1、专 题 设 计 部分矿井瓦斯预测与抽放技术研究摘要：本文简单介绍了矿井煤层瓦斯运移和涌出的基本规律，着重介绍矿井瓦斯运移的理论基础，矿井瓦斯涌出规律分析及预测研究，采空区瓦斯运移模拟实验，矿井瓦斯抽放技术应用研究。关键词：煤矿瓦斯，赋存运移规律，相似模拟，瓦斯抽放技术0 引言能源是社会经济快速发展的基础和保障，目前我国能源产业正以惊人的速度向前发展，并取得了前所未有的进步。在我国一次性能源生产和消费过程中，煤炭产量的比例占到了总能源产量的百分之七十左右。因此说，稳定的煤炭产量是保证国家经济高速、稳定增长的重中之重。2000年以后，我国煤炭生产总量节节攀升，以成倍的速度增长。2001年我国生产煤
2、炭10.8967亿吨，而在刚刚过去的2010年，全国煤炭产量已超过32亿吨。照此推算，预计到2015年，我国煤炭产量将达到40亿吨以上。所以，在今后相当长的一段时间里，煤炭是处于我国经济快速发展过程中的具有居支配性地位的能源。近年来，中央和地方各级政府对煤矿安全生产工作常抓不懈，严格预防和控制各类煤矿事故的发生，力争从根本上扭转我国煤矿事故频发、多发的不利局面。尽管如此，我国仍然是世界上煤矿事故发生率最多的国家之一，煤矿事故仍连续多年影响着我国安全生产的总体形势，瓦斯作为煤矿安全生产过程中的瓶颈，也仍旧不断制约着我国煤炭行业的发展，威胁着煤矿工人的生命。面对依旧严峻的局势，煤矿瓦斯防治部际协调
3、领导小组第八次会议与2011年1月5日召开。会议要求2011年全国煤矿瓦斯事故死亡人数要比2010年减少10%以上。国家发展和改革委员会副主任、国家能源局局长、煤矿瓦斯防治部际协调领导小组组长张国宝在2011年1月13日召开的全国安全生产工作会议上强调，全国要力争遏制特别重大瓦斯事故，努力控制重大瓦斯事故，保障矿工生命安全，增加清洁能源供应，减少温室气体排放，推进煤矿瓦斯防治形势持续稳定好转。而国家安监总局副局长、国家煤监局局长赵铁锤也表示:我国将取消低瓦斯矿井等级，所有矿井一律按瓦斯矿井管理。山此可见，国家对煤矿安全生产，特别是瓦斯防治方面的工作给予了高度的重视。古代植物被掩埋和堆积而转变成
4、煤的最初阶段，包括纤维素在内的其他有机质在厌氧菌的作用下，分解产生了瓦斯。这些植物在随后的成煤过程里，长期处于高温、高压的环境下，通过各种各样的物理和化学反应，连续不断地产生大量瓦斯。在我国煤矿行业的专业术语中，煤矿瓦斯由英语gas直接译音转化过来，这个瓦斯主要指的是甲烷，也常常被人们称为沼气。在煤炭开采的过程中，瓦斯从煤、岩层内快速涌出，直接污染空气，并严重威胁着整个矿井的安全生产。瓦斯含量是指每吨煤或岩体所含有的数量，它主要取决于煤体的变质程度、煤层的赋存状态，周围岩层的性质、矿井的水文地质构造等因素。通常的，不同煤层的瓦斯含量也不尽相同，而相同煤层所包含的瓦斯量也随开采深度的加深而递增。
5、瓦斯又是一种热值非常高且没有污染的新型能源。如果在开采煤炭之前对其进行抽采，可以将煤炭中的瓦斯含量降低70%到85%，从而达到促进煤矿安全生产的目的。与此同时，如果能将抽采出的瓦斯合理回收并利用，它不仅能用来发电，还能作为工业燃料、化工原料和居民生活燃料来使用。目前来看，全球主要煤炭生产国都非常注重对瓦斯(煤层气)的开发和利用，西方发达国家，如德国、波兰、法国、英国、前苏联等国多应用采前预抽和采空区封闭抽采瓦斯的办法。到了二十世纪末，美国开始尝试采用地面钻井(常规油气井)技术开发利用瓦斯，并取得了突破性的进展，这表明全球煤层气的开发利用迈入了一个崭新的阶段。与美、英等国相对简单的煤层地质构造相
6、比，我国的煤炭地质存储层不仅构造复杂，而且多半产生变形强烈。由于煤层赋存的构造复杂，许多矿井的煤层渗透性很低，导致了这些矿井的瓦斯含量较高，进而被称为高瓦斯矿井。因此，低透气性煤层基本都属于高瓦斯煤层。目前来看，地面钻孔瓦斯抽采技术是防治瓦斯的最佳办法，但事实上，想要在所有矿井，特别是那些渗透性较差的煤矿采取推广地面钻孔抽采瓦斯的办法，不仅难度非常大，而且需要投入的费用也十分惊人。即使是进行了瓦斯地面抽采，抽采效果可能也不会很理想。2010年11月29日到12月1日，亚洲非常规油气高峰论坛在北京举行，国家安全监管总局信息研究院院长黄盛初表示，我国煤层气(煤矿瓦斯)抽采量逐年增加，“十二五”规划
7、目标为年产200亿立方米。黄盛初还指出，目前我国瓦斯抽采存在预抽量较低、瓦斯利用率低等问题，瓦斯利用率仅有30%左右，原因有二，第一，我国大部分煤矿区煤层渗透率低，采用井下钻孔负压抽采，抽采出来的瓦斯浓度较低，大部分低于20%；第二，一些煤矿抽采规模较小，没有建立瓦斯利用项目。他强调，提高瓦斯利用率的关键是要改进钻孔抽采技术，提高抽采瓦斯浓度，另外还要增加投资，扩大瓦斯抽采和利用规模。在理论层面上看，我国煤矿煤层气(瓦斯)开发技术的基础理论研究与实际工程应用联系的不够紧密。此外，由于国内煤炭的需求量过大，迫使很多煤炭企业缩短了煤炭开采之前的煤层气预抽年限，进而导致了大量煤层气资源在煤炭开采过程
8、中直接流失。这是一个安全、资源、效益相冲突的主要矛盾，造成了人、财、物力乃至自然资源的大量浪费。此外，与煤炭工业更发达的西方国家相比，我国在瓦斯抽采综合技术、系统网络优化效果和安全抽采管理等方面都有着巨大的差距在过去的二十年里，我国煤炭科学技术取得了一前所未有的突破。与此同时，伴随着现代化、科技化、机械化、自动化和大强度煤炭开采规模的不断扩大，导致了整个矿井的采动空间和开采范围剧增，使得回采工作面以及采空区的瓦斯呈现出高强度、高速率、大体积和非均匀式的涌出特点，同时更增大了有关专家对各种煤矿瓦斯灾害防治的难度系数。为满足国内企业对煤炭需要量与日俱增的需要，保证我国经济快速、稳定的发展，很多煤矿
9、企业开始引进国外先的进生产设备，不断进行技术革新。高产量的集约化生产和综合采煤工艺方面取得了一前所未有的跨越式进步。取得可喜成绩的同时，我们也看到了我国煤矿瓦斯安全高效抽采技术的发展速度缓慢，仍旧远远落后于全国煤炭产量的提高速度，这就给煤矿安全生产工作埋下了重大的隐患。矿井瓦斯对煤矿安全生产工作的突出性危害有三个大方面:爆炸、突出和窒息。特别的，煤矿瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故不仅能对矿井巷道设施造成巨大的毁坏(如井巷垮塌)，而且常常会导致矿井火灾、水灾和煤尘爆炸等二次、甚至多次矿井灾害事故的连续发生。更严重的是，此类事故会造成大量煤矿工人的伤亡和难以估计的财产损失。最新统计表明，我国高瓦斯矿井
10、和有瓦斯突出危险的矿井占到了全国矿井总数量的30%左右，而重、特大恶性瓦斯事故的高发生频率并没有得到根本性的解决，这将严重阻碍着未来我国煤矿安全生产工作的顺利进行。因此，煤矿瓦斯抽采工作，势在必行。总的来讲，煤矿瓦斯抽采的好处十分明显。首先，采取瓦斯抽采的办法能够有效地解决井下瓦斯浓度超限问题，提高煤矿开采过程中的安全性。当对井下进行瓦斯抽采之后，采空区瓦斯涌出量将会降低70%以上，同时还能大大降低井下通风成本费用。其次是抽采原始煤层中的瓦斯能防止煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸等煤矿恶性事故的发生，保障安全生产和矿工的生命安全。此外，瓦斯抽采还可缓解全球范围内温室效应的加剧，保护我国生态环境多样性。瓦
11、斯抽采另一个好处是变害为利，人们可以对抽采出的瓦斯进行合理利用，为我国的工业生产和人民生活服务，取得较好的社会和经济效益。综上所述，展开对高瓦斯低透气性矿井的瓦斯抽采研究具有重大的理论革新和工业实践意义。1 国内外研究现状1.1国内外瓦斯理论、技术研究、抽采现状和发展趋势在煤炭采掘的过程中，煤层中大量存在的具有爆炸性危险的瓦斯气体将快速、大量涌入回采工作面，导致了多种煤矿安全问题产生。多年来，国内外专家、学者对煤矿瓦斯灾害进行了各种各样的研究，其方法也多种多样，如工业现场实验性研究、计算机数值模拟研究和实验室相似模拟实验研究等，并取得了很多的成就。1.1.1瓦斯的理论研究现状从瓦斯在煤层中的存
12、储状态来看，主要有三种情形，即固态、液态和气态，其中气态为绝大多数情况。从瓦斯赋存形式来考虑，其在煤层中也主要有三种情况，即游离状态瓦斯、吸附状态瓦斯和吸收状态瓦斯。想要提高瓦斯抽采效率，就必须从根本上了解并掌握瓦斯在煤层中的压力分布规律和基本运移规律。尽管世界各国的学者和专家对煤层瓦斯渗流等相关理论进行了大量的深入的研究，总结出了瓦斯压力在煤层内部具有一定的分布规律和流动变化规律，但是人们对煤矿瓦斯防治这一世界性的能源课题仍旧没有形成一套成熟、完整而又独立的科学理论体系。1、瓦斯在煤层中的渗流理论研究l)线性瓦斯渗流理论人们对流体在多孔介质内移动规律的研究科学被称为渗流力学。1856年，法国
13、著名工程师达西首次提出线性渗流规律，并引起了学术界的轰动。此后，更多学者开始致力于对渗流力学的发展研究。渗流力学并不是完全独立的一门学科，而是和其他学科紧密相连的，学科交叉后产生了很多新兴的边缘学科。煤、岩瓦斯渗流理论的第一次跨越发展和进步发生在20世纪40年代。当时为了准确描述煤、岩层内瓦斯的移动过程，前苏联著名瓦斯专家P.M.克里切夫斯于1947年正式引用了线性渗透理论。瓦斯渗流力学是由渗流力学、采矿学、通风安全学，地质学以及固体力学等多个学科相互交叉、渗透而发展起来的一门在瓦斯治理工作中起到至关重要作用的一门学科。它主要的研究内容是确定瓦斯在多孔介质(煤、岩层)内的移动规律。该理论指出煤
14、、岩层内瓦斯的运移情况基本符合达西定律，即线性渗透定律。20世纪60年代，我国煤矿瓦斯灾害治理鼻祖周世宁院士正式引用达西定律来研究瓦斯在煤、岩层中的运动规律以相似模拟理论为基础，根据一维情况，推算出了瓦斯渗流方程的完全解，并引用了朗格缪尔 (Langmuir)方程来描述瓦斯的等温吸附量，同时对瓦斯流动方程做出了关键性的修正。在前人研究的基础之上，孙培德教授修正和补充了均质煤层的瓦斯流动数学模型，之后又推导和发展了非均质煤层的瓦斯流动数学模型，并使用计算机对模型进行了数值模拟和结果比较分析。近几年，孙广忠教授等人应用达西渗流定律讨论因瓦斯突出而形成的粉、煤两相流动过程，提出了”煤、瓦斯介质力学”
15、的观点，并对煤、瓦斯介质的变形、渗透率、强度等力学特性进行了系统地研究。2)非线性瓦斯渗流理论线性瓦斯渗流理论主要针对等温、低速的情况，而在压力梯度较大时，二项式渗流定律更加能体现实际情况，赵阳升和梁冰等专家对非等温、高速、煤体变形剧烈、瓦斯渗流藕合力学模型及其有效应力规律展开了大量的实验研究。此后，瓦斯在煤层和岩层中渗流的非线性定律被更多的专家和学者验证，达西非线性定律开始被广泛接受和应用。例如，罗新荣等专家学者推算出了非均匀介质可压密煤层瓦斯流动的数值模拟方程，描述出了煤孔、煤壁瓦斯涌出衰减曲线方程和煤层瓦斯压力的分布曲线方程。2、瓦斯在煤层中的线性扩散理论赞同瓦斯线性扩散理论的专家学者们
16、指出：瓦斯在煤体裂隙和孔隙内的扩散规律基本符合菲克定律，即线性扩散定律。与国外专家学者对煤屑中的瓦斯扩散基础理论的研究相比，我国的相关研究不是很多。杨其奎，王佑安等人对矿井瓦斯在煤体空隙内的扩散流动运移机理和扩散模式和形式进行了一些研究。3、瓦斯渗透扩散理论瓦斯在煤层内部的运动和运移不是单一的过程，而是包括渗流、扩散等多种运动和运移过程的综合过程。伴随着近几年国内外专家学者对煤、岩层瓦斯移动规律展开的各种各样研究，瓦斯渗透扩散理论已经被广泛接受和应用。4、多煤层系统瓦斯越流理论瓦斯问题很复杂，尤其是在将理论付诸于实际情况的过程里。因此，很多学者和专家开始结合流体力学的相关概念，将流体和固体(煤体)相互作用，提出了气固藕合模型与数值对比分析方法，将煤、岩体瓦斯渗流力学的研究推向更高的层次。由上述理论背景可知，尽管国内外专家学者对瓦斯分布流动运移规律进行了多年的深入研究，从不同的角度，形成了各自的理论学
