1、专题部分煤矿瓦斯抽采技术研究及应用摘 要：煤矿瓦斯事故是最严重的矿井自然灾害之一，它也是长期制约着我国乃至全世界煤矿安全生产工作的“瓶颈”。近年来，尽管国内外专家、学者对其防治工作进行了较为深入的研究和探索，并取得了很大的技术突破，但由于实际生产过程中影响煤矿瓦斯赋存、分布、涌出、运移和流动规律的因素较多(如煤吸附常数、煤层孔隙率、煤层瓦斯压力、煤层透气性系数、煤的变质程度、煤层厚度、煤层埋深、采动裂隙的大小、上覆基岩厚度和水文地质条件等)，想要准确得到矿井瓦斯的分布和运移规律、预测矿井瓦斯涌出量和定位合理有效的瓦斯抽采钻孔位置都存在一定难度。本文通过基础理论分析、建立数学模型，实验室模拟和现
2、场实际测定等手段:首先分析了矿井瓦斯地质赋存和分布特征、影响瓦斯涌出因素和煤层瓦斯受采动影响后的运移规律等方面问题。其次建立了具有连续性和动态特征的煤矿瓦斯涌出量分源预测数学模型，即综采工作面瓦斯涌出量预测模型、掘进工作面瓦斯涌出量预测模型。关键词:煤矿瓦斯;赋存运移规律;涌出量预测;相似模拟;抽采技术1 绪论1.1 引言瓦斯事故是最严重的矿井灾害之一。我国的煤矿瓦斯与煤尘爆炸事故、煤与瓦斯突出事故频繁发生，伤亡人数多，严重影响着煤矿的安全生产。目前，全国共有高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井约9000多处，占生产矿井总数的30%左右。建国50多年来，我国一次伤亡100人以上的特别重大事故共发生71
3、次，仅瓦斯爆炸事故就达49起，占全部特别重大事故的69%。可以说，矿井瓦斯灾害防治工作不论是过去还是将来，一直是煤矿安全工作的重中之重。我国的瓦斯综合治理工作任重而道远。1.2 国内外研究现状为满足经济快速发展的需要，世界各国煤炭生产规模和产量正在不断扩大。而矿井瓦斯抽采效果和效率是制约矿井增产的重要因素，与此同时，随着井下开采深度的不断增加，低透气性高瓦斯煤层也越来越多。因此，怎样卸载瓦斯压力、增加煤层透气性、加快瓦斯抽采速度、提高其抽采效率并最大限度的预防和控制煤与瓦斯突出事故的发生频率和危害性己经成为矿井安全工作人员和煤矿瓦斯防治专家所关注和研究的重中之重。历史上最早的瓦斯抽采记录显示，
4、英国煤矿在十八世纪就己经开始进行了瓦斯抽采。矿井技术人员发现，当竖井掘至76.8m深时，井下有大量瓦斯涌出。因此人们用直径为50mm管密后，将瓦斯引至井外，以供当地一位学者的实验使用。上个世纪80年代，美国率先采用地面钻井瓦斯抽采技术，对未投入生产的矿井进行采前预抽工作，并得到了较好的收效。总的来说，世界煤炭主要生产国根据各自的煤地质状况，相应采取不同的瓦斯抽采方法，如煤层预抽采瓦斯，掘进面抽采瓦斯、工作面抽采瓦斯、采空区抽采瓦斯、和地面钻井抽采瓦斯等。而我国瓦斯抽采技术也经历了几个不同的发展阶段。最初在1905年辽宁抚顺采用了高透气性煤层瓦斯预抽技术。到了1955年，山西阳泉矿务局开采使用了
5、邻近层卸压瓦斯抽采技术，随后该技术被广泛应用。1970年左右，国内瓦斯防治专家又研究出了瓦斯抽采强化方法(如水力割缝法、大直径千米钻孔法、松动爆破法、高压注水法和水压致裂法等)。近几年，随着煤层开采深度的不断增加，任何单一瓦斯抽采方法都无法有效地解决煤矿瓦斯隐患。因此，国内矿井，特别是高瓦斯低透气性矿井开始采取多种瓦斯抽采技术综合应用的办法，大力发展高产高效的煤与瓦斯共采的绿色环保综合抽采技术。1、国外瓦斯抽采情况统计随着瓦斯抽采技术的不断进步，世界各国的可抽采瓦斯矿井和瓦斯抽采量也有了显著的提高。早在二十世纪五十年代末，欧洲的英国、比利时等国家就先后进行了大规模的工业瓦斯抽采，年抽采量达到了
6、5700m3。从二十世纪60年代到90年代，全世界的矿井瓦斯总抽采迅速攀升，1951年世界瓦斯抽采量为1.246亿m3，到了1987年，其总量增加到54.31亿m3。单个矿井的抽采量也由原来的198万m3/井增至577万m3/井。而可抽采瓦斯矿井的数目增加了近十倍，由最初的68个增加到后来619个。最新数据表明，从全世界范围来看，应用瓦斯抽采技术的国家己达到17之多，前苏联的抽采量最大，一年就高达为24亿m3左右，而且更多的国家开始致力于该项技术的研究和应用。瓦斯抽采为满足经济快速发展的需要，世界各国煤炭生产规模和产量正在不断扩大。而矿井瓦斯抽采效果和效率是制约矿井增产的重要因素，与此同时，随
7、着井下开采深度的不断增加，低透气性高瓦斯煤层也越来越多。因此，怎样卸载瓦斯压力、增加煤层透气性、加快瓦斯抽采速度、提高其抽采效率并最大限度的预防和控制煤与瓦斯突出事故的发生工作己经被这些国家作为预防矿井灾害发生，保证安全生产工作的基本技术手段和必不可少的煤炭生产技术环节。2、国内瓦斯抽采情况统计近年来，我国也开始重视对煤层气的开发和利用，煤矿井下瓦斯抽采从少到多，据统计表明:2005年全国煤矿瓦斯累计抽采瓦斯量达23亿立方米。而2006年的抽采量到32一亿立方米，利用量达11.5亿立方米。到了2007年，全国瓦斯抽采达47.35亿立方米，利用量14.46亿立方米。2008年我国矿井瓦斯抽采量达
8、到55亿立方米，同年8月，国土资源部最新的煤层气资源评价中指出:中国煤层气资源非常丰富，全国埋深2000米以浅煤层气地质资源量为36.8万亿立方米，相当于国内目前常规天然气的地质资源量(35万亿立方米)，是仅次于俄罗斯、加拿大的世界第三大煤层气储藏国。到了2009年，全国煤矿瓦斯抽采量达到61.7亿立方米、利用量达到17.7亿立方米。2011年1月5日，全国煤矿瓦斯防治部际协调领导小组第八次会议在北京召开，会议中指出2010年全国煤层气抽采量88亿立方米，利用量36亿立方米。另外会议还要求，2011年我国煤层气抽采量要达110亿立方米，利用量要达50亿立方米。1.3 本文主要研究内容综上所述，
9、综观国内外矿井瓦斯防治技术的研究现状，我们认为，前人的研究领域已经十分的深入和广泛，并己取得了许多重要研究成果，为矿井的安全生产做出了重大贡献。本文作者试图在广泛学习、借鉴的基础上，结合付家焉矿井的生产实际，就矿井生产中的瓦斯抽采技术管理体系建设及其应用等方面进行一些有益的分析、探索和研究。本文综合运用多种研究方法对其进行深入研究，如基础理论分析法、相似材料模拟实验法、计算机模拟法和现场的工业试验等方法。通过对付家焉煤矿生产及通风瓦斯资料的收集、现场调研、实地考察等方式，通过对该矿瓦斯地质赋存状态、瓦斯分布及涌出规律、瓦斯抽采工艺技术和煤与瓦斯突出预测及防治等问题进行深入分析、研究、论证和技术
10、方案的比较，试图得到解决付家焉煤矿高瓦斯灾害的方案模式，其具体研究内容主要包括以下几个方面:1、对整个矿区地质构造、构造控制特点和瓦斯地质分布、赋存规律的研究依据区域地质构造理论，研究和分析了矿区地质构造在不同时期的位置;分析了由于构造运动引起的应力场变化特点、地壳运动作用规律及其对煤、岩层中瓦斯的产生、分布、运动、存储前提的影响和对煤矿乃至整个矿区瓦斯突出危险区域的严重影响。在此基础之上，笔者研究了矿井构造对瓦斯赋存和分布的掌控，仔细探究了褶曲、断层和陷落柱关键地质因素对瓦斯分布、流动的的影响。2、对矿井回采工作面及采空区的瓦斯分布和运移规律的研究。通过在实验室建立相似模式通风系统模型，采用
11、多种通风方式进行通风，并进行有针对性的测定，最终确定矿井采空区瓦斯分布和运移的普遍规律。根据付家焉煤矿的实际情况，找出该矿井的回采工作面及采空区瓦斯分布、涌出规律，确定瓦斯流动的基础参数测试和计算。并根据所得规律建立回采工作面及采空区的瓦斯涌出预测模型，为付家焉煤矿的瓦斯抽采和煤与瓦斯突出防治工作提供基本依据。3、对瓦斯涌出量预测的研究无论是煤矿通风专篇设计，还是瓦斯抽采和管理设计都离不开矿井瓦斯涌出量的确定。通过对多种瓦斯预测方法的比较，最终确定采用分源预测法对付家焉煤矿瓦斯涌出量进行有针对性的预测。该预测方法主要依据煤层瓦斯含量，按照煤矿瓦斯主用涌出地带，即回采(开采层、围岩和邻近层)、掘
12、进和采空区瓦斯涌出量进行计算，进而达到预测掘进工作面、回采工作及采空区瓦斯涌出量之目的。4、对采空区瓦斯运移规律的相似模拟实验研究。本文通过对付家焉煤矿采空区的相似模拟实验研究，得到了该矿采空区瓦斯分布和运移规律，为该矿瓦斯抽采设计方案提供了参考。5、对抽采方法的选择的研究。根据不同矿一井地质条件下瓦斯抽采方法选择的基本原则和根据付家焉煤矿的实际情况，确定出了两种主要的瓦斯抽采方式:第一种是本煤层抽采，即掘进工作面边掘边抽和回采工作面采前预抽和边采边抽。第二是采空区抽采，即老采空区全封闭抽采、高位钻孔抽采(钻场布置在煤层内)和采空区(上隅角)插管抽采。6、对瓦斯抽采钻孔参数的研究。依照对不同钻
13、孔参数(如长度、直径、间距、负压等)条件下的瓦斯抽采效果来进行现场试验研究，探究不同钻孔参数与瓦斯抽采量、抽采速度的关系，从而确定符合付家焉煤矿客观实际情况的最佳瓦斯抽采钻孔工艺。7、对瓦斯抽采效果的预测研究。首先依据付家焉煤矿的实际走向、倾斜、钻孔间距和钻孔长度来确定开采煤层的预计抽采量;其次预测出付家焉煤矿回采工作面及其采空区瓦斯(包括围岩、邻近层瓦斯)涌出量;再次是根据掘进工作面的钻孔数和钻孔直径来确定掘进工作面瓦斯抽采量;最后将三者抽采量相加得到付家焉煤矿矿井瓦斯抽采总量。本论文以高瓦斯突出矿井基本研究对象，并从该矿井的实际情况出发，综合对比、分析和研究了该矿井的基本地质构造、可采情况
14、、基本参数瓦斯地质赋存、分布、涌出及运移规律、通风排放瓦斯极限能力煤层分布和、瓦斯抽采(如抽采钻孔参数等)和抽采系统。采用基础理论分析、实地考察、现场观测、实验室相似模拟采空区实验和基础数据搜集等多种方式相结合的办法，预测了付家焉煤矿的瓦斯涌出量、探讨了对该矿进行瓦斯抽采的必要性和可行性、综合对比了多种瓦斯抽采方法，并确定了适合该矿一井瓦斯抽采的最优方案。2. 矿井瓦斯运移规律分析2.1 瓦斯在煤体中的赋存规律煤体是由孔隙和裂隙共同组成的，煤层属于多孔介质结构，其中充满了各种形状的微小孔隙和裂隙。当煤炭开采工作接触到煤层的时候，瓦斯从内部煤层向外涌出，这个运移过程不仅十分复杂，而且受到煤层的原
15、始条件、采煤方法、地下应力场及履岩运动等因素的影响。所以说，从宏观的角度来探究某一特定区域煤层瓦斯运移规律是可以的。煤层中的裂、孔隙的大小、形状不相同，因此说裂隙较大区域会出现紊流状态，较小的区域会出现层流运动，而微孔裂隙会出现扩散分子滑动的现象。前人根据数值模拟、实验室模拟以及现在实测，得出了瓦斯流动的主要规律符合达西定律(层流运动)。2.1.1 瓦斯在煤层中运移的基本参数1、煤层瓦斯压力在煤层中，由游离瓦斯所产生的气体压力被称为煤层瓦斯压力。地下矿井瓦斯赋存带的上部所产生的瓦斯压力为0.150.2MPa，随着矿井深度的增加，其瓦斯压力也逐渐增加，资料显示，井下深度的增加814m，瓦斯压力约
16、增加0.1MPa。通常情况下，当煤层的赋存情况稳定，且煤田地质构造没有受到大的破坏的情况下，相同煤层和深度的各点的瓦斯压力基本相同。而当地质构造出现较大变化时，会直接影响瓦斯压力的分布。例如，在某些地质构造复杂的地带，由于受到强大的构造应力的影响，煤体中所包含的一些大的裂隙和孔隙会变小甚至完全闭合，减少了瓦斯流动、渗流和扩散的通道，或者干脆形成了相互隔离的空间。这就使地应力大大增高，而隔离空间中的瓦斯也大大增高，最终导致了局部地带瓦斯压力骤增的情况。除了地质构造对瓦斯压力分布有影响之外，采动应力也会使局部低瓦斯压力增高。此外，煤层瓦斯压力的分布还和煤层所在位置受到的地应力影响的强弱有关系。通常情况下，因为受到瓦斯风化带的影响，处于浅部煤层的构造地应力较小，所以其瓦斯压力比较小或者与静水压力相似，p/MPa=0.01H/m。而在井下更深的地带，因为地应力(如自重应力、温度应力和构造应力)会随着井下深度的增加而增加，会出现瓦斯压力大于静水压力的情况，p
