专题-瓦斯抽放半径的确定和运移规律分析与应用浅析.doc

1、专题部分第19页瓦斯抽放半径的确定和运移规律分析与应用浅析摘 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，在分析现行煤矿瓦斯抽放系统状态及抽放效果的情况下，探讨了影响煤矿采煤瓦斯抽放效果的因素，同时，提山了瓦斯抽放率的有效途径，并提山了合理的瓦斯抽放方法，指出钻孔负压法测定瓦斯抽放半径的实践与应用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。通过采动覆岩瓦斯运移规律的特征分析，得出椭抛带为卸压瓦斯流动及储集

2、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。通过七星煤矿瓦斯抽放技术的现场应用，分析了抽放效果与抽放效益，对整个矿井的高产高效有着姣好的效果。关键词：瓦斯抽放；瓦斯运移规律；技术应用1 绪论1.1 课题研究的背景瓦斯灭害的有效控制是保证综采工作面正常生产的一个关键问题。因此，要不断促进瓦斯抽放技术的完善，以促进现代化矿井瓦斯管理工作不断完善。瓦斯灭害的威胁极大地限制了矿井生产能力的发挥。为消除煤层的突山危险性而不得不占用更多的采掘时间。使许多矿井的生产能力不得不一减再减，更有不少高瓦斯突出矿井步入恶性循环，浪费了大量的生产投资。在当前市场经济条件下，瓦斯灭

3、害治理的好坏成为瓦瓦斯矿井开发的关键因素。因此，提高煤矿采煤瓦斯抽放效率对矿山企业有重大的理论和现实意义。（1）、煤矿采煤瓦斯抽放现状本文的研究对象，以一某煤矿矿井为例。矿井瓦斯抽放方式为各采区集中抽放，少量回风由上隅角流向采空区。回采工作面是公司首采区的首采工作面，可以有效地杜绝上隅角及作业空间的煤矿采煤瓦斯超限的问题，随着风排瓦斯能力增大1.6倍，工作面风排瓦斯能力也随之增强。采用的主要力法是穿层钻孔抽放、本煤层扇形抽放、本煤层交叉平行孔抽放、高位钻孔抽放、大直径抽放钻孔、采空区埋管抽放和专用回风巷风排。某公司在综采而开采层施工直径200mm穿层钻孔进行瓦斯抽放，每隔钻场布置5个穿层钻孔，

4、钻孔瓦斯抽放浓度一般在,40-50%，最高的达到70%以上，.瓦斯抽放效果良好。钻孔布置见图1，交叉平行钻孔见图2。（2）、 影响煤矿采煤瓦斯抽放因素1. 抽放方法单一。目前，我国矿井的瓦斯来源除来自邻近层、开采层，大多数是来自采空区和围岩，有的矿井常常忽视对开采层、采空区及围岩瓦斯的抽放。单纯抽放，造成了许多煤矿瓦斯的利用形式单一。对于近距离煤层群，利用量小，邻近层的卸压瓦斯开采层工作面的改善使得瓦斯抽放利用率低。煤矿采煤瓦斯通常情况下占该工作面瓦斯涌山的60%以上，日前我国大部分煤矿对瓦斯的抽故重点放在了抽放而非综合利用，往往来不及抽放就大量、快速涌入开采层工作面，对安全生产威胁很大。综合

5、抽放方法是目前世界产煤国抽放瓦斯的主要发展趋势，但是在我国，仍有较多的矿井采用单一抽放方法，总体利用率都很低我国一些矿井经实践也证明该法是提高矿井瓦斯抽放率的有效途径，但很难适应矿井瓦斯的涌出问题，这个问题直接影响矿井瓦斯抽放率的提高。2.瓦斯抽放设备不配套。我国日前缺乏高效的钻机、钻具，使得抽近距离邻近层瓦斯不稳定；另外抽放泵性能也满足不了设计要求，需要密集布孔，利用困难。在瓦斯抽放过程中，所以钻孔参数往往不是以设计为主来确定。但目前多数矿井的钻机钻难于符合要求，对瓦斯浓度质量是否符合利用要求、抽放量是否稳定考虑不够，以钻孔、抽放泵的能力来确定，抽放水平小、抽放形式单一，设计的钻孔参数常因钻

6、具不配套，混入空气较多，影响到抽放效果。3.抽放时间不充分。因抽放巷道层位布置不当，钻孔有不同的最佳和有效抽放时间，不等到应有的抽放时间就回采。对如何加大瓦斯抽放量，巷道维护困难而缩短了钻场、钻孔和抽放管路系统的服务时间，扩大利用范围考虑不多。在这段时间内，有的矿井掘、抽、采的关系失调，抽放钻孔工程量太小，抽放的瓦斯量逐渐衰减到无抽放价值而停抽.由于投放资金有限，使钻孔失去了最佳抽放和有效抽放时间，导致抽放率不高。4. 煤层透气性的影响。国内一些抽放率不高的矿井，如水力割缝、水力压裂、深孔爆破等，无法加大钻孔密度以形成网格式布孔，其煤层透气性都比较差，要采取加大煤层透气性的措施，可以适应中国这

7、样的低透气性煤层的特殊条件，有利于提高这类矿井的瓦斯抽放率，并且增大煤层透气性可以针对于不同的瓦斯地层，采用各种力法，产生的效果也不尽相同。三、提高煤矿采煤瓦斯抽放率的途径1.合理选择抽放方法。煤矿采煤层抽放瓦斯的适用条件是根据井下开采工作遇到的瓦斯具体情况，分析自开采层本身时，合理选择抽放方法的，这是提高抽放效果的关键。按照瓦斯来源可以分为本煤层抽放瓦斯和邻近层抽放瓦斯，可以采用顶底板煤岩中的巷道，打邻近煤层的钻孔瓦斯抽出。当开采层上下相邻煤层内的瓦斯涌入开采层的采煤工作面而威胁生产时，可以用采空区抽放形式加以消除进行分层开采时，边采边抽放瓦斯是在回采或者掘进的同时抽放瓦斯，有的厚煤层采第一

8、层瓦斯，加大了采区总排或全矿井总排的瓦斯量，这时，就会采用这种力式，降低采区瓦斯有明显的效果。 2. 抽放参数选择。钻孔直径的大小对抽放瓦斯有一定的影响。抽放邻近层瓦斯的时候，钻孔间距减小，直径大的钻孔由于暴露的煤面多，钻孔数目越多，排放瓦斯的效果也就较好。特别抽放上邻近层的时候，每个单孔的抽出量减少，因为邻近层瓦斯抽放钻孔必须深入到邻近层的卸压带内，钻孔必须深入到卸压角边附近以里，如果有较长的抽放时间孔数可以少些，要避开冒落带和大的破坏裂隙区，瓦斯储量的大小，以免抽放钻孔大量漏气。但不要进入太远，瓦斯涌出量大，就需要布置几个层位的抽放钻孔。 3.钻孔布置方式。选择主要依据是抽放时间的长短.，

9、对于钻孔抽放，穿层钻孔形式，布置在煤层底板的岩巷或者煤巷中。如果有较长的抽放时间，且具有一定的倾斜角度的中、厚煤层.其适用条件是煤层具有很好的透气性，孔数可以少些，钻孔间距减小，有利于提高抽放效果。在一个钻场内的钻孔数目增加，有可容许的抽放时间由钻场打钻孔贯穿煤层，瓦斯抽出量在增加，钻孔与煤层瓦斯易于沿层理而流入钻孔顺层钻孔形式，孔数可以多些.煤层赋存稳定、地质变化小，由于钻孔与层理而平行，钻场间距可以确定，因而要针对采区的实际条件这种钻场是设在工作面顺槽或者开切眼内，它随开采深度的逐步延深，平行或者垂直工作面扩大顺层钻孔，钻场间距应逐渐缩短。封孔不保持严密，也影响抽出瓦斯浓度。通过分析现有的

10、煤矿采煤瓦斯抽放系统以及抽放效果情况下，并且从宏观上分析了影响我国同类矿井抽放效果的因素，同时，提出了提高瓦斯抽放率的途径，提山了煤矿合理的瓦斯抽放方法，并使得现有的煤矿采煤在原来基础上进行相关改进。1.2 煤矿瓦斯抽放机理的发展与应用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。表1 开采层预抽瓦斯难易程度分类抽放难易程度钻孔瓦斯流量衰减系数d-1煤层透气性系数m2MPad-1容易抽放0.00310可以抽放0.0030.05100.1较难抽放0.050.1自194

11、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 目前瓦斯抽放理论的局限和缺陷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

12、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

13、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，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 瓦斯抽放系统抽放半径的确定方法对平沟煤矿0908综采工作而煤壁前方卸压带、集

14、中应力带应力分布及变形情况的原因进行了认真的剖析，并利用钻孔负压法对钻孔的瓦斯抽放半径进行了测定，同时详细叙述了钻孔负压法测定瓦斯抽放所需设备和测定步骤，并通过现场测定确定了钻孔的瓦斯抽放半径，为卸压带瓦斯抽放钻孔间距的设计提供了合理依据，确保了工作而的安全生产。煤矿瓦斯抽放是降低矿井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施。衡量瓦斯抽放工作优劣的两个主要指标是瓦斯抽放率和瓦斯抽放量。提高抽放瓦斯效果的主要途径有：在瓦斯抽放时，尽可能地设法多抽瓦斯，不断扩大抽放瓦斯的范围，同时在提高煤层透气性上加强研究，不断改进和提高抽放工艺、系统和设备。钻孔间距是影响瓦斯抽放效果的重要因素，钻孔

15、间距过大，在抽放范围内容易形成抽放盲区；钻孔间距过小，容易造成人力和物力的浪费。所以瓦斯抽放钻孔的布置应以钊：孔的有效抽放半径为依据，而抽放半径的测定日前还没有一个规范的标准，如何考察测定是当前瓦斯抽放设计中急需解决的主要问题。本文主要通过运用钻孔负压法来测定瓦斯抽放半径，收到了较好的效果。问题的提出 神华集团乌海能源有限责任公司平沟煤矿坐落在内蒙古乌海市海渤湾区卡布其，矿井核定生产能力为120万t/a，该矿通风方式为分区抽出式通风，每个盘区在浅部开一个回风井。该矿采用两井筒进风，即一、二号副井同时入风，各盘区上山回风。平沟煤矿的矿井绝对瓦斯涌出量为44.275m3/min，根据2010年新出

16、版的煤矿安全规程第一百二十二条规定：“矿井的相对瓦斯涌出量大于10 m3/min或矿井绝对瓦斯涌出量大于40 m3/min时就是高瓦斯矿井”可以判定平沟煤矿为高瓦斯矿井，另外平沟煤矿9号模层的诱气性系数为0.045 0.458 m2/(MPa.d)，属于低透气性煤层；该矿为了增加煤层的透气性提高瓦斯抽放效率，在9号煤层的0908综采工作面切眼实施了卸压带瓦斯抽放。采煤工作面在向前推进的时候由于采煤机在破煤过程中，煤层的原有应力平衡被破坏，在煤壁前方的煤体内形成卸压带、集中应力带、原始应力带二个部分。煤层在工作面前方集中应力的作用下，出现扩容现象，煤层透气性显著提高，给瓦斯流动提供了有利通道，同时在集中应力峰后区，煤层整体变为塑性状态，钻孔周围的极限塑性区范围急剧扩大，这为动压区抽放瓦斯提供了有利条件。工作面卸压带内浅