煤礦瓦斯抽采新技術(shù)

成績(jī)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)級(jí)士研究生課程考試試卷考試科目煤礦瓦斯抽采新技術(shù)考試時(shí)間學(xué)生姓名學(xué)號(hào)所在院系任課教師中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究生院培養(yǎng)管理處印制

高瓦斯低透氣性煤層增透技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述摘要：煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，隨著開采深度的增加，瓦斯已成為嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。由于我國(guó)煤系地層普遍屬于低滲透性煤層，與國(guó)外相比瓦斯抽采效果很不理想。因此，利用煤層增透技術(shù)，增大高瓦斯低透氣性煤層的透氣性，提高瓦斯抽采效率，已成為實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，首先介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者們關(guān)于煤層透氣性影響因素的研究成果。接著通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了國(guó)內(nèi)煤礦煤層瓦斯抽采存在的主要問(wèn)題，并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析。然后根據(jù)存在的問(wèn)題著重介紹了目前國(guó)內(nèi)增加煤層透氣性的主要方法和技術(shù)手段，并列舉數(shù)據(jù)和相應(yīng)實(shí)例對(duì)各種增透技術(shù)的效果和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。最后，從理論和技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)現(xiàn)階段煤層增透技術(shù)研究中可能存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討，并總結(jié)了原因，并對(duì)將來(lái)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：高瓦斯低透氣性煤層；卸壓增透；研究現(xiàn)狀1前言煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，瓦斯災(zāi)害已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。而我國(guó)煤系地層普遍屬于低滲透性煤層，研究表明:我國(guó)煤層滲透率一般在(0.001～0.1)×10-3um2，國(guó)內(nèi)滲透率最大的撫順煤田也僅為(0.54～3.8)×10-3um2，其滲透性比美國(guó)低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，并且隨著煤層開采深度的增加，煤層透氣性隨之減小，致使煤層氣預(yù)抽難以實(shí)施，效果很差，從而嚴(yán)重影響了煤層瓦斯的抽采率和瓦斯抽采效果。因此，通過(guò)對(duì)高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透，提高抽采鉆孔的單孔有效影響范圍，已成為實(shí)現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2國(guó)內(nèi)外煤體透氣性的影響因素研究現(xiàn)狀2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀1988年Mckee等通過(guò)對(duì)美國(guó)皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤層滲透率與埋藏深度關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，隨著煤層埋藏深度和有效應(yīng)力增加,煤層割理縫的寬度減小,滲透率呈指數(shù)降低。Harpalani和Mcpherson研究了應(yīng)力對(duì)美國(guó)中西部煤的氣體滲透率的影響，得出滲透率隨應(yīng)力呈指數(shù)下降。1997年Enever等通過(guò)對(duì)澳大利亞煤層滲透率與有效應(yīng)力的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，煤層滲透率變化值與地應(yīng)力的變化呈指數(shù)關(guān)系。2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1987年林柏泉、周世寧研究了在孔隙壓力一定的條件下，滲透率和圍壓力以及煤樣變形間的關(guān)系；得出在圍壓力不變的前提下，孔隙壓力和滲透率以及煤樣變形值間的關(guān)系基本北票臺(tái)吉一井3C4281.536上水城汪家寨811351.343上水城老鷹山813431.5125上漣邵蛇形山1上3中351.1593上六枝地宗礦137431.2346上天府磨心坡79230.555000上漣邵蛇形山1上4501.1596上天府磨心坡29800.7586上正是由于保護(hù)層開采增透效果明顯，我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》第一百九十二條規(guī)定：“對(duì)于有突出危險(xiǎn)煤層，應(yīng)采取開采保護(hù)層或預(yù)抽煤層瓦斯等區(qū)域性防治突出措施”。第一百九十三條規(guī)定：“在突出礦井開采煤層群時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇開采保護(hù)層防治突出措施”。目前保護(hù)層開采在全國(guó)范圍已得到了廣泛的應(yīng)用。4.2煤層層內(nèi)增透技術(shù)煤層層內(nèi)增透可分為兩種：一是通過(guò)煤層卸壓增加煤層透氣性，使瓦斯流動(dòng)通道順暢；二是降低煤的瓦斯吸附能力，使游離瓦斯量增大、瓦斯壓力相應(yīng)增高。4.2.1煤層層內(nèi)卸壓增透技術(shù)煤層層內(nèi)卸壓方法主要有大直徑密集鉆孔抽放、水力壓裂加支撐劑、水力沖孔、水力割縫、控制預(yù)裂爆破、松動(dòng)爆破和高能氣體壓裂等。大直徑密集鉆孔抽放是通過(guò)向煤層施工大直徑密集穿層鉆孔取煤，造成煤體局部卸壓，增加煤體的透氣性。增大鉆孔直徑相應(yīng)增大了煤體的接觸面積，并導(dǎo)致鉆孔周圍煤體的卸壓圈增大，提高了單個(gè)鉆孔周圍煤體的透氣性。水力壓裂加支撐劑抽放：水力壓裂的基本原理是通過(guò)鉆孔將大量混入石英砂或其它支撐劑的高壓液體壓入油氣儲(chǔ)層，迫使儲(chǔ)層破裂形成垂直或平行層面的裂縫，使支撐劑充滿裂縫，以便在停止壓裂后支撐住裂隙。近20多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將石油工業(yè)的水力壓裂法應(yīng)用于本煤層的瓦斯抽放以及煤層氣的開采中，但由于煤層構(gòu)造復(fù)雜，煤質(zhì)松軟，常導(dǎo)致壓裂的方向不易控制或支撐劑容易嵌入煤體，而且壓裂液進(jìn)入煤體后不易排除，很難較大范圍提高煤層的透氣性。另外，水力壓裂加支撐劑，在煤層壓裂裂縫周圍會(huì)形成一高應(yīng)力區(qū)，它的存在較大幅度低降低了裂縫周圍煤體的滲透性，即盡管形成了較好的滲流通道，但裂縫周圍反而形成一個(gè)屏障區(qū)，這也導(dǎo)致水力壓裂技術(shù)改造低滲透煤層效果不佳。水力沖孔瓦斯抽放方法是在鉆孔的基礎(chǔ)上，用水力沖刷鉆孔，以達(dá)到擴(kuò)大鉆孔直徑和沖洗鉆孔壁煤粉的目的，使鉆孔壁有更好的滲透性，但增透效果有限，目前已很少應(yīng)用。水力割縫瓦斯抽放方法：20世紀(jì)80年代，鶴壁礦務(wù)局四礦、湖南紅衛(wèi)煤礦曾進(jìn)行了水力割縫強(qiáng)化抽放技術(shù)的研究。研究結(jié)果證明該技術(shù)可以提高煤層的滲透性。趙嵐等在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水力割縫的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明水力割縫可以釋放煤層內(nèi)的部分有效體積應(yīng)力，應(yīng)力場(chǎng)重新分布，煤層內(nèi)的裂縫和裂隙的數(shù)量、長(zhǎng)度和張開度得到增加，增大了煤層內(nèi)裂縫、裂隙和空隙的連通面積，從而增加了低滲透煤層的滲透性。近年林柏泉等人通過(guò)分析煤層巷道煤與瓦斯突出機(jī)理，提出了整體卸壓的理念，對(duì)傳統(tǒng)水力割縫進(jìn)行了改進(jìn)開發(fā)了高壓磨料射流割縫防突技術(shù)并且在煤層巷道掘進(jìn)工作面進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：該技術(shù)可用于具有突出或沖擊危險(xiǎn)的煤層，可以使鉆孔之間相互溝通，造出縫隙，使煤體得到充分卸壓，煤體中的瓦斯得到排放，應(yīng)力得到解除，為掘進(jìn)工作提供較為安全的工作環(huán)境。高壓磨料射流割縫技術(shù)具有割縫能力強(qiáng)、用水量相對(duì)較少、工藝簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)，可用于高瓦斯高應(yīng)力煤層巷道掘進(jìn)工作面的快速卸壓、增透和排瓦斯工作，通過(guò)有效的割縫,能夠快速釋放煤體中的瓦斯和地應(yīng)力,掘進(jìn)巷道的安全狀況得到明顯改善，還可以減少用于消突的瓦斯排放鉆孔的個(gè)數(shù)，提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，具有明顯地經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。深孔控制預(yù)裂爆破的實(shí)質(zhì)是在回采工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷每隔一定距離，平行于采煤工作面打一定深孔和控制孔，二者交替布置。爆破孔裝藥段利用壓風(fēng)裝藥器進(jìn)行連續(xù)耦合裝藥。利用炸藥爆炸的能力、瓦斯壓力及控制孔的導(dǎo)向和補(bǔ)償作用使煤體產(chǎn)生新的裂隙，并使原生裂隙得以擴(kuò)展，提高煤層的透氣性。平煤集團(tuán)五礦己72228工作面試驗(yàn)表明，深孔預(yù)裂爆破后，煤層透氣系數(shù)可增加6倍。松動(dòng)爆破是在工作面前方的煤體中打3～5個(gè)深8ｍ以上的炮眼，裝藥爆破，使炮眼周圍的煤體在炸藥產(chǎn)生的爆壓作用下，產(chǎn)生破裂和松動(dòng)，以形成破碎圈、松動(dòng)圈和裂隙圈。深孔松動(dòng)爆破技術(shù)不僅適用于煤巷掘進(jìn)，也可用在回采工作面。60年代中期我國(guó)在漣邵、北票等礦開始試用，以后不斷推廣，迄今為止已有28對(duì)礦井應(yīng)用了這一措施，并且隨著突出礦井的增加還有繼續(xù)增加的趨勢(shì)。高能氣體壓裂技術(shù)是利用發(fā)射藥和推進(jìn)劑在鉆孔中燃燒所產(chǎn)生的高溫高壓氣體對(duì)煤層實(shí)施脈沖加載。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的裝藥結(jié)構(gòu)，控制峰值壓力和脈沖加載時(shí)間，可在鉆孔周圍形成長(zhǎng)而多的裂縫，使其相互溝通，增加通透性。目前美國(guó)、俄國(guó)、法國(guó)等都進(jìn)行了理論與實(shí)踐的研究，取得了成功。80年代末我國(guó)的高能氣體壓裂技術(shù)也取得了成功，現(xiàn)主要用于油田提高油氣產(chǎn)出率。煤層與油氣儲(chǔ)層有相似之處，把這項(xiàng)技術(shù)用于煤層瓦斯抽采是一項(xiàng)新的嘗試，可為提高瓦斯抽采率提供新途徑。4.2.2降低煤層瓦斯吸附能降低煤的瓦斯吸附能力是利用煤-瓦斯系統(tǒng)處于交變電磁場(chǎng)作用下，煤體溫度升高，瓦斯吸附量減少，瓦斯吸附能降低，煤層瓦斯壓力升高的效應(yīng)以提高瓦斯抽放效果。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)通過(guò)試驗(yàn)研究了施加交變電場(chǎng)條件下的煤體瓦斯?jié)B透特性，研究結(jié)果表明，煤體瓦斯?jié)B透率對(duì)電場(chǎng)有明顯的響應(yīng)。但這種方法目前處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，可能是一條有效途徑，有待于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證。5結(jié)論低透氣性煤層層內(nèi)增透技術(shù)是人們公認(rèn)的難題，經(jīng)過(guò)幾十年的研究探索，已取得了一定的成效。在理論研究方面，煤層內(nèi)卸壓增透技術(shù)的研究方法比較多地集中在基于數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值模擬的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用兩個(gè)方面，基于物理模擬條件下的層內(nèi)卸壓增透的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。有必要建立專用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)且不受現(xiàn)場(chǎng)影響等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)建立物理模型，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)測(cè)定手段及數(shù)據(jù)采集分析方法，對(duì)各種煤層卸壓增透技術(shù)，進(jìn)行較為全面的系統(tǒng)性研究。在技術(shù)方面，層內(nèi)卸壓增透所采取的各種措施在局部起到了一定的效果，但尚未從根本上解決區(qū)域性整體卸壓增透的問(wèn)題，達(dá)到大面積整體提高煤層瓦斯抽采率的目的。原因可歸納為以下幾點(diǎn)：一是煤層賦存條件復(fù)雜，增透效果差；二是增透工藝繁瑣，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制；三是增透技術(shù)本身不完善；四是一些層內(nèi)增流技術(shù)的實(shí)施直接面對(duì)突出煤層，實(shí)施危險(xiǎn)性大。我國(guó)高瓦斯低透氣性煤層分布廣、瓦斯抽采難，是眾多煤礦企業(yè)普遍存在的技術(shù)難題，提高煤層的透氣性，增強(qiáng)瓦斯抽采效果，是目前呈待解決的問(wèn)題，隨著增透機(jī)理研究的深入、增透技術(shù)的發(fā)展，更為方便、適用的技術(shù)將會(huì)投入到實(shí)際生產(chǎn)中，為確保煤礦的安全高效生產(chǎn)提供保障。參考文獻(xiàn)[1]俞啟香．礦井瓦斯防治[M]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992．[2]于不凡．煤礦瓦斯防治技術(shù)[M]．北京：中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，1987．[3]于不凡．煤與瓦斯突出機(jī)理[M]．北京:煤炭工業(yè)出版社，1985．[4]胡千庭，蔣時(shí)才，蘇文叔．我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害防治對(duì)策[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2002，27(1):1-4．[5]林柏泉，周世寧．煤樣瓦斯?jié)B透率的實(shí)驗(yàn)研究[J]．中國(guó)礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1987，1：21-28．[6]賈軍唐，培琴．三軸應(yīng)力對(duì)煤層滲透性的影響[J]．探礦工程，1994，1：43-47．[7]張廣洋，胡耀華，姜德義．煤的瓦斯?jié)B透性影響因素的探討[J]．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）1995，18（3）：27-30．[8]胡耀青，趙陽(yáng)升．三維應(yīng)力作用下煤體瓦斯?jié)B透規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J]．山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，16（4）：308-311．[9]鄭少河，段康廉，趙陽(yáng)升．有效應(yīng)力作用下單裂隙滲透規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J]．山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，15（3）：283-288．[10]何偉鋼，唐書恒，謝曉東．地應(yīng)力對(duì)煤層滲透性的影響[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，19（4）：353-355．[11]趙陽(yáng)升，楊棟．低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣開采有效技術(shù)途徑的研究[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（5）：455-458．[12]張興華．煤的原生孔結(jié)構(gòu)對(duì)煤層滲透性的影響，煤礦安全[J]．2005，36（11）：4-7．[13]馮增朝，趙陽(yáng)升．瓦斯排放與煤體變形規(guī)律試驗(yàn)研究[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（1）：21-23．[14]隆清明，趙旭生，牟景珊．孔隙氣壓對(duì)煤層氣體滲透性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，2，35（1）：10-12．[15]McKeeC．R，A．C．BumbandR．A．Koenig．StressDependentPermeabilityandPorosityofCoal[M]．RockeyMountainAssociationofGeologist，1988:p．143-153．[16]PalRoyP．，SawmlianaC．，BhagatN．K．etal．Inducedcavingbyblasting:InnovativeexperimentsinblastinggalleryPanelsofundergroundcoalminesofIndia[J]．TransactionsoftheInstitutionofMiningandMetallurgy，SectionA:MiningTechnologyvll2nl2003．4:57～63．[17]J．R．E．Enever，A．Henning．TheRelationshipBetweenPermeabilityandEffectiveStressforAustralianCoalandItsImplicationswithRespecttoCoalbedMethaneExplorationandReservoirModelling[M]．Proceedingsofthe1997internationalCoalbedMethaneSymposium，1997，13～22．[18]林柏泉，呂有廠，李寶玉，翟成．高壓磨料射流割縫技術(shù)及其在防突工程中的應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（9）：959-963．[19]余長(zhǎng)林．提高低透氣性煤層鉆孔抽采瓦斯量的途徑[J]．煤礦安全，1999，5：35-36．[20]鄒忠有，白鐵剛等．水力沖割煤層卸壓抽采瓦斯技術(shù)的研究[J]．煤礦安全，2000，1：34-36．[21]趙嵐，馮增朝，楊棟，趙陽(yáng)升．水力割縫提高低滲透煤層滲透性實(shí)驗(yàn)研究[J]．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，32（2）：109-111．[22]段康廉，馮增朝，低滲透煤層鉆孔與水力割縫瓦斯排放的實(shí)驗(yàn)研究[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2002，17427（1）：50-53．[23]王婕，林柏泉，茹阿鵬．割縫排放低透氣性煤層瓦斯過(guò)程的數(shù)值試驗(yàn)[J]．煤礦安全，2005，36（8）：4-7．[24]唐建新，賈劍青．鉆孔中煤體割縫的高壓水射流裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)