煤层瓦斯运移规律及抽放机理研究

煤层瓦斯运移规律及抽放机理研究

收稿日期:2009-12-04;修订日期:2010-04-08

作者简介:史建恩（1966-），男，山西原平人，工程师，1990毕业于原山西矿业学院，现在煤炭工业太原设计研究院，从事煤矿设计研究工作。

史建恩

（煤炭工业太原设计研究院,太原030001）

摘要:通过分析煤层瓦斯产生的原因、赋存及运移规律，以及瓦斯应力对煤体物理力学特性的影响作用，研究煤

层的透气系数、煤层厚度、抽放负压等因素对煤层瓦斯抽放效率的影响，对煤层瓦斯防突及抽放有重要的参考价值。关键词:煤层；瓦斯运移；瓦斯抽放中图分类号:TD712文献标识码:A 文章编号:1008-8725（2010）06-0128-03

Study of Gas Travel Rule and Drainage

Mechanism in Coal Seams

SHI Jian-en

（Taiyuan Design and Research Institute of Coal Industry,Taiyuan 030001,China ）

Abstract:Through analyzing the gas form mechanism,existing state,travel rule,as well as the influence function of gas stress on the coal body physics mechanics,sevral important factors which have effects on gas drainage were studied,such as the gas permeability coefficient,coal layer thickness,drainage negative pressure.The study has important value to gas drainage and outburst prevention.

Key words:coal seam;gas travel;gas drainage

0引言

国民经济的快速发展是以能源的大量开采产

出为基础的。随着能源需求量急剧加大，作为传统能源的煤炭行业，迎来了其发展的新时期，市场需求不断增大，导致供不应求，产量不断增大，同时煤炭行业也凸显了一些严重的问题，尽管现在社会大力提倡安全、

高效开采，但是个别企业只为追求效益，盲目开采、违法开采，导致如煤层透水、瓦斯爆

炸等事故频繁发生，给社会带来了负面影响[1-4]。

瓦斯爆炸是煤矿最严重的事故，制约了煤矿的快速发展，为了尽早避免这些事故的发生，国内许多科研院所对煤层瓦斯做了大量研究，特别是太原理工大学以赵阳升教授为主的课题租，对煤矿瓦斯抽放做了详尽而细致的工作，同时在煤矿进行了大量的现场实验。实践证明瓦斯预抽放是一种行之有

第29卷第6期2010年6期

煤

炭技术

Coal Technology

Vol.29,No.06June,2010

艺测试瓦斯压力合理、可行，结果可靠。

4结论

（1）选择合适的测压位置及施工工艺，是影响

瓦斯压力测定成功的关键因素。

（2）封孔质量和封孔长度是影响是否成功的决

定性因素。合理选择封孔材料、

封孔工艺有利于准确测压。

（3）从某种意义上讲，测试方法是内因，测试条件是外因，两者互相密切配合，才能提高测试效果和成功率，取得正确的瓦斯压力参数。参考文献：

[1]焦作矿业学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论[M].北京：煤炭工业出版社，1990．

[2]何书建.煤层瓦斯压力测定新技术[J].矿山压力与顶板管理，2003

(3):116-117.[3]于不凡，王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京：

煤炭工业出版社，

2005.[4]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M ].北京：煤炭工业出版社，2001.

[5]张凤臣.瓦斯抽放技术的综合利用[J].煤炭技术，

2008，（6）：106-108.

（责任编辑王凤英）

表1各测点瓦斯压力读数统计表

地点孔号压力/MPa 地点

孔号

压力/MPa

725底板巷1#钻场725底板巷2#钻场34下轨道巷G18

点前2m 处34下轨道巷G18点前35m 处

1#2#1#2#1#2#1#2#

1.82

2.22.12.52.22.52.4

101东翼轨道大巷

T 口里15m 101东翼轨道大巷

T 口里45m 1#2#1#2# 1.92.122.3

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

史建恩：煤层瓦斯运移规律及抽放机理研究第6期·129

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图1

腐质煤在成煤演化阶段成气模型

效的预防煤层瓦斯突出且安全的方法，从另一方面来讲，瓦斯抽放为人们从煤矿寻找新能源开辟了新方向，因为抽出的瓦斯经过过滤、提纯等工艺就可以作为新型能源来加以利用。山西作为能源大省，煤炭资源充分利用也是地域的发展方向，因此进行煤层瓦斯的产生、赋存、运移等规律的系统研究，对煤层瓦斯抽放机理的研究及工业开采都具有非常重要的意义。

1煤层瓦斯产生机理及赋存方式[5]

煤层瓦斯产生机理与煤层的形成过程有关，煤

层是古代的成煤植物沉积，在一定温度、压力条件下经过泥炭化作用形成泥煤，在此过程中古植物的纤维素会分解为瓦斯与泥碳。由于成煤初期是敞开到大气中的，因此此时产生的瓦斯会全部散逸在大气中。随温度、应力的作用泥炭转变成煤的初级阶段即褐煤。

在一定的温度、应力作用下，褐煤再经过进一步的沉积与变质作用，转换成现在所熟知的各种煤种。沉积与变质作用的过程也是瓦斯（甲烷）产生的主要时期，在此过程中由于盖层的密封作用，所生成的瓦斯没有产生泄漏，基本赋存在煤层中。图1为沉积、变质的各个阶段瓦斯产生量的大小分布模型图，由图可以看出随沉积、变质程度的加深，瓦斯（甲烷）产出量逐渐增大。

瓦斯在煤层中的赋存方式一般认为有2种：游离态和吸附态，游离态的瓦斯占瓦斯总量5%～10%，吸附瓦斯占总量的90%～95%，可见煤层中的瓦斯绝大部分是不运动的吸附瓦斯，这给煤层瓦斯抽放工程实践带来了很大的难度。同时游离态和吸附态的瓦斯又是以一种动态平衡的方式存在的，也就是说，若游离态的瓦斯被抽放后，吸附态的瓦斯就会从煤层微小裂隙中释放以补充游离态瓦斯的不足，最终使瓦斯的吸附和释放达到一个新的动态平衡。

2煤层瓦斯与煤体的相互作用

煤层瓦斯之所以有突出的危险，原因之一就是瓦斯与煤层有相互作用，这种作用力大到一定程度时就会产生瓦斯灾害即突出，因此在这里还需要讨论煤层瓦斯与煤体相互作用的有关规律，以此作为研究瓦斯抽放及防突的理论基础。

煤层中的游离态和吸附态的瓦斯，在存在状态的相互转换过程中，由于瓦斯体积的膨胀，会在煤层中产生一个瓦斯应力场（附加应力场）；因此，在对煤层进行受力分析时，应力场应该是地层应力场与附加应力场之和。附加应力场的大小与含瓦斯煤层的温度有关，煤层温度越高，附加应力场就越大，煤层瓦斯突出的可能性就越大；因此降低煤层的瓦斯应力场，可以有效减小煤层瓦斯突出危险的可能性。目前常用的方法有水力冲孔、煤层打泄压孔等措施。

瓦斯在煤层中有附加应力，也就不可避免地对煤层变形有一定的影响作用，影响煤层变形量大小的因素有：煤层中的瓦斯含量、煤层温度、煤的类型及变质程度等。煤层瓦斯含量越大，在温度作用下体积膨胀越大，煤层变形也就越大。煤的类型及变质程度的影响主要是考虑到变质程度不同，对瓦斯的吸附能力有所不同，在相同的瓦斯附加应力作用下，变质程度高的和低的煤体变形程度大，而变质程度处于中等程度的煤体，变形程度反而不大。

3影响煤层瓦斯抽放的因素[6-8]

根据周世宁院士的渗流理论[5]，钻孔瓦斯的总

流量为：

Q=πm λ0.9

p 1.85

0R 0.2

1α0.1t -0.1

式中Q ———钻孔总瓦斯流量，m 3/d ；

m ———煤层厚度，m ；λ———透气系数，m 2/（MPa 2d ）；p 0———煤层瓦斯压力，M Pa ；R 1———钻孔半径，MPa ；

α———煤层瓦斯含量系数，m 3/（m 3MPa 1/2）；t ———抽放时间，d 。

由上式可以看出，若长时间抽放，同时瓦斯进入稳定流动状态时，钻孔瓦斯总的流量与煤层厚度成正比，与瓦斯压力p 0的1.85次方成正比，与透气系数λ的0.9次方成正比。

同时均质煤层中径向稳定流动的瓦斯涌出量