专题-新元矿瓦斯抽放分析.doc

1、新元矿瓦斯抽放分析 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本规

2、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ABSTRACTThis paper summarizes and reviews the achievements and lasted advances of methane harness and drainage theory an

3、d its applying. It is pointed out that the distribution configuration of mining fissured in overlying stratum and the methane delivery law in mining fissured are the research emphasis in the future, and are the theoretical base of fulfilling the safely simultaneous extraction coal and coalbed methan

4、e. Based on these viewpoints, we connect the model experiment with ANSYS numerical simulation to analyze the time-space law, distribution configuration of the fissure production development and the zone and feature of the sufficient relieve pressure in overlying stratum. At last we prove that after

5、bed-separated fissures and broken fissures of the mining overlying stratum are connected, which space distribution form is a dynamic Mining Fissure Elliptic Paraboloid Zone （EPZ）, and further research the EPZs basic features.The mathematical model of methane flow in Mining Fissured Zone is deduced w

6、ith the coupled theory of coal and methane, mining rock mechanics and the principle of communication substance mechanics. Based on the mathematical model, we draw the basic laws of methane delivery in mining fissured zone. It is obtained that Elliptic Paraboloid Zone supplies the drainage and space

7、for relieved methane flow and collection, and is the methane delivery and collection zone, that will provide the theoretical basement for logical arranging the methane drainage system. Through the field applying in Xinjing Mine of Yangquan Mining Company, the methane drainage system arrangement whic

8、h drainage the methane comes from the mining coal seam, adjacent coal seam and mine goaf is analyzed. The results show that if the drainage roadway throat or suction hole terminal arranges in mining fissure zone, the suction efficiency and suction concentration of methane can be raising and attains

9、better suction effect. Key words: Mining fissure Elliptic Paraboloid Zone; Delivery law of methane; Simultaneous extracting of coal and methane1 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。

10、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

11、. 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

12、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

13、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1947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

14、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

15、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

16、，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