专题-采空区瓦斯治理与研究.doc

1、专题部分采空区瓦斯治理与研究摘要：采空区瓦斯是回采工作面瓦斯涌出主要来源之一，而采空区瓦斯抽放具有抽放流量大、来源稳定等特点，成为回采工作面瓦斯治理的重要手段。尤其是对于本煤层预抽效果不理想、采空区瓦斯涌出量大的工作面，采空区抽放方法是首选的抽放方法。关键词：采空区；瓦斯抽放1. 绪论1.1引言我国是一个以煤为主要能源的国家，在一次能源的总资源量中，煤炭资源约占90%，在一次能源的生产和消费构成中，煤炭所占比例长期保持在75%左右，尽管20世纪90年代大力进行了能源结构的调整，2000年煤炭生产和消费在一次能源中所占比重仍分别达67.2%和67%。从我国拥有及可能利用的能源资源类别来看，以煤为

2、主的能源格局长期内不会有根本的改变，煤矿开采的规模还会很大。因此，要保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高采掘机械水平，是我国煤矿发展的必由之路。综合机械化采煤在条件适宜时，具有高产高效、成本低、经济效益显著的特点。近年来，随着煤炭科学技术的发展，高产高效矿井数量大大增加，部分矿井经技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。但由于综合机械化采煤开采强度大、生产集中、推进速度快，使采煤工作面瓦斯涌出表现出了强度高、数量大和极不均衡等特点，同时综采工作面由于采高较大，走向长度较长，推进速度较快，因而往往形成较大面积的采空区，在顶板周期来压时，常造成工

3、作面及其回风流瓦斯超限，对安全生产构成了极大威胁。煤壁、落煤和采空区是工作面瓦斯涌出的三个部分，其中采空区瓦斯涌出在工作面瓦斯涌出中占有较大的比例。由于综采面多为长壁式回采工作面，而一般长壁工作面采空区的瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的3040%以上，多者达7080%，采空区瓦斯的大量涌出往往导致工作面瓦斯超限频繁和被迫停产。为了保证较高的产量，必须保证一定的割煤速度，因此工作面煤壁、落煤瓦斯涌出难以有效控制，同时，由于采空区瓦斯涌出受多种因素影响，涌出空间也比较大，所以通过对工作面及其采空区瓦斯运移规律的研究，可以有的放矢地采取有效措施，对综采工作面进行瓦斯治理，从而消除制约综采工作面高产高

4、效的这一重要因素，使综采工作面充分发挥其优势，实现真正意义上的高产高效。1.2国内外瓦斯抽采治理技术研究现状矿井瓦斯是成煤过程中的一种伴生产物，其主要成分是甲烷。它是一种无色、无味、无臭的气体。比空气轻，相对密度为0.554。为了减少和解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，利用机械设备和专用管道造成的负压，将煤层中存在或释放出的瓦斯抽出来，输送到地面或其他安全地点的做法，叫做瓦斯抽放。采空区瓦斯是回采工作面瓦斯涌出主要来源之一，而采空区瓦斯抽放具有抽放流量大、来源稳定等特点，成为回采工作面瓦斯治理的重要手段。尤其是对于本煤层预抽效果不理想、采空区瓦斯涌出量大的工作面，采空区抽放方法是首选的抽放方法

5、。近年来，国内外对高瓦斯矿井采空区瓦斯抽放进行了大量的研究，随着煤矿安全生产以及对瓦斯利用的重视，采空区抽放比例正在逐步增大。瓦斯事故是煤矿四大灾害之首，我国高瓦斯爆炸煤矿占矿井总数的44%，瓦斯事故死亡矿工占煤矿总死亡人数的30%40%，瓦斯事故又占煤矿重大伤亡事故的70%80%。采煤之前先采气，可从根本上防止煤矿瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件，同时，还可以减少矿井建设和生产通风费用1/51/4，有利于提高煤矿的经济效益。所以瓦斯的综合开发利用，不但对煤矿的安全生产和提高经济效益有重要作用，而且对我国的环境保护事业也有着非常深远的意义。我国从20世纪50年代就开始采用井下方法抽放煤层气，当时

6、主要是作为安全措施，防治瓦斯事故的发生，采取的主要技术有本煤层抽放，邻近层抽放，采空区抽放，地面抽放等，但抽放率还不能令人满意。在国外，煤层气井下抽放技术也被广泛采用，如前苏联、德国等。无论是在国内和国外，矿井煤层气的抽放均作为开采安全技术来对待。煤层气主要不作为能源开采对象，因此抽放率往往以能否保证安全为标准。抽放率低，大量煤层气排空而不进行抽放或抽放效果差的矿井，极易发生瓦斯爆炸事故。20世纪80年代以来，独立于矿井之外的地面煤层气开采技术有了长足发展，其中特别是美国、澳大利亚，由于煤层气埋藏条件优越，煤层气工业得到迅速发展。我国有丰富的煤层气资源，20世纪90年代中期，开展了一定的煤层气

7、开发工作，但除极少数煤层渗透性较好的矿区，能收到较好效果外，绝大部分由地面打钻建立的煤层气开采企业收效不高，这也使煤层气地面开采陷入困境。近年来，国内开始引入了美国的多分支水平井钻井技术进行煤层气开采，但是一方面其钻井成本昂贵，每口井达7000万1亿元，另一方面其对煤层的扰动卸压范围和提高渗透性的效果仍然有限，难以适合我国国情和煤层条件。近年来中国矿业大学煤矿矿山岩层控制理论和实践的学者，根据我国煤层特征、煤层气在煤体中的赋存状态等，从采动应力场、煤岩体损伤、裂隙发育与演化场、围岩运动的特征和规律出发，研究采动影响增加煤层渗透性、对煤层气解吸、运移的重要影响等，提出了利用采动卸压与岩层破裂增加

8、煤层渗透性进行煤层气井下开采，实现煤炭与煤层气共同开采的新理念（图1），是煤矿开采理论与技术思想的重要创新。在煤层气运移规律方面，周世宁院士对煤层煤层气流动规律的研究表明：煤层气在煤岩体中的运移属于多孔介质中的渗流，符合达西定律。国内外学者如Bibhuti、赵阳升、缪协兴等对裂隙岩体、块裂岩体以及破裂岩体的渗透特性进行了广泛的研究。丁广骧、蒋曙光、王继仁等分别就采空区煤层气流动规律开展了模拟与实测研究。由于对岩移过程中应力场和裂隙场的动态分布特征缺乏深入认识和定量描述，在采后卸压煤层气运移规律的理论分析与数值计算研究中，未能充分体现岩移过程中煤岩体应力场和裂隙场特征。于不凡、俞启香等对解放层开

9、采的卸压作用机理开展了深入的研究，形成了我国独具特色的解放层开采与抽采煤层气相结合的综合防突措施。但就覆岩岩性及其组合对邻近层煤层气涌出及下解放层有效解放范围的影响研究不多。图1 煤与瓦斯共采技术体系在瓦斯抽采方面，一般瓦斯抽采方法可分为：地面钻井瓦斯抽采技术和井下瓦斯抽采技术。地面钻井瓦斯抽采技术，虽在国内外已作过研究和试验，但主要是针对煤层赋存稳定、渗透性好的煤层，少数低透气性煤层矿区也曾配合水力压裂等措施进行过地面钻井抽采瓦斯，但产气效果不理想。目前国内外还没有在松软低透煤层成功进行地面钻井抽采瓦斯的实践。国内抽采主要靠采动卸压后井下抽采方法，包括有：本煤层钻孔抽采、邻近层钻孔卸压抽采、

10、采空区钻孔抽采、穿层钻孔抽采和开掘专用瓦斯巷道密闭抽采等。经过近50年的发展，中国煤矿井下煤层气抽采及其利用工作从无到有，从小到大。目前以钱鸣高院士为首的课题组提出了“煤与煤层气共采”技术，它是指利用煤层开采引起的岩层移动对煤层渗透性的增大作用，在采煤的同时高效开采卸压煤层气。在“煤与瓦斯共采”技术方面，岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙分布、离层规律对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要作用。但是，由于目前煤层气抽采理念仍停留在以安全为主的瓦斯抽采上，煤与煤层气共采理论基础尚未建立。目前中国煤矿井下煤层气抽采与其它煤矿井下煤层气抽采利用工作做得比较好的

11、国家相比，还存在着一些差距，主要有:抽采煤层气总量少，利用率低；井下抽采率不高；吨煤煤层气抽采量少，吨煤钻孔量少；综合抽采工作不足，装备和管理水平有待加强和提高。事实上，采动条件下的煤层气运移规律除与煤层气赋存地质条件相关外，主要取决于采动煤岩体应力场与裂隙场的变化。采动后煤岩体应力场和裂隙场的动态研究规律与开采技术条件和覆岩岩性结构及组合紧密相关。对于我国的实际情况，基于采动岩体移动规律研究采动岩体应力场与裂隙场动态演化对煤层气解吸、运移的影响规律及其耦合效应，探讨煤与煤层气共采的理论与技术是今后一个时期在煤层气开采中必然的选择。2. 矿井瓦斯抽放的目的和意义(1)抽放瓦斯可以减少开采时的瓦

12、斯涌出量，从而可减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故，是保证安全生产的一项预防性措施。(2)抽放瓦斯可以减少通风负担，降低通风费用，还能够解决通风难以解决的难题。(3)煤层中的瓦斯同煤炭一样是一种地下资源，抽出来送到地面作为原料和燃料加以利用，“变害为利”、“变废为宝”，可以收到节约煤炭，保护环境的效果和可观的经济效益。3. 矿井瓦斯存在状态(1)游离状态(也称启由状态)；这种瓦斯以完全自由的气体状态存在于煤体或围岩的较大裂缝、孔隙或空洞之中。(2)吸附状态(也称结合状态)；按其结合形式的不同，又分为吸着和吸收二种状态。吸着状态是瓦斯气体分子在其与煤粒固体分子问的引力作用下而被吸着在煤体孔隙的内表面上所

13、呈现的状态，形成一层很薄的吸附层。吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构内部与煤部分子结合而呈现的一种状态，其类似气体溶解于液体的现象。吸附状态存在的瓦斯量的多少；取决于煤的结构特点，炭化程度等。4. 采空区瓦斯运移规律4.1采空区顶板卸压上覆岩层移动规律及瓦斯分布规律4.1.1采空区顶板卸压上覆岩层移动规律通过“砌体梁”理论对采动影响岩体移动规律的整体的“横三区”、“竖三带” (见图2)的认识，即沿工作面推进方向上覆岩层分别经历煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，由下而上将采空区上覆岩层移动划分3个不同的地带。图2 受采动影响形成的“三区”“三带”示意图A-煤壁支撑影响区；B-离层区；C-重新压

14、实区I-冒落带；II-裂隙带；III-弯曲下沉带回采工作面上覆岩层属于沉积岩层，一般有一层或几层较为坚硬的厚岩层，在整个上覆岩层的变形与破坏中起主要的控制作用，这种岩层称为关键层。在采动过程中关键层下部将产生不协调的连续变形，主关键层与亚关键层之间、亚关键层与亚关键层之间变形的不协调，将形成岩层移动中的离层和各种裂隙分布，在卸压区内岩层以拉应力为主，当其超过岩体的极限抗拉强度时，便出现纵向裂隙，因此在顶板上覆岩层周期断裂时，煤壁前方顶板岩层内产生开口向上的纵向裂隙，在煤壁后方顶板岩层内产生开口向下的纵向裂隙。顶板上覆岩层不规则垮落的冒高与采高、煤炭的回采率、冒落岩石的膨胀系数及采空区的充填程度

15、相关。从力学机制上讲，离层是由于上、下岩层的抗弯刚度不同，相邻岩层间必然产生法向位移。当上位岩层的抗弯刚度大于下位岩层时，则会产生离层运动；当上位岩层的抗弯刚度小于下位岩层时，则形成组合运动，而岩层的抗弯刚度又取决于岩层的弹模和厚度。当相邻的上下岩层抗弯刚度接近时，由于上覆岩层的变形是由下至上逐层递进发展的，所以也会产生短期的离层。在上覆岩层运动的动态过程中，在采空区上方存在着多个离层裂隙和纵向断裂裂隙，上覆岩层中的离层面和纵向断裂面存在着张开和闭合，从产生、发育到最终闭合是一个动态变化过程。正是由于上覆岩层存在变化发展的纵向断裂面和离层间隙，为煤体内的卸压瓦斯、工作面和采空区内的游移瓦斯提供

16、了通道和储存空间。当煤层顶板存在较坚硬的上覆岩层关键层时，可形成稳定的“砌体梁”结构，而在该位置不存在较坚硬的上覆岩层关键层时，则规则冒落带将继续发展，直至形成稳定结构。钱鸣高院士根据淮北矿业集团公司桃园煤矿的实验结果，整理出的回采工作面回采250m后采空区离层裂隙呈“0”型圈分布(见图3)图3 “O”兴圈示意图在上覆岩层主关键层破断稳定后，采空区中部离层趋于闭合，而在采空区两侧仍各保持一个离层发育区。从平面上看，由于关键层破断时形成“砌体梁”结构，在采空区四周存在一沿层面横向连通的采动离层发育区，在周边走向040m，倾向534m区间为裂隙发育区，沿顶板高度方向，随工作面推进离层由下往上逐步发展。4.1.2采空区内瓦斯分布规律采空区瓦斯涌出特征与煤层的赋存、回采条件密切相关，采空区瓦斯主要由采空区内遗煤和邻近煤层的瓦斯两部分组成。对