本煤层瓦斯抽放技术途径及分析

本煤层瓦斯抽放技术途径及分析

孟凡伟1,2，张敬瑶1,2，张海滨1,2，景巨栋3

1、中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 (221116)

2、煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州(221008)

3、神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿，银川（750004）

E-mail：safety10@

摘要：近年来，随着矿井生产机械化水平和生产集约化的提高，已有的瓦斯灾害防治技术及装备已经不能有效的控制煤层瓦斯异常涌出。本文介绍了国内外比较常用的瓦斯流动理论和主要的本煤层瓦斯抽采技术，通过瓦斯流动理论和主要瓦斯抽采技术相结合，分析了本煤层瓦斯抽采技术途径存在的问题，在此基础之上进一步提出解决方法及途径，为煤矿企业安全生产提供了指导意见。

关键字：瓦斯流动；本煤层；瓦斯抽放；现状分析

1 引言

我国煤矿赋存条件复杂，瓦斯含量大、煤层透气性低，不易在开采前抽放瓦斯[1]，尤其是近年来，随着开采深度的不断增加，原作为保护煤层开采的煤层逐渐向突出煤层过渡，可供选择的保护层越来越少，而保护层开采过程中也存在保护不到的区域，已有的瓦斯灾害防治技术及装备已经不能有效的预防瓦斯事故。针对上述问题，本煤层瓦斯预抽的瓦斯治理方法得到了更广泛的应用，强化本煤层瓦斯抽放，减少煤层中的瓦斯含量和回风流中瓦斯浓度，以确保矿井的安全生产。本文本文介绍了国内外比较常用的瓦斯流动理论和主要瓦斯抽采技术，通过瓦斯流动理论和主要瓦斯抽采技术相结合，分析和归纳本煤层瓦斯抽放存在的问题，在此基础上，总结提出便捷有效的防治对策措施，为本煤层瓦斯抽放提供必要的技术和经验，以确保煤层回采的安全生产。

2 国内外研究现状

2.1 煤层瓦斯流动理论研究现状

瓦斯渗流力学就是由渗流力学、固体力学、采矿学科以及煤地质学等学科相互渗透、交叉而发展形成的一门新兴学科，其主要研究瓦斯在煤层这个多孔介质内运动规律的科学。瓦斯流动理论是瓦斯抽放的基础及依据，为煤层瓦斯抽放提供了指导意见。国内外学者对瓦斯流动理论进行了深入研究，其研究成果主要是以下几个方面：

20世纪40年代，前苏联学者应用达西定律——线性渗透规律来描述煤层内的瓦斯运动，开创性的研究了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流问题，开创了瓦斯渗流力学。以周世宁院士为首的一批学者在煤层瓦斯流动理论方面做了一系列奠基性和创造性的研究工作，首先从渗流力学的角度出发，认为瓦斯的流动基本上符合达西定律，把多孔介质的煤层看成一种大尺度上均分布的虚拟连续介质，首次提出了瓦斯流动理论一线性瓦斯渗透理论，这一理论的提出对我国瓦斯流动理论的研究具有极为深刻的影响，并建立了煤层瓦斯渗流的物理数学模型[2][3]；研究了煤层瓦斯含量与煤层透气性系数的测试方法，并与原苏联的方法相比较，求解了一维煤层瓦斯渗流微分方程的解析解[4-6]；通过试验对达西定律进行了各种修正，并给出了多种形式渗流计算公式[7-9]。线性瓦斯扩散理论认为煤屑内瓦斯运移基本符合线性扩散定律——菲克定律。我国杨其銮和王佑安通过对煤屑中瓦斯扩散理论的研究，系统的建立了煤粒瓦斯扩散的微分方程，并将他们的理论应用到煤层瓦斯流动中，针对掘进巷道瓦斯涌出提

出了球向瓦斯扩散运动的数学模型[10]。瓦斯渗透—扩散理论认为煤层内瓦斯运动是包含渗流和扩散的混合流动过程。随着煤层瓦斯运移规律研究的深入发展,国内外越来越多的学者认同这一观点。在瓦斯流动的线性理论研究中逐渐形成了线性渗流理论、线性扩散理论和线性渗流—扩散理论，在一定的假设条件下形成严密的理论体系，一定程度上为瓦斯抽放提供了理论基础。

煤层瓦斯流动过程复杂，随着研究的深入，大量实践数据与瓦斯线性流动理论有一定的差异，分析其原因为：①流量过大; ②分子效应; ③离子效应: ④流体本身的非牛顿态势。著名的流体力学家E.M. Allen 指出：将达西定律用于描述从均匀固体物(煤样) 中涌出瓦斯的试验导致了与实际观测不相符合的结论[11]。日本学者根据大量实验提出了非线性瓦斯流动基本定律——幂定律。国内外大量学者以非线性瓦斯流动理论为基础, 提出了非线性瓦斯流动的数学模型, 经初步实测验证表明, 非线性瓦斯流动模型更符合实际[12-14]。此外，地球物理场效应的瓦斯流动理论认为地应力场、地温场及地电场对瓦斯流动场也有重要影响,应该考虑进去,修正达西定律和幂定律[15]。

2.2 本煤层瓦斯抽放技术途径的研究现状

瓦斯抽放意义重大，主要表现在以下三个方面: ①通过瓦斯抽放能够降低煤层的瓦斯压力, 从而降低煤层瓦斯突出的危险性；②降低煤层瓦斯含量, 从而降低开采过程中瓦斯涌出量, 进而为生产提供一个很好的安全环境；③可降低矿井瓦斯排放量, 减少对大气环境的污染, 抽放的瓦斯作为资源使用，实现真正意义上的绿色开采。本煤层瓦斯抽放主要是抽放本煤层的瓦斯，是瓦斯抽放的重要环节之一，较为常规的抽放技术有以下几种。

（1）钻孔法预抽本煤层瓦斯[16]

钻孔法预抽本煤层瓦斯主要有两种布置方式，即穿层钻孔布置方式和顺层钻孔布置方式。当采用穿层钻孔预抽时，钻场可设在底板岩石巷道或邻近煤层巷道，向开采层打穿层钻孔，经过抽放后再进入煤层进行采掘，从而可以解决掘进和采煤过程中的瓦斯问题。当采用顺层钻孔布置方式时，则一般是利用提前开掘出的巷道，沿煤层打顺层钻孔，经过抽放后再进行回采，以解决回采过程中瓦斯的涌出问题.。钻孔法预抽本煤层瓦斯由于具有施工简便、成本低和抽放瓦斯浓度较高等优点，在我国煤矿中得到了广泛的应用。

（2）边采边抽本煤层瓦斯

这是在未经预抽或预抽时间不足的条件下，解决开采煤层采掘过程中瓦斯涌出问题的一种有效抽放方法。实质上，主要是利用采掘过程中造成的卸压作用抽放煤层中的瓦斯，以降低回采或掘进中涌入回风流中的瓦斯量。

（3）高位钻孔瓦斯抽放技术

高位钻孔瓦斯抽放主要是利用工作面回采动压形成的顶板裂隙通道来抽放工作面煤壁以及上隅角的瓦斯。采动应力场中形成的裂隙空间成为瓦斯流动通道，使得高位钻孔能抽出瓦斯，并且大大超过本煤层钻孔的瓦斯抽放量。根据抽放经验，冒落拱一般为3～4倍的采高，钻孔合适的位置在冒落拱的顶部，钻孔布置在这个位置抽放流量大，效果好。

随着采掘深度的增加，我国面临煤层透气性低，抽放效率低下的难题，自20世纪70年代以来对低透气性高瓦斯煤层进行了多种抽采技术的探索试验研究[17-20],从三个方面增加煤层透气性：一是通过煤层卸压增加其透气性，使瓦斯流动的通道顺畅；二是改变瓦斯流动模式；三是降低煤的吸附能力，使游离瓦斯量增大。在此基础之上，本煤层瓦斯强化抽放方法主要有大直径密集钻孔抽放、水力冲孔瓦斯抽放、水力压裂煤层瓦斯抽放、控制预裂爆破