置、优化抽放参数、提高封孔质量、扩大抽放范围等技术对策是提高瓦斯抽放率的几种有效途径。2.2国
8、内外在瓦斯灾害防治方面的研究成果及现状矿山安全事故严重制约着矿业的发展。世界各采矿国家都设有矿山安全研究机构，结合本国的地质开采条件和各种灾害源的严重程度，对矿山各类灾害的发生原因、预测方法和防治技术等进行了广泛深入的研究。为防止矿井重大瓦斯煤尘爆炸事故的发生，世界各国主要从以下三方面着手:一是采用高新技术监测和预测灾害危险源，以便及时采取有效措施控制灾害的发生，做到以防为主;二是最大限度地抽出煤岩体内的瓦斯，减少矿井瓦斯涌出量;采取煤层注水、通风雾化除尘等措施，减少煤尘的产生;采用合理的通风技术，实现风流的有效控制，防止瓦斯积聚和高浓度粉尘云的形成;加强火源管理与控制，采取有效的隔抑爆措施，
9、控制灾害的破坏规模。三是建立快速的救援技术体系，一旦发生瓦斯煤尘爆炸事故，采取各种有效措施控制灾害进一步扩大，并实现快速抢险救灾，将人员伤亡降到最少。瓦斯煤尘灾害(包括瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出等)防治一直是国内外煤矿安全科技领域研究的重点。通过几个五年计划的研究，我国己初步建立了一套瓦斯煤尘重大灾害防治的技术体系。在瓦斯灾害预测预警方面，对瓦斯、煤尘单存状态的爆炸机理进行了深入研究，并全面推广应用了钻孔法预测采掘工作面前方煤与瓦斯突出危险性技术、瓦斯地质统计法预测煤与瓦斯突出危险区域技术，对电磁辐射、AE声发射等非接触式采掘工作面前方煤与瓦斯突出危险性预测技术以及无线电透视法预测煤与瓦斯突出
10、危险区域等技术也进行了初步研究，矿井安全检测仪表和监测系统已得到普遍推广应用。技术的发展趋势是通过对瓦斯、煤尘单存和共混状态爆炸机理的研究，非接触式采掘工作面前方煤与瓦斯突出危险性连续实时监测技术的研究，电磁波透视与反射法结合瓦斯地质统计法预测煤与瓦斯突出危险区域技术的研究:煤层瓦斯压力和含量分布规律的研究，瓦斯涌出趋势预测技术的研究，具有相关功能的检测仪表、传感器和实时监测控制系统的研究，并使之达到实用化程度，实现对矿井瓦斯灾害准确实时评价，以便及时采取有效措施预防瓦斯灾害的发生。在预防瓦斯灾害措施方面，抽放瓦斯和加强通风是两大技术主题。美国主要利用水平钻孔、采空区钻孔等对前进式工作面实行边
11、采边抽;澳大利亚悉尼煤田广泛利用井下水平钻孔、斜交钻孔和地面采空区钻孔抽取生产矿区的瓦斯;在打钻装备方面，美、澳、日研制出了能够钻进1000m以上的钻机具，美、澳等用孔底马达式的潜孔定向钻机，钻孔深度可达1800m.在提高瓦斯抽放效果方面，主要采用水力压裂、动力造穴、酸化处理等强化技术。我国煤矿瓦斯抽放技术水平与世界主要采煤国家接近，2000年瓦斯抽放量约达900Mm3。虽己位居世界前列，但矿井瓦斯抽放率与国外先进国家相比还偏低，其主要原因是我国煤层赋存条件的特殊性，使得大量单一低透气性松软煤层的瓦斯抽放效果较差。抽放这类煤层的瓦斯是世界性的难题。因此，研究提高煤层透气性技术、开发松软煤层强力
12、抽放瓦斯工艺技术和设备，根据合理采掘部署的调整、减少引发瓦斯灾害因素，提高瓦斯抽放效果是今后技术发展的重点和方向。在矿井安全监测技术方面，世界各主要产煤国家均建立了矿井安全监测系统。我国与国外的主要差距是传感器。日本研制的光干涉瓦斯传感器，性能稳定，精度高。德国研制的红外瓦斯传感器，可在0-100%CH4浓度范围内任意设定，稳定性好，瓦斯浓度在0- 4%绝对误差为0.06%),调校期达到6个月。俄罗斯已将低功耗、高精度、长寿命的瓦斯敏感元件用于矿并瓦斯监测。我国目前使用热催化元件的瓦斯传感器，性能参数都不太理想，绝对误差0.1%，调校期2-3周。在矿井通风方面，国外普遍重视通风系统的稳定性和可
13、控性，并根据全矿井监测系统提供的信息对通风系统进行评价，根据安全决策分析对风流系统进行控制。我国根据对18个重点国有矿务局中32对缺风矿井的调研结果表明，我国矿井通风系统都不同程度地存在着问题，尤其是矿井通风网络中的风流稳定性和可控性较差，抗灾能力弱，安全生产存在重大隐患。因此，加强通风技术研究的发展趋势是通过对矿井通风网络状态参数的监测，模拟在重点危险源发生瓦斯灾害导致矿井通风网络状态参数的变化趋势，分析评价矿井通风系统的稳定可靠性以及应采取的调控措施，实现对矿井通风系统的闭环监测、分析与控制，使通风系统始终保持在稳定可靠状态，提高通风系统的抗灾能力。总体上讲，发达国家对煤矿安全高度重视，在
14、科研和技术开发上投入大量经费。在煤矿瓦斯爆炸防范上，充分运用先进的信息管理手段和工程技术，确保及时发现事故端倪、及时控制事故扩展和蔓延，从而使财产损失和人员伤亡减少到最低程度;发达国家对煤矿重大危险源进行有效监控，基本杜绝了特(重)大恶性事故和群死群伤事故的发生。近些年，一些发展中国家大力加强了安全科技工作，技术水平已有较大提高。而我国在许多安全技术领域与发达国家、甚至与一些发展中国家相比己明显落后，且有差距逐渐加大的趋势。3.边抽边掘抽放瓦斯3.1边抽边掘抽放瓦斯的理论及方法边抽边掘抽放瓦斯效率，除了与煤层的透气性有关外，还与巷道周围的应力分布有很大关系.所谓静态应力是指掘进工作面静止的条件
15、下掘进头周围及巷道周围煤岩体内存在的应力场。只要工作面不向前延伸，巷道两壁不破坏，这种应力变化就很小，工作面周围及巷道周围的应力场一般都可以看作静态应力场，只有在工作面向前推进及发生煤与瓦斯突出时，才转变为动态应力场，并且突出时的动态应力场与平时的静态应力场有着一定的联系，研究突出时的动态应力场正是为研究动态应力场作准备。3.1.1已取得的研究成果关于静态应力场研究，以往已作了一些研究工作。中国矿业大学研究的成果是把掘进工作面把看作球对称体，取掘进头的半径R,=2m，无限远处作用在煤(岩)体骨架上的应力为14.7M Pa.瓦斯压力P=0，然后根据表3-1的岩性条件导出了周围含瓦斯煤(岩)体多孔
16、介质中的静态应力场分布如图3-1所示。从图中可以看出，对于每一种岩石条件，在掘进头前方，破坏带中的应力由浅入深是逐步增加的，到破裂带的边缘处，球向应力大于原始应力并达到最大值。因此在破裂带边缘，逐渐接近原始应力，而径向应力则继续增加，也逐渐接近原始应力。如果掘进头按原始断面向前推进，推进过程中的应力分布比较复杂，但稳定以后的应力分布将仍然与图3-1一样据中国矿大研究成果在相同的地应力及巷道几何条件下，掘进头前方的破裂带半径，取决于岩性条件。岩石越坚硬，破裂半径越小。即砂岩的破裂半径最小，硬煤次之，软煤破裂半径最大。相应破裂带边缘上的球向应力集中系数是砂岩最大，硬煤次之，而软煤最小。3.1.2煤巷周围煤体(岩)内的静态应力分布煤层巷道在煤层的层位关系。通常有四种情况，一是巷道两帮是煤层，顶、底板是岩层;二是两帮和顶板是煤层，底板是岩层;三是两帮和底板是煤层，顶板是岩层;四是巷道两帮是煤层、顶、底板均是煤层。淮南矿区C,3-:采用分层开采时其巷道的布置
