瓦斯特性及其抽放

瓦斯特性及其抽放一、瓦斯特性1、危害性（1） 燃燒、爆炸（2）窒息（3）噴出、突出（4） 溫室效應2、重要能源CH+20 >CO+2H20+Q4 2 2ImsCH —?37022.2kJ相當于l~1.5Kg煙煤。4重要的化工原料。我國煤炭資源儲量豐富，分布地域廣闊，產量居世界首位，煤炭的開采和利用對我國國民經濟的發(fā)展起著重要的作用。我國煤炭生產主要為地下開采，隨著采深的增加，采掘機械化程度的提高，煤層中瓦斯涌出量不斷增加，瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故已經成為我國煤礦安全事故居高不下的主要矛盾，有效控制瓦斯事故是解決我國煤礦安全問題的關鍵。在井下生產過程中，隨著礦井瓦斯涌出量的不斷增大，為消除瓦斯隱患所花費的成本也不斷增高。對高瓦斯和煤與瓦斯突出的礦井，大型機械化采掘設備難以發(fā)揮其效用，回采工作面產量和掘進工作面進尺受到限制，因此瓦斯隱患極大地影響了煤礦生產規(guī)模、生產效率和經濟效益。有效控制瓦斯隱患是保證我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個關鍵性問題。瓦斯還是一種溫室氣體，溫室效應是二氧化碳的21倍，對臭氧層的破壞能力是二氧化碳的7倍。按生產噸煤平均排放10m3瓦斯量計算，我國每年排入大氣的瓦斯量約為200億m3，其產生的溫室效應相當于排放3億噸C02。同時排放到大氣中的瓦斯還含有HS、CO、NO等放射性物質，不僅污染大氣，而且影響人體健康。在過去地200?300年中，大氣中甲烷濃度已增加了1倍。瓦斯還是一種優(yōu)質資源，我國陸上埋深在2000m以內的瓦斯資源總量（煤層氣）約為30萬億m3,多于陸上常規(guī)天然氣的資源量（29萬億m3），相當于400億t標準煤；按我國現有的能源消耗標準，相當于我國使用20年的能源量。因此利用專門的設備與設施把煤層、巖層和采空區(qū)內所含的瓦斯抽出是減少煤礦井巷瓦斯涌出量、降低開采和工作面瓦斯?jié)舛?、預防瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故的根本措施；是解決和提升高瓦斯礦井和突出礦井生產能力、實現煤礦長治久安的重大關鍵措施；是開發(fā)煤層氣這一潔凈高效能源，實現煤、氣兩種資源共采，造福人類的合理舉措；也是減少大氣污染、溫室效應，保護環(huán)境，落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重大措施。二、 礦井瓦斯抽放發(fā)展歷程隨著煤炭工業(yè)技術的發(fā)展，瓦斯抽放技術也得了不斷地提高，我國煤礦抽放瓦斯技術大致經歷了4個發(fā)展階段。高透氣性煤層瓦斯抽放階段20世紀50年代初期，在撫順高透氣性特厚煤層中首次采用井下鉆孔預抽煤層瓦斯獲得了成功，抽出的瓦斯作為民用燃料得到了應用，這一方法解決了撫順礦區(qū)向深部開采過程中遇到的關鍵性安全問題，。但由于當時對煤層透氣性與抽放效果之間的關系認識不深，當在其他礦井采用類似的方法抽放瓦斯時，由于預抽煤層的透氣性遠遠小于撫順煤層，因此抽放效果不明顯。鄰近層卸壓瓦斯抽放階段20世紀50年代初期，在開采煤層群的礦井中，采用井下穿層鉆孔抽放上鄰近層瓦斯的試驗在陽泉礦區(qū)獲得成功，解決了煤層群開采中首采工作面瓦斯涌出量大的問題。在這個階段，通過大量的瓦斯抽放試驗，認識到利用煤層開采后形成的頂底板采動卸壓作用，對未開采的相鄰煤層（包括不可采煤層）進行邊采邊抽可有效地抽出瓦斯、減少鄰近層卸壓瓦斯向開采層工作面大量涌出。到20世紀60年代，該方法已在不同煤層賦存條件的上、下鄰近層中得到應用，都取得了較好的抽放效果。鄰近層卸壓瓦斯抽放技術在我國得到了廣泛的推廣應用。低透氣性煤層強化抽瓦斯階段由于在一些透氣性較差的高瓦斯煤層及突出危險煤層采用通常的布孔方式預抽瓦斯的效果不理想，難以解除煤層開采的瓦斯威脅，為此，從20世紀60年代開始，科研院校與現場結合，試驗研究了多種強化抽放開采煤層瓦斯的方法，如煤層高、中壓注水，水力壓裂，水力割縫，松動爆破，大直徑（擴孔）鉆孔，網格式密集布孔，預裂控制爆破，交叉布孔等。在這些方法中，多數方法在試驗區(qū)取得了提高瓦斯抽放量的效果，但是由于有的工藝較復雜，有的裝備龐大井下不適用，有的需要增加較多的工程及設備，所以直到目前為止，強化抽瓦斯措施還沒有達到工業(yè)應用程度?？墒峭ㄟ^試驗，得到一個認識，即對于“可以抽放”甚至“較難抽放”的煤層，當在煤層中適當加大布孔密度，并通過采用強化抽瓦斯措施，是可以擴大鉆孔的卸壓范圍、增加煤層透氣性、提高瓦斯抽放率的。目前，低透氣性煤層強化抽瓦斯技術仍在繼續(xù)探索中，以試驗新的更經濟有效的途徑。綜合抽瓦斯階段從20世紀80年代開始，隨著機采、綜采和綜放采煤技術的發(fā)展和應用，采區(qū)巷道布置方式有了新的改變，采掘推進速度加快、開采強度增大，使工作面絕對瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是存在鄰近層的工作面，其瓦斯涌出量的增長幅度更大，采區(qū)內瓦斯平衡構成也發(fā)生了很大變化。為了解決高產高效工作面多瓦斯涌出源、高瓦斯涌出量的問題，必須結合礦井的地質開采條件，實施綜合抽放瓦斯。所謂綜合抽瓦斯技術，就是把開采煤層瓦斯采前預抽，卸壓鄰近層瓦斯邊采邊抽及采空區(qū)瓦斯采后抽放等多種方法在一個采區(qū)內綜合使用，在空間及時間上為瓦斯抽放創(chuàng)造更多的有利條件，在工藝及方式上將鉆孔抽放與巷道抽放相結合、井下抽放與地面鉆孔抽放相結合、常規(guī)抽放與強化抽瓦斯相結合、垂直短鉆孔抽放與水平長鉆孔抽瓦斯相結合的技術措施。采用綜合抽瓦斯方法后可最大限度地利用時間及空間增加瓦斯抽放量、提高瓦斯抽放率，緩解掘、抽、采接替緊張狀態(tài)。綜合抽放瓦斯方法在技術原理上沒有新穎之處，它僅是針對多瓦斯涌出源的特點將多種抽放方法綜合在一起，使瓦斯抽放量及抽放率達到最高。在一個礦井或一個工作面采用多種方式方法抽放瓦斯是綜合抽瓦斯方法的特點，它是當前高產高效礦井抽瓦斯技術的發(fā)展方向，也是關于治理瓦斯的“密鉆孔、嚴封閉、綜合抽”技術方針的重要方面。綜合抽瓦斯是礦井防止瓦斯事故的可靠的安全保障措施，也為開發(fā)、利用煤層氣資源提供了經濟有效的技術手段。三、 礦井瓦斯抽放方法目前對于礦井瓦斯抽放方法尚無統(tǒng)一的分類標準，通常按照瓦斯來源可分為開采層瓦斯抽放、臨近層瓦斯抽放、采空區(qū)瓦斯抽放、圍巖瓦斯抽放和綜合瓦斯抽放；按抽放工藝可分為鉆孔抽放、巷道抽放和鉆孔巷道混合抽放；按煤層及圍巖地應力變化可分為未卸壓抽放、卸壓抽放和強化抽放；按與采掘工作面相對時間可分為采前預抽、邊采邊抽、邊掘邊抽和采后抽放；按抽放設備施工位置可分為地面抽放和井下抽放。瓦斯抽放方法的選擇主要決定于煤層地質賦存條件、開采條件、煤層透氣性、煤層瓦斯含量、瓦斯來源及抽放技術條件等因素。根據瓦斯來源及抽放技術分類如下：礦井瓦斯抽放方法分類表抽放分類抽放方法抽放方式適用條件開采層抽放未卸壓煤層局部抽放超前鉆孔咼瓦斯或有突出危險煤層大面積抽放順層鉆孔抽放咼瓦斯煤層，有充裕預抽時間穿層鉆孔抽放

專用瓦斯巷抽放鉆孔和巷道混合抽放地面鉆孔抽放卸壓煤層抽放邊采邊抽煤層瓦斯涌出量較大，透氣性較小，預抽時間不充分邊掘邊抽掘進頭瓦斯涌出量較大強化抽放水力壓裂煤層透氣性低水力割縫松動爆破物理化學處理鄰近層抽放上下鄰近層抽放巷道鉆孔抽放鄰近層向開采層瓦斯涌出量較大地面鉆孔抽放專用抽放巷綜合抽放米空區(qū)抽放已采區(qū)密閉埋管抽放瓦斯涌出量較大的已采區(qū)密閉巷道抽放現采區(qū)埋管抽放瓦斯涌出量較大的回采工作面井下鉆孔抽放地面鉆孔抽放綜合抽放圍巖抽放圍巖裂隙溶洞裂隙鉆孔抽放存在裂隙、溶洞的圍巖瓦斯涌出量較大或有瓦斯噴出危險溶洞鉆孔抽放密閉巷道抽放四、提高瓦斯抽放量的常規(guī)途徑（一）增加鉆孔暴露面加大鉆孔半徑r0依據煤層瓦斯流動理論，當穿層鉆孔的瓦斯流場為徑向穩(wěn)定流動時，鉆孔瓦斯涌出量為：1)兀m九(p2—p2)為：1)q= 0 r01RpIn—stdr0式中 q一鉆孔瓦斯涌出量，m3/min;m—煤層厚度或鉆孔穿煤厚度，m；九—煤層透氣性系數,m2/(MPa.d);p－煤層原始瓦斯壓力，Mpa；0p—鉆孔內瓦斯壓力，Mpa；r0P—標準狀況下的大氣壓，取O.IMpa；stdR—鉆孔瓦斯流動場的影響半徑，m；ro-鉆孔半徑，m。如果鉆孔瓦斯流動半徑R=伽，在其他參數不變的情況下，孔徑由賦0.5增加到廠。=lm，則鉆孔瓦斯流量的變化率為:]10ln——k=qi= 0.1 =2—q—JO—ln-1上式說明在鉆孔直徑增大10倍的情況下，鉆孔瓦斯流量僅僅增大2倍。因此單純采用增大鉆孔直徑的方法并不能取得滿意的抽放效果。同時從現場打鉆工藝技術來說，孔徑太大常常會出現塌孔而阻塞鉆孔通道的現象。增加鉆孔穿煤長度在鉆孔的設計中，穿煤鉆孔應穿透煤層整個厚度，順層鉆孔應盡可能增加鉆孔長度。但煤層厚度是一個定值，順層鉆孔長度的增加也是有限的，鉆孔愈長打鉆技術難度也愈大，因此通過增加鉆孔穿煤長度來提高瓦斯抽放量的效果也是有限的。當然，實際現場還是盡量使鉆孔盡可能地覆蓋整個煤層區(qū)域，才能夠最大限度地發(fā)揮抽放的作用。增加鉆孔密度增加鉆孔密度是指在一定的鉆場范圍內增加鉆孔數量，即縮短鉆孔間距，增加鉆孔對瓦斯流場的控制范圍，從而提高對整個煤層的瓦斯抽放率。鉆孔密度應依據煤層透氣性系數、鉆孔長度、鉆孔直徑、抽放時間、瓦斯抽放率等各種參數綜合分析，以確定最佳抽放鉆孔密度。實踐表明，合理提高鉆孔密度對提高瓦斯抽放率效果顯著，同時由于增加鉆孔密度是一

種簡單易行的措施，因此該方法是目前提高開采層瓦斯抽放率的一項主要途徑。但提高鉆孔密度會大大增加抽放工程量，大幅度提高抽放成本。鉆孔影響范圍’流冋巷道a）b）（鉆孔影響范圍’流冋巷道a）b）（C）不同鉆孔間距的抽放效果a—鉆孔間距太大，瓦斯流入巷道內；b—鉆孔太密、間距太小，每米鉆孔瓦斯抽放量太小；c—理想（最佳）的鉆孔間距下圖所示為撫順一個鉆場內鉆孔數量與抽放量的關系曲線。從圖中可知，當一個鉆場內的鉆孔數達到4個時，瓦斯抽放量已趨于最大，再增加孔數，增加抽放量的作用就不大了。瓦斯抽放量與鉆孔數量的關系/瓦斯抽放量與鉆孔數量的關系/必須指出，對于低透氣性煤層，每個鉆孔所控制的瓦斯流動場的范圍是很小的，隨著時間的增長，流動場的擴展范圍也很小，在這種情況下，增加鉆孔密度對提高瓦斯抽放率效果較顯著；而且當鉆孔密度達到一定程度時，對煤層還能起到增加卸壓作用，這在網格式預抽瓦斯作為防突的區(qū)域性措施試驗中已得到驗證。鉆孔密度應該根據開采煤層要求達到的瓦斯抽放率、采場接替能提供的允許瓦斯抽放時間，以及在該時間內鉆孔能達到的瓦斯流場范圍等綜合因素來確定，以做到抽放效果最佳經濟上最合理。（二）人為改變瓦斯流動場的邊界條件1.提高煤層瓦斯壓力兀m九(p2—p2)q= 0 r01R

pIn

stdr0從上式中可知，在其他參數不變的情況下，鉆孔瓦斯涌出量q與煤層原始瓦斯應力Po成正比關系。如果采取人工方式增大煤層瓦斯壓力則會提高鉆孔的瓦斯涌出量。目前在該方面的工作主要有煤層高壓注水和高壓注氣。試驗表明高壓注水并沒有增加鉆孔瓦斯流量，主要原因為注水后瓦斯與水在煤體內呈二相流動，煤體內的孔隙被水浸潤飽和后，氣相流動的滲透系數反而變小，抑制了瓦斯的涌出。高壓注氣目前還處于試驗階段，在工藝技術和理論研究上還存在一系列問題，如煤對混合氣體的吸附、解吸能力問題，向煤層注氣的均勻性問題，注高壓氣體的安全性問題，混合氣體的爆炸危險性問題等。2.提高鉆孔抽放負壓兀m九(p2—p2)q= 0 r0iR

pin

stdr0從上式中可知，鉆孔瓦斯涌出量q與鉆孔內瓦斯壓力pr0成反比，即抽放負壓越大鉆孔瓦斯涌出量越高。從理論上p的變化范圍為0.1?0Mpa,其變化對q的影響有限。但實際r0測試表明，煤體受負壓影響，當其內部的瓦斯被排出后會發(fā)生收縮變形，如果煤體的各向物理機械性質不同，則在收縮過程中，會導致煤體裂隙分布的變化，因此使得煤層透氣性系數發(fā)生改變，從而增加鉆孔瓦斯涌出量。對于不同的煤層，由于煤的變質程度、煤體成分、原始瓦斯壓力、地應力、堅固性系數等各不相同，因此最佳抽放負壓也各不相同，通常根據實測鉆孔壓力數據而得。

圖6-3典型的抽放鉆孔“負壓一

流量”特性曲線示意圖圖6-3給出了幾種典型的鉆孔“負壓一流量”特性曲線，圖中A孔的特性曲線表明，隨著負壓的增高，鉆孔瓦斯流量也增加，但負壓達到pA時，再增加負壓對鉆孔流量的增加作用就不大了；鉆孔B在負壓增加到pB時，瓦斯流量反而下降，其原因可能是瓦斯供給源貧乏及鉆孔漏氣嚴重，這就需要調整抽放負壓；鉆孔C當抽放負壓稍有增加時，瓦斯流量即可大幅度增加并達到最大值；鉆孔D則需要有較高的抽放負壓鉆孔瓦斯流量才能相應增大，并達到最大值。為了確定有效抽放負壓，應對鉆孔的“負壓—流量”特性曲線進行測定。瓦斯抽放的實踐經驗表明，由于受管路及鉆孔密封性的影響，提高負壓會增加巷道空氣量的漏入；另外由于瓦斯抽放泵所能達到的負壓值也有一定限度，因此要想把抽放負壓提得很高是有困難的。（三） 延長鉆孔抽放時間由于實際鉆孔內的瓦斯流程為非穩(wěn)定流動，因此根據經驗公式，鉆孔內的瓦斯涌出量q為.q為.q二2兀rmqe一負002）式中q0—鉆孔瓦斯涌出初始強度，m3/min.m2;t—鉆孔內瓦斯流動時間，min；a—鉆孔瓦斯流量衰減系數，d-i.依據公式（2），當鉆孔抽放時間tT8時，鉆孔瓦斯抽放總量的理論極限值為:Q =Jtqdt=J?2兀rmqe-adt二2兀rm纟amax0 0 00 0a因此鉆孔瓦斯抽放瓦斯總量不是無限增加的，據實際現場經驗表明，對透氣性較低的煤層，由于衰減系數較大，一般抽放半年至一年，鉆孔瓦斯抽放總量就已經達到極限抽放量的80%?90%，在此情況下即使再增加抽放時間，已沒有實際意義,況且現場生產過程中，常常沒有太長的瓦斯預抽時間。因此當鉆孔抽放時間達到一定階段時，延長抽放時間對提高瓦斯抽放量的作用已不明顯。改變煤層透氣性系數1.地壓經試驗研究表明，煤樣的透氣性系數與其負荷壓力的關系可用下式表達：X=Xe-bG (3)0式中X—煤樣上壓力為G時的透氣性系數；X0—無負荷條件下煤樣的透氣性系數；G—煤樣上的負荷壓力，Mpa.b—與煤的性質有關的常數。以北票煤樣為例，實驗室測定結果b=0.00403。式(3)說明煤層埋藏越深，地壓越大，其透氣性系數越小。因此對煤層卸壓，減小煤層的低層壓力可增加煤層透氣性系數，從而能增加瓦斯抽放量。當北票煤樣上負荷為1及l(fā)°MPa時，代入3-13-8，得：人冋、人0=0.67心從上述計算結果可以看出，當煤樣上負荷增加到10MP，即相當于垂深400m的地層壓力時，煤的透a氣性系數比無負荷時減少1/3，這說明煤層埋藏深度愈深、地壓愈大，其透氣性系數愈小，因此減小煤層上面的地層壓力，即卸