煤礦采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律研究

煤礦采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律研究

1相對瓦斯治理標準煤炭殘渣形成于焦井地質沉積過程中。在采礦和開采期間，會發(fā)生不同程度的泄漏。絕對磷和相對磷的產(chǎn)量通常用于表示。絕對瓦斯涌出量是指礦井在單位時間內(nèi)涌出瓦斯氣體的體積,單位m3/min或m3/d。相對瓦斯涌出量是指礦井在正常生產(chǎn)條件下單位出煤量所涌出的瓦斯體積,單位為m3/t煤。兩者的相互關系為:q=Q/A,q為相對瓦斯涌出量,m3/t;Q為絕對瓦斯涌出量,m3/d;A為礦井日產(chǎn)煤量,t/d。絕對瓦斯涌出量僅能表示礦井(或采區(qū))涌出瓦斯的多少,但不能以此判斷礦井(或采區(qū))瓦斯涌出的嚴重程度。而相對瓦斯涌出量是以礦井(或采區(qū))產(chǎn)煤量為基礎的,可以作為判斷瓦斯涌出嚴重程度的標準。礦井(或煤層、采區(qū)、工作面)瓦斯涌出量的大小,主要取決于下列自然因素和開采技術因素。1.1巖石瓦斯含量煤層(包括可采煤層和非可采煤層)和圍巖的瓦斯含量是瓦斯涌出量大小的決定因素,瓦斯含量越高,瓦斯涌出量越大。煤層瓦斯含量是礦井瓦斯涌出量預測的主要依據(jù)。1.2瓦斯產(chǎn)出量情況開采規(guī)模是指礦井的開采深度、開拓、開采范圍以及礦井的產(chǎn)量而言。隨著開采深度的增大,煤層的瓦斯含量將增大,因而瓦斯涌出量也相應增大。開采規(guī)模越大,絕對瓦斯涌出量也越大,但相對瓦斯涌出量情況比較復雜。如果礦井是靠改進采煤工藝,提高工作面單產(chǎn)來增大產(chǎn)量,則相對瓦斯涌出量明顯地減少,原因為:一是與采面無關的瓦斯源的瓦斯涌出量在產(chǎn)量提高時無明顯增大;二是隨著開采速度加快,鄰近層及采落煤的殘存瓦斯量將增大。如果礦井僅是靠擴大開采規(guī)模來增大產(chǎn)量,則相對涌出量或不變或增大。1.3煤層群采動方式導致瓦斯流失量在開采煤層群中的首采煤層時,由于其涌出的瓦斯不僅來源于開采層本身,而且還來源于上、下鄰近層。因此,開采首采煤層時的瓦斯涌出量往往比開采其它各層時大好幾倍。為了使礦井瓦斯涌出量不發(fā)生大波動,在開采煤層群時,一般應搭配好首采層和其它各層的比例。采煤方法的回采率越低,瓦斯涌出量就越大。因為丟煤中所含瓦斯的絕大部分仍要涌入巷道。在開采煤層群時,由于采用陷落法管理頂板比采用充填法能造成頂板更大范圍的破壞和松動,因而采用陷落法管理頂板的工作面瓦斯涌出量比采用充填法管理頂板的工作面瓦斯涌出量大。1.4地面大氣變化對瓦斯產(chǎn)出量的影響地面大氣壓力的變化,必然引起井下空氣壓力的變化。根據(jù)測定,地面大氣壓力在一年內(nèi)的變化量可達(5～8)×10-3MPa,一天內(nèi)的變化量可達(2～4)×10-3MPa,但與煤層瓦斯壓力相比,地面大氣壓的變化量是很微小的。地面大氣壓的變化對煤層暴露面的瓦斯涌出量沒有太大影響,但對采空區(qū)瓦斯涌出有較大的影響。在生產(chǎn)規(guī)模較大,采空區(qū)瓦斯涌出量占很大比重的礦井,當氣壓突然下降時,采空區(qū)積存的瓦斯會更多地涌入風流中,使礦井瓦斯涌出量增大;當氣壓變化時,礦井瓦斯涌出量會明顯減小。2在采空區(qū)，房間中的磚瓦來源和轉移規(guī)律2.1煤系地層開采開采含瓦斯的情況,主要表現(xiàn)為外來地氣一般而言,采空區(qū)瓦斯主要來源于開采層及其鄰近煤巖層,在壓力梯度的作用下,向采空方向流動。但是,瓦斯流動速度及衰減特性因煤層及巖層具體特性不同會有所差異。如圖1所示,某煤系地層中含2號、3號、4號、5號煤層,因4號煤層的開采而在采空區(qū)一側造成瓦斯釋放通道。采空區(qū)瓦斯壓力的大小和煤層瓦斯釋放速度取決于采空區(qū)空間及采空區(qū)與地面連通情況。在一般情況下,工作面回采完畢后,即封閉采空區(qū)。但由于采空區(qū)隔離煤柱的采動破損、裂隙發(fā)育、以及采空區(qū)密閉的施工質量較差,老采空區(qū)一般與礦井通風系統(tǒng)隔離效果較差。這樣,大量采空區(qū)瓦斯沿煤柱裂隙、空隙和密閉空隙流入礦井通風系統(tǒng)而排出地面。當采空區(qū)被注漿充填,因注漿而把所有巷道封閉后,采空區(qū)孤島瓦斯不再可能與礦井通風系統(tǒng)連通,因此,煤系地層巖層釋放到采空區(qū)的瓦斯,就會積聚形成較高瓦斯壓力,瓦斯會沿煤系地層的裂隙帶張拉裂隙區(qū)而遷移到地面。由于壓力梯度的作用,各煤層及巖層的瓦斯遷移方向都指向采空區(qū)方向,瓦斯壓力與距采空區(qū)臨空煤壁的距離和時間呈負指數(shù)關系,瓦斯涌出速度隨時間延續(xù)而緩慢衰減。在幾十年內(nèi),瓦斯的釋放范圍也僅限于距采空區(qū)臨空煤壁30m～50m之內(nèi)的煤體。當采空區(qū)瓦斯沿地層張拉裂隙發(fā)育區(qū)遷移到地表后,若地表為黃土、亞粘土等滲透性很低的沖積層覆蓋,瓦斯氣體會沿張拉裂隙區(qū)做水平方向的遷移,直到覆蓋層較薄區(qū)域、或無覆蓋層區(qū)域,而散溢至大氣中。因鉆孔或黃土層裂隙的導通,可能在地面某些地方向中集中釋放。2.2煤體內(nèi)瓦斯-瓦斯釋放的動力系統(tǒng)4號煤層距煤壁100m范圍內(nèi),瓦斯壓力隨距離和時間的變化的關系為:p=p0(1?e?αxt√)p0(1-e-αxt)。(1)式中:p——距離煤壁x距離,在t時刻的煤層瓦斯壓力,MPa;p0——煤層原始瓦斯壓力,MPa;α——煤層瓦斯流動距離-時間衰減系數(shù),h0.5/m,根據(jù)實際測試獲得;x——分析點到煤壁的距離,m;t——瓦斯涌出的時間,h。由式(1)可得出4號煤層煤體內(nèi)瓦斯壓力隨距臨空面距離及時間變化的規(guī)律。在煤體臨空面出露初期,釋放瓦斯主要來源于煤體表層瓦斯氣(5m范圍內(nèi)),這一區(qū)域瓦斯壓力降較大;隨著時間的延續(xù),表層大量瓦斯的釋放提高了煤體深部瓦斯壓力梯度,從而促進了深部瓦斯氣體向外運移。理論上講,只要有壓力梯度的存在,煤體瓦斯氣體就會不斷向外流動涌出,直至壓力梯度及瓦斯含量均很小的情況下,煤體瓦斯涌出速度及涌出量越來越小,最后停止涌出。據(jù)進一步觀測可知,隨著瓦斯的不斷涌出,煤體內(nèi)瓦斯壓力梯度衰減很快,瓦斯涌出速度大幅度降低。對4號煤層,開采1a后煤壁12.5m內(nèi)瓦斯壓力梯度0.12MPa/m,2a后25m內(nèi)壓力梯度降0.06MPa/m,7a后35m范圍內(nèi)降為0.043MPa/m。由于有壓力梯度的存在(如50a后,4號煤層30m內(nèi)仍有0.033MPa/m的壓力),深部煤體瓦斯會繼續(xù)不斷涌出,但受煤體瓦斯含量、煤體孔隙率、壓力梯度衰減等因素的制約,涌出速度及涌出量越來越小。2.3瓦斯產(chǎn)出速度考慮煤層應力和瓦斯流動衰減規(guī)律,在大量數(shù)值計算結果的基礎上,得出采空區(qū)煤層瓦斯涌出速度公式為:q=βt-1/2。(2)式中:q——單位時間內(nèi)單位面積,m2;t——臨空煤壁的瓦斯涌出速度,m3/h;β——臨空煤壁瓦斯涌出速度系數(shù),由現(xiàn)場實測得到,m3/h0.5;圖2為4號煤層某采空區(qū)臨空面瓦斯涌出速度隨時間的變化曲線。由圖可見,在臨空面暴露初期第一年,瓦斯涌出速度最高為4.59m3/h,而5a之后,涌出速度迅速降為1.87m3/h,10a之后,降低為1.38m3/h。瓦斯涌出速度,呈負指數(shù)關系遞減,隨時間的延續(xù),瓦斯涌出速度減幅越來越小,從20a到50a,涌出速度基本維持在0.65m3/h～1.0m3/h水平。除4號本煤層內(nèi)的瓦斯氣體之外,在采動影響范圍內(nèi),含瓦斯煤層還有2號、3號、5號煤層。計算結果表明,采空區(qū)上、下方采動影響范圍內(nèi)2號、3號、4號、5號煤層殘余瓦斯量之和為2.23×106m3。計算結果表明,瓦斯涌出速度隨時間呈負指數(shù)關系迅速降低,由初期(采空形成一個月)11.67m3/h,5a后,下降為5.22m3/h,降幅達55.27%。采空區(qū)瓦斯涌出總量隨涌出速度的降低而增長緩慢。由殘余瓦斯量曲線變化圖可見,該采空區(qū)采動影響范圍內(nèi),在5a之后,殘余瓦斯量仍有7.9×105m3。需要說明的是,由于采空區(qū)“三帶”的形成是一個動態(tài)的長時的過程,因此,“裂隙帶”中煤巖體的瓦斯涌出通常會滯后于“冒落帶”中煤巖體瓦斯。在該采空區(qū)中,2號煤體瓦斯的涌出會滯后于3號、4號煤體瓦斯。這樣,在某種程度上,該采空區(qū)域煤體瓦斯涌出速度及涌出量會降低,相應涌出時間則會延長,但涌出強度不會很大。3采空區(qū)瓦斯來源及特性討論隨著煤炭資源開采量的逐年增大,采空區(qū)數(shù)量及面積也越來越大。對于高瓦斯礦區(qū),采空區(qū)瓦斯運移問題直接影響著周圍大氣環(huán)境質量問題。本文對某多層每層賦存區(qū)域的一采空區(qū)瓦斯運移進行了深入的分析,主要結論如下:a.采空區(qū)瓦斯主要來源于開采層及其鄰近煤巖層,在壓力梯度的作用下,向采空方向流動。但是,瓦斯流動速度及衰減特性因煤層及巖層具體特性不同會有所差異