煤矿瓦斯抽采新技术.doc

成 绩中 国 矿 业 大 学级士研究生课程考试试卷考试科目煤矿瓦斯抽采新技术 考试时间 学生姓名 学 号 所在院系 任课教师中国矿业大学研究生院培养管理处印制高瓦斯低透气性煤层增透技术研究现状综述摘要：煤炭是我国的基础能源，随着开采深度的增加，瓦斯已成为严重威胁煤矿安全生产的主要因素由于我国煤系地层普遍属于低渗透性煤层，与国外相比瓦斯抽采效果很不理想因此，利用煤层增透技术，增大高瓦斯低透气性煤层的透气性，提高瓦斯抽采效率，已成为实现煤矿安全高效生产的关键本文通过查阅文献资料，首先介绍了近年来国内外诸多专家学者们关于煤层透气性影响因素的研究成果接着通过实例说明了国内煤矿煤层瓦斯抽采存在的主要问题，并对问题进行分析然后根据存在的问题着重介绍了目前国内增加煤层透气性的主要方法和技术手段，并列举数据和相应实例对各种增透技术的效果和优缺点进行说明最后，从理论和技术两个方面对现阶段煤层增透技术研究中可能存在的问题进行了探讨，并总结了原因，并对将来的技术发展进行了展望关键词：高瓦斯低透气性煤层；卸压增透；研究现状1 前言煤炭是我国的基础能源，瓦斯灾害已成为威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。

而我国煤系地层普遍属于低渗透性煤层，研究表明:我国煤层渗透率一般在(0.001～0.1)×10-3um2，国内渗透率最大的抚顺煤田也仅为(0.54～3.8)×10-3um2，其渗透性比美国低2～3个数量级，并且随着煤层开采深度的增加，煤层透气性随之减小，致使煤层气预抽难以实施，效果很差，从而严重影响了煤层瓦斯的抽采率和瓦斯抽采效果因此，通过对高瓦斯低透气性煤层卸压增透，提高抽采钻孔的单孔有效影响范围，已成为实现煤矿可持续发展的关键环节2国内外煤体透气性的影响因素研究现状2.1国外研究现状1988年Mckee等通过对美国皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤层渗透率与埋藏深度关系的研究发现，随着煤层埋藏深度和有效应力增加,煤层割理缝的宽度减小,渗透率呈指数降低Harpalani和Mcpherson研究了应力对美国中西部煤的气体渗透率的影响，得出渗透率随应力呈指数下降1997年Enever等通过对澳大利亚煤层渗透率与有效应力的相关研究发现，煤层渗透率变化值与地应力的变化呈指数关系2.2国内研究现状1987年林柏泉、周世宁研究了在孔隙压力一定的条件下，渗透率和围压力以及煤样变形间的关系；得出在围压力不变的前提下，孔隙压力和渗透率以及煤样变形值间的关系基本上服从指数方程，在孔隙压力不变的条件下，加载时，煤体的渗透率与载荷间的关系可用负指数方程表示；卸载时，可用幂指数方程表示。

1994年贾军等在试验的基础上，结合岩石力学知识，探讨了渗透压、围压和轴压对煤层渗透性的影响规律，并对此进行了理论分析，研究认为，在一定的三轴压力条件下，煤层的渗透率随着渗透压的增加而增加，并且渗透率和渗透压呈线性关系，在低围压状态下，围压的改变对渗透率的影响更加显著，随着围压的增加，渗透率急骤下降在高围压状态下，围压的增加和渗透率的下降相对减缓，整个曲线呈非线性状态1995年张广洋探讨了瓦斯的解吸特性、温度、煤中水分对瓦斯渗透的影响结果表明,在瓦斯无解吸的情况下,瓦斯压力降低,煤的渗透率也降低,然而在解吸瓦斯压力作用下,煤对瓦斯的渗透率会增加煤样瓦斯渗透率的对数与温度成线性关系含水煤样的渗透率明显低于干煤样的渗透率,随着含水量的增加,煤样瓦斯的渗透率减小胡耀青等论述了三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律的实验设备与方法通过研究得出了煤体瓦斯渗透系数随体积应力的增加而衰减,随孔隙压呈抛物线型变化定义抛物线的极值点为临界压力1997年郑少河等通过对单裂隙试件进行的渗透性实验,提出了考虑岩石物性参数的渗透系数表达式,并根据实验结果建立了在有效应力作用下裂隙闭合量与渗透系数和有效应力的关系式何伟钢等研究发现，地应力对煤层渗透性有显著影响,通过实验室和试井资料分析发现,煤层渗透率与地应力呈幂指数相关关系。

2001年赵阳升介绍了通过实验揭示的三维应力作用下,煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律,据此提出三维地层压力是导致煤层渗透性降低的主要因素张兴华通过试验研究,考察了煤的低温氮吸附等温线及吸附回线,并探讨了孔形意义,分析了煤的原生孔结构对煤层渗透性的影响2006年冯增朝等针对影响煤体中瓦斯运移与排放的应力因素，通过大煤样的瓦斯排放试验研究，揭示了顺序加载与逆序加载下的煤体变形与瓦斯排放量以及排放时间的相关性2008年隆清明在运用瓦斯渗透测试设备,进行孔隙气压对煤体渗透性影响的实验研究阐述了可控孔隙气压下煤渗透性实验的方法与过程,研究表明,煤的渗透率随孔隙气压增大而减小的特性是由孔隙气压变化引起滑脱效应和孔隙结构本身变化所致3 存在的问题及分析煤层的透气性决定了煤层瓦斯抽采效果中国含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动，煤层内生裂隙系统遭到破坏，塑性大大增强，因而成为低透气性的高延性结构我国95%以上的高瓦斯和突出矿井开采的煤层其渗透系数只有10-3～10-4mD，即0.04～0.004m2/（MPa2·d），远小于0.1m2/（MPa2·d），煤层透气性低，抽采半径小在采用预抽煤层瓦斯的方法抽采这些突出煤层的瓦斯时，为了缩短区域性消突所需的抽采时间，通常钻孔布置间距小，工程量大。

例如淮北矿业集团芦岭煤矿8煤层采用底板条带预抽方法，钻孔间距5～8m，预抽15～18个月后，煤层瓦斯抽放率仅30％，由于煤层原始瓦斯含量大，残余瓦斯含量仍不能满足区域性消突的需要煤层透气性差，瓦斯抽采困难，致使煤层瓦斯含量增加，相对瓦斯涌出量增大，煤层煤与瓦斯突出的危险性也相应增大同时，随着煤层开采，煤层中储存的大量瓦斯气体溢入大气层，加速了温室效应，这不仅严重地影响人类的生存环境，而且浪费了大量的不可再生能源因此，增加煤层的透气性，增强低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽采效果，是防治煤与瓦斯突出事故，保障生产安全，减少环境污染，提高资源利用率的关键所在4 解决的方法及途径我国自20世纪70年代以来对低透气性高瓦斯和突出危险煤层进行了多种瓦斯抽采增流技术的探索性试验研究概括来说可将煤层的增透技术可分为两大类，一类是煤层层内增流技术，另一类是煤层层外增流技术4.1 煤层层外增透技术煤层层外增流技术主要是开采保护层保护层开采是指在高瓦斯或突出矿井，在开采煤层群条件下，首先开采没有突出危险性或突出危险性较小的煤层作为保护层，由于受它的采动影响可是邻近的突出危险煤层丧失突出危险性保护层开采完成后，岩体中形成自由空间，破坏了原岩应力的平衡，地应力重新分布，岩体向采空区方向移动，发生顶板冒落与下沉，底板鼓起等现象，煤层与岩体发生卸压、膨胀，同时产生大小不同的缝隙，从而使煤层的透气性系数大大增加，引起瓦斯流量的增加。

按保护层位置的不同可以分为上保护层和下保护层保护层开采是效果最好，也是最经济的层外增透技术，一般保护层回采工作面推过两倍层间距长度以后，突出煤层地应力下降，其厚度可膨胀2‰以上；透气性系数增大数十倍至数百倍表4-1所示为我国部分煤矿保护层开采后的效果统计表，由表中可以看出，保护层开采的效果与保护层的采高和层间距有关，煤层透气性最大可增加5000倍，效果显著表4-1 部分煤矿保护层开采效果一览表矿名保护层被保护层层间距/保护层采高/透气性增加倍数保护层位置乐平涌山46532.7175下淮南潘一矿B11C1366.71.92880下淮南李二矿B9B7b11.41.7130上淮南新庄孜B8B616.51.8500上沈阳红菱矿1112161.41010上淮南新庄孜B6B437.32.91570上水城老鹰山811211.3142上北票台吉三井2上3221.283上北票台吉一井3C4281.536上水城汪家寨811351.343上水城老鹰山813431.5125上涟邵蛇形山1上3中351.1593上六枝地宗矿137431.2346上天府磨心坡79230.555000上涟邵蛇形山1上4501.1596上天府磨心坡29800.7586上正是由于保护层开采增透效果明显，我国《煤矿安全规程》第一百九十二条规定：“对于有突出危险煤层，应采取开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出措施”。

第一百九十三条规定：“在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保护层防治突出措施”目前保护层开采在全国范围已得到了广泛的应用4.2 煤层层内增透技术煤层层内增透可分为两种：一是通过煤层卸压增加煤层透气性，使瓦斯流动通道顺畅；二是降低煤的瓦斯吸附能力，使游离瓦斯量增大、瓦斯压力相应增高 煤层层内卸压增透技术煤层层内卸压方法主要有大直径密集钻孔抽放、水力压裂加支撑剂、水力冲孔、水力割缝、控制预裂爆破、松动爆破和高能气体压裂等大直径密集钻孔抽放是通过向煤层施工大直径密集穿层钻孔取煤，造成煤体局部卸压，增加煤体的透气性增大钻孔直径相应增大了煤体的接触面积，并导致钻孔周围煤体的卸压圈增大，提高了单个钻孔周围煤体的透气性水力压裂加支撑剂抽放：水力压裂的基本原理是通过钻孔将大量混入石英砂或其它支撑剂的高压液体压入油气储层，迫使储层破裂形成垂直或平行层面的裂缝，使支撑剂充满裂缝，以便在停止压裂后支撑住裂隙近20多年来，国内外学者将石油工业的水力压裂法应用于本煤层的瓦斯抽放以及煤层气的开采中，但由于煤层构造复杂，煤质松软，常导致压裂的方向不易控制或支撑剂容易嵌入煤体，而且压裂液进入煤体后不易排除，很难较大范围提高煤层的透气性。

另外，水力压裂加支撑剂，在煤层压裂裂缝周围会形成一高应力区，它的存在较大幅度低降低了裂缝周围煤体的渗透性，即尽管形成了较好的渗流通道，但裂缝周围反而形成一个屏障区，这也导致水力压裂技术改造低渗透煤层效果不佳水力冲孔瓦斯抽放方法是在钻孔的基础上，用水力冲刷钻孔，以达到扩大钻孔直径和冲洗钻孔壁煤粉的目的，使钻孔壁有更好的渗透性，但增透效果有限，目前已很少应用水力割缝瓦斯抽放方法：20世纪80年代，鹤壁矿务局四矿、湖南红卫煤矿曾进行了水力割缝强化抽放技术的研究研究结果证明该技术可以提高煤层的渗透性赵岚等在实验室进行了水力割缝的试验研究，结果表明水力割缝可以释放煤层内的部分有效体积应力，应力场重新分布，煤层内的裂缝和裂隙的数量、长度和张开度得到增加，增大了煤层内裂缝、裂隙和空隙的连通面积，从而增加了低渗透煤层的渗透性近年林柏泉等人通过分析煤层巷道煤与瓦斯突出机理，提出了整体卸压的理念，对传统水力割缝进行了改进开发了高压磨料射流割缝防突技术并且在煤层巷道掘进工作面进行了实际应用应用结果表明：该技术可用于具有突出或冲击危险的煤层，可以使钻孔之间相互沟通，造出缝隙，使煤体得到充分卸压，煤体中的瓦斯得到排放，应力得到解除，为掘进工作提供较为安全的工作环境。

高压磨料射流割缝技术具有割缝能力强、用水量相对较少、工艺简单、操作方便等特点，可用于高瓦斯高应力煤层巷道掘进工作面的快速卸压、增透和排瓦斯工作，通过有效的割缝,能够快速释放煤体中的瓦斯和地应力,掘进巷道的安全状况得到明显改善，还可以减少用于消突的瓦斯排放钻孔的个数，提高劳动效率，降低劳动强度，具有明显地经济效益和社会效益深孔控制预裂爆破的实质是在回采工作面的进、回风巷每隔一定距离，平行于采煤工。