煤矿瓦斯抽采新技术

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。4.2.1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，平行于采煤工作面打一定深孔和控制孔，二者交替布置。爆破孔装药段利用压风装药器进行连续耦合装药。利用炸药爆炸的能力、瓦斯压力及控制孔的导向和补偿作用使煤体产生新的裂隙，并使原生裂隙得以扩展，提高煤层的透气性。平煤集团五矿己72228工作面试验表明，深孔预裂爆破后，煤层透气系数可增加6倍。松动爆破是在工作面前方的煤体中打3～5个深8ｍ以上的炮眼，装药爆破，使炮眼周围的煤体在炸药产生的爆压作用下，产生破裂和松动，以形成破碎圈、松动圈和裂隙圈。深孔松动爆破技术不仅适用于煤巷掘进，也可用在回采工作面。60年代中期我国在涟邵、北票等矿开始试用，以后不断推广，迄今为止已有28对矿井应用了这一措施，并且随着突出矿井的增加还有继续增加的趋势。高能气体压裂技术是利用发射药和推进剂在钻孔中燃烧所产生的高温高压气体对煤层实施脉冲加载。通过设计合理的装药结构，控制峰值压力和脉冲加载时间，可在钻孔周围形成长而多的裂缝，使其相互沟通，增加通透性。目前美国、俄国、法国等都进行了理论与实践的研究，取得了成功。80年代末我国的高能气体压裂技术也取得了成功，现主要用于油田提高油气产出率。煤层与油气储层有相似之处，把这项技术用于煤层瓦斯抽采是一项新的尝试，可为提高瓦斯抽采率提供新途径。4.2.2降低煤层瓦斯吸附能降低煤的瓦斯吸附能力是利用煤-瓦斯系统处于交变电磁场作用下，煤体温度升高，瓦斯吸附量减少，瓦斯吸附能降低，煤层瓦斯压力升高的效应以提高瓦斯抽放效果。中国矿业大学通过试验研究了施加交变电场条件下的煤体瓦斯渗透特性，研究结果表明，煤体瓦斯渗透率对电场有明显的响应。但这种方法目前处于实验室研究阶段，可能是一条有效途径，有待于现场试验论证。5结论低透气性煤层层内增透技术是人们公认的难题，经过几十年的研究探索，已取得了一定的成效。在理论研究方面，煤层内卸压增透技术的研究方法比较多地集中在基于数学推导和数值模拟的理论分析和现场应用两个方面，基于物理模拟条件下的层内卸压增透的系统性实验研究相对较少。有必要建立专用的实验平台，发挥物理实验系统参数可调且不受现场影响等优势，通过建立物理模型，采用先进的数据测定手段及数据采集分析方法，对各种煤层卸压增透技术，进行较为全面的系统性研究。在技术方面，层内卸压增透所采取的各种措施在局部起到了一定的效果，但尚未从根本上解决区域性整体卸压增透的问题，达到大面积整体提高煤层瓦斯抽采率的目的。原因可归纳为以下几点：一是煤层赋存条件复杂，增透效果差；二是增透工艺繁琐，受现场条件限制；三是增透技术本身不完善；四是一些层内增流技术的实施直接面对突出煤层，实施危险性大。我国高瓦斯低透气性煤层分布广、瓦斯抽采难，是众多煤矿企业普遍存在的技术难题，提高煤层的透气性，增强瓦斯抽采效果，是目前呈待解决的问题，随着增透机理研究的深入、增透技术的发展，更为方便、适用的技术将会投入到实际生产中，为确保煤矿的安全高效生产提供保障。参考文献[1]俞启香．矿井瓦斯防治[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1992．[2]于不凡．煤矿瓦斯防治技术[M]．北京：中国经济出版社，1987．[3]于不凡．煤与瓦斯突出机理[M]．北京:煤炭工业出版社，1985．[4]胡千庭，蒋时才，苏文叔．我国煤矿瓦斯灾害防治对策[J]．矿业安全与环保，2002，27(1):1-4．[5]林柏泉，周世宁．煤样瓦斯渗透率的实验研究[J]．中国矿业学院学报，1987，1：21-28．[6]贾军唐，培琴．三轴应力对煤层渗透性的影响[J]．探矿工程，1994，1：43-47．[7]张广洋，胡耀华，姜德义．煤的瓦斯渗透性影响因素的探讨[J]．重庆大学学报（自然科学版）1995，18（3）：27-30．[8]胡耀青，赵阳升．三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律实验研究[J]．山西矿业学院学报，1996，16（4）：308-311．[9]郑少河，段康廉，赵阳升．有效应力作用下单裂隙渗透规律的实验研究[J]．山西矿业学院学报，1997，15（3）：283-288．[10]何伟钢，唐书恒，谢晓东．地应力对煤层渗透性的影响[J]．辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2000，19（4）：353-355．[11]赵阳升，杨栋．低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究[J]．煤炭学报，2001，26（5）：455-458．[12]张兴华．煤的原生孔结构对煤层渗透性的影响，煤矿安全[J]．2005，36（11）：4-7．[13]冯增朝，赵阳升．瓦斯排放与煤体变形规律试验研究[J]．辽宁工程技术大学学报，2006，25（1）：21-23．[14]隆清明，赵旭生，牟景珊．孔隙气压对煤层气体渗透性影响的实验研究[J]．矿业安全与环保，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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