煤与瓦斯共采读书报告(中国矿业大学采矿工程10-1班马鹏)

煤与瓦斯共采专题报告姓名：马鹏学号：01100015班级：采矿10-1班“煤与瓦斯共采”专题报告 第一章：我国瓦斯治理理念与煤与瓦斯共采技术 31.1我国煤炭开采面临的挑战 31.2绿色开采理论 51.2.1绿色开采理论的背景 51.2.2绿色开采的内涵及技术体系 61.3．瓦斯治理理念转变 81.3.1、我国煤层气资源及特点 81.3.2煤与瓦斯共采理念的提出 91.3.3淮南矿区瓦斯综合治理的先进理念 9第二章：瓦斯抽采技术的历史及发展现状 11第三章：煤与瓦斯共采的理论及技术体系 133.1基于关键层理论的O形圈机理 133.1.1．采动裂隙及卸压瓦斯的分类 143.1.2采动裂隙O形圈的形成 143.1.3利用O形圈理论抽采卸压瓦斯的原则 153.2瓦斯及采动岩体渗流理论 153.2.1、瓦斯流动理论基础的研究现状 163.2.2、采动岩体渗流理论 183.3：煤与瓦斯共采技术体系 203.3.1瓦斯抽采体系 213.3.2卸压瓦斯开采抽采工程技术体系 233.3.3无煤柱煤与瓦斯共采技术 25第四章：煤与瓦斯共采存在的问题及展望 264.1煤与瓦斯共采理论有待研究和提高 264.1.1煤层地质构造复杂、瓦斯抽采难度大 264.1.2煤层瓦斯抽放不稳定、渗透率低下、利用困难 264.1.3共采资金投入不足、观念有待提高 274.2煤与煤层气共采重点研究方向 274.2.1煤与瓦斯共采机理研究 274.2.2瓦斯浓度、渗流规律、采动裂隙场的透气规律研究 274.2.3提高煤层气采出率、优化煤层气抽放方案 28“煤与瓦斯共采”专题报告瓦斯一直是我国煤炭矿井的致命杀手之一，频繁的瓦斯灾害事故严重影响到了企业的正常生产，使高瓦斯矿井损失严重，许多企业因此经营困难，甚至濒临破产。同时频发的瓦斯事故夺去了数以千计的矿工的生命，一度使煤矿在社会上产生了恶劣的影响，备受国家及社会关注。举例说明，从2001年到2008年之间，煤炭事故统计见表二：（张涛，王晓明，2010）有表可知，瓦斯爆炸事故以致死8013人次高居事故排行首位，煤与瓦斯突出致死3740人次排第三，而这两项事故导致的死亡人数占到了总人数的50.1%，瓦斯事故名符其实的成了我国煤矿事故中最大的灾害！治理瓦斯灾害一直是我国煤炭企业面临的一项难题，同时也是学术界研究的重要课题。近些年来，在该领域不断有科技创新成果问世，瓦斯灾害事故得到一定程度的遏制，煤与瓦斯共采理论的的提出，对我国高瓦斯煤层的开发与治理提供了科学依据和指导方向，并在一些高瓦斯矿区的得到了成功的应用，效果极为显著。本读书报告通过查找文献，总结了我国瓦斯治理的理念转变，在理解的基础上对“煤与瓦斯共采”的理论及技术体系进行了阐述，并把该技术在我国高瓦斯矿区的应用进行分析，通过文献检索得出了该技术理论体系的研究现状，并总结了煤与瓦斯共采依旧面临的问题以及发展的方向。第一章：我国瓦斯治理理念与煤与瓦斯共采技术1.1我国煤炭开采面临的挑战煤炭是我国的主体能源。我国的能源结构在很大程度上取决于能源化石的自然赋存比例。我国煤炭资源储量5.57万亿吨，占世界探明储量的13%，占国内化石能源储量近95%，每年煤炭资源的产量和消耗量分别占能源总量的76%和70%左右，如图一、图二所示：图一：图二：国家《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》中已经确定，中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”；中国工程院《国家能源发展战略2030～2050》煤炭年需求高达38亿吨，在能源结构中比例仍占50%。显然，在相当长的时期内，煤炭作为我国的主导能源不可替代（袁亮，2010）。相对石油、天然气、风能、水电、以及核能，我国煤炭资源具优势明显，能长期为国家能源需求提供保障，而且相对投资强度低，周期较短，效益好，技术更成熟，是最为易得的一次能源；在国际社会复杂的时期，煤炭资源能稳定国内对能源的需求，具有战略意义。但是，我国煤炭资源的过度开采，正面临一些新的严峻的挑战，煤炭的科学开采势在必行。通过资料整理，得出我国煤炭开采的5个制约因素:（袁亮，钱鸣高，2010）第一，深部煤炭开采的资源制约。我国煤炭资源地理分布不均衡，北多南少、西多东少，东部资源在长时间的开采下都已转向了深部，华北、东北地区的矿井已基本达到了千米的采深。我国煤炭资源埋深在1000米以下的储量达2.95万亿吨，占总量的53%，所以开采进入深井是必然的趋势。第二，煤炭开发基地西移中的生态环境及长距离输送制约。由于东部资源的日渐枯竭，煤炭供应基地西移加快了步伐，我国新型煤炭基地在西部的建设已取得了辉煌的进展，原产煤第一大省的产量在2010年被内蒙古赶超，退居第二，我国新疆和内蒙以及陕西的煤炭储量非常可观，将承担起国家能源供应的重任。问题在于，我国煤炭能源消费的主题不在西部，而是东部一带经济发达的省区，煤炭资源的输送将严重制约西部地区煤炭的产能，运输费用大大的提高了企业成本。同时，我国西部的生态坏境脆弱，煤炭资源的开采将对地区生态造成影响，需要企业加大投入，政府严格把关，大力发展绿色开采理论。第三，安全高效生产能力制约。煤矿安全是党和政府关心的重要问题，也是煤炭工业科技研究的重点。我国煤田地质构造复杂、开采深度大、条件差、难度大。由于多期地质作用的影响，煤层软、透气性差但瓦斯含量高，煤层顶板条件差异大，煤与瓦斯突出、冲击地压危害严重。煤层自然发火期短，煤尘爆炸危险性大，煤岩尘还严重地影响着矿工的健康安全。特别是我国北方煤田下部煤层受底部奥陶系灰岩水的严重威胁等，都先天制约着我国煤炭工业的正常发展。从2000年以来，我国煤炭百万的死亡率从5.7下降到2012年的0.374（摘自煤炭安监局网站），有了质的飞跃，但是，与欧美发达国家相比，人有较大的差距（10倍左右），我国煤炭安全形势依旧严峻。第四，资源回收率制约。煤炭资源回采率低，资源浪费严重。有关调查显示，我国煤炭企业的资源回收率平均只有40%左右，小煤矿的资源回收率更低，平均只有15%，与国际上产煤国家一般都在60%以上、高的可达到70%到80%相比，差距很大，尽管随着近年来科技进步开采技术的提高，我国煤炭资源回收率近年来有所提高，但资源浪费十分严重。（摘自煤炭资源网）。第五，环境容量制约。煤炭的产能、利用受环境容量的限制。煤炭利用导致的环境污染问题日益受到国内外广泛关注。近年来，我国燃煤电站烟尘排放总量基本控制在300万t左右、燃煤C02排放量约50亿t/年，居世界第二位，约是美国的90%。我国于1998年5月29日签署并于2002年8月核准了《京都议定书》，中国虽然没有减排时间表，但将承受越来越大的国际压力（袁亮）。1.2绿色开采理论作为中国矿业大学采矿工程系的学生，学习和掌握绿色开采理论是必须的本领，每一个采矿人都有责任将该理论推广到社会实践中去。绿色开采理论是由中国矿大学采矿工程系教授及中国工程院院士钱鸣高提出，旨在促进我国煤炭工业的可持续发展，实现“低投入，高产出，低排放”的绿色经济的路子，以确保对生态环境的保护。1.2.1绿色开采理论的背景我国矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的，而进行开发建设后，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了矿区独特的生态环境问题，如造成农田以及建筑物破坏，村庄迁徙，研石堆积，使河川径流量减少，以及地下水供水水源干枯，在地面导致的土地沙漠化，由于开采而使矿物内的有害物质流人地下水中等。煤炭开采形成的环境问题主要为:1)对土地资源的破坏和占用煤炭开采对土地资源的破坏损害，井工开采以地表塌陷和研石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。2)对水资源的破坏和污染煤炭开采过程中，进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源，同时开采还可能污染地下水资源。3)对大气环境的污染主要来自矿井排出的煤层瓦斯和煤矿研石山的自燃。以山西省为例，1949^-1998年共生产原煤56亿多吨，地面塌陷破坏面积达100多万亩，其中40%是耕地。研石山占地3万多亩。至1998年煤炭地下采空面积达1300km2(全省面积的1环)，采煤破坏地下水4.2亿m3/a，地表水逸流减少，导致井水水位下降或断流共计3218个，影响水利工程433处、水库40座、输水管道793.89km;造成1678个村庄，81.2715万人，10.8241万头牲畜饮水困难，使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。平均每采万吨原煤造成塌陷土地。2hm2，每年新增塌陷地约2万hmz。（钱鸣高，许家林，2003）由此可见，提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫在眉睫。1.2.2绿色开采的内涵及技术体系从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气(瓦斯)、土地以及煤矸石及在煤层附近的其他矿床，都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术，在基本概念上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各种资源;基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响;目标是取得最佳的经济效益和社会效益.根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，绿色开采技术主要包括以下内容：煤炭地下气化绿色开采技术体系简要表达如图所示:煤炭地下气化煤炭开采煤与瓦斯共采保水开采煤炭开采煤与瓦斯共采保水开采矸石排放岩层移动关键层理论矸石排放岩层移动关键层理论占用土地地表沉陷、土地建筑物损坏瓦斯卸压流动、瓦斯事故、环境污染地下水流失、突水事故占用土地地表沉陷、土地建筑物损坏瓦斯卸压流动、瓦斯事故、环境污染地下水流失、突水事故充填、条带开采矸石处理与利用充填、条带开采矸石处理与利用绿色开采绿色开采采矿引起环境与主要安全问题的发生都与开采后岩层的移动和破坏有关（岩体不破坏上述问题都不会发生)，因此，绿色开采的重大基础理论为:1)采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律；2）开采对岩层与地表移动的影响规律；3)水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流律；4)岩体应力场分布规律及岩层控制技术，如图所示（缪协兴，2009）：绿色采矿首先要将岩层运动对工作面的影响转为研究开采后岩层运动对岩体内形成空隙的影响，以及瓦斯、地下水的渗流规律.另外，几个重要标志是（钱鸣高，许家林，2003）:1)将瓦斯作为资源，变害为利，在采煤的同时形成地面或井下瓦斯共同开采系统；2)根据岩层的组成，确定保水采煤的地层判别以及相宜的开采方法；3)根据具体条件，形成充填、条带开采、离层区注浆等保护建筑物及地表的技术；对东部发达地区城镇下采煤，充填与条带开采是必然的选择，因而如何降低充填成本与提高充填技术是科学研究的方向。1.3．瓦斯治理理念转变煤矿瓦斯，又称为煤层气，它形成于成煤过程，储集于煤层及其邻近岩层内部，既是一种可能导致严重矿井灾害的有害气体、又是一种高效清洁的能源。过去对矿井瓦斯的定义是:“矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体”。显然，概念中纯的视瓦斯为有害气体，这种片面的理解一直指导着我国煤矿的生产实际。随着技术进步以及科学采矿的发展，瓦斯慢慢被人们所认识和了解，如何协调开发煤炭与瓦斯成为研究的重点。1.3.1、我国煤层气资源及特点由于我国含煤岩系大都经历了较复杂的地质构造运动，煤层变质程度较高，瓦斯含量较高。研究表明，我国煤层气资源丰富，居世界第三位，埋藏2000m以内的煤层气资源约有36万亿m，相当于450多亿吨标准煤或350多亿吨标准油，与陆上天然气资源量相当。我国的煤炭资源中有48%的煤层为高瓦斯或具有突出倾向煤层，国有重点煤矿70%以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井。（简煊祥，李云飞，林毅，2011）我国高瓦斯矿区及矿井分布如图所示：我国大多数煤层具有瓦斯压力低、透气性差、低饱和等“三低”特点。煤层内较小的瓦斯压力将导致瓦斯在煤层内运移的动力(瓦斯压力梯度)不足，使游离瓦斯不能获得由高压力区向低压力区运移的动力;渗透性差将增加煤层内瓦斯运移的难度，低饱和度将不利于煤层内吸附瓦斯向游离瓦斯转化，从而难以在煤层内形成高游离瓦斯压力区。由于我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，塑变性大大增强，因而成为低透气性的高可塑性结构，这使得地面钻孔完井后，采气效果差，水力压裂增产效果不明显。而且煤层普遍具低渗透率，一般在0.1*10-6–1*10-6范围内，水城、丰城、霍岗、开滦、柳林等渗透率较好的矿区也仅为0.1*10-3至1.8*10-3，这一特点决定了我国地面开发煤层气的难度很大。1.3.2煤与瓦斯共采理念的提出瓦斯一直是我国煤炭开采最大的隐患。井下瓦斯治理也成为被重点关注，形成了长期以来以风排为主的瓦斯治理体系。单纯的认为通过加大通风量，稀释瓦斯使其不超标不超限，但在一些高瓦斯矿区，通风的方法无法解决巨大地瓦斯涌出量，瓦斯的安全隐患得不到根本解决，瓦斯事故由地质条件特别复杂的西南地区（20世纪60～70年代的云贵川）向较为复杂的东部、中部（20世纪80年代～90年代中期的江西、安徽、河南）和相对简单的东北、西北地区（20世纪90年代～21世纪初期的辽宁、黑龙江、陕西、新疆）转移得趋势；由传统型小型矿井向现代化大型高产高效矿井转移；从少技术、管理粗放时期的浅部多发到客观条件开采工艺都发生很大变化的深部，因技术、管理进步不相适应仍然时有发生。（袁亮，2010）基于岩层控制的关键层理论及煤矿绿色开采思想提出的“煤与煤层气共采”的基本观点为:将煤层气作为一种资源，充分利用采煤过程中岩层移动对瓦斯卸压作用并根据岩层移动规律来优化抽放方案、提高抽出率，在煤层开采时形成采煤和采煤层气两个完整的开采系统，即形成“煤与煤层气共采”技术，从采掘部署上把瓦斯抽放当作正规的开采工艺流程，从时间、空间与资金上给予保证，对抽放瓦斯进行利用。（许家林，钱鸣高，2004）1.3.3淮南矿区瓦斯综合治理的先进理念1.安全与生产的矛盾可以统一于先进生产力实践证明，煤矿的安全与生产并不是一对不可调和的矛盾，在先进生产力面前，保护生命和提高产量目的其实是可以同时达到的。事实上，治理瓦斯的目的之一也就是要提高生产力水平。淮南建设新型能源基地的特征就是“一先进三保护”，即发展先进生产力，保护生命，保护资源，保护环境，并实现“三个转变”，即从劳动密集型转到技术密集型，从粗壮劳动力转到高素质员工队伍，从粗放管理转到科学管理。2.可保必保、应抽尽抽淮南矿区经过长期探索研究及工程实践，得出首采卸压层卸压开采、煤与瓦斯共采是对突出煤层进行消突最有效、最可靠，也是最经济的方法的结论，认为可保必保(具备条件的必须开采首采卸压层)，应抽尽抽(给足卸压抽采时间和空间)，实现瓦斯抽采最大化。在此前提下，基本上解决了低透气性高瓦斯煤层(群)瓦斯高效开采难题。3.治理瓦斯，岩巷先行事实证明，瓦斯治标治本都离不开打钻。打钻和岩巷作为安全生产技术的第一要务，为实现瓦斯治本，必须着力建设一流的打钻和岩巷队伍、一流的打钻和岩巷装备、一流的打钻和岩巷管理。淮南矿区现立足打大钻、打长钻、打高技术钻，用准军事化、专业化、精细化手段管理打钻队伍。淮南矿区现有8支专业化打钻队伍，共计1700人，实现了专业化打钻队伍“全覆盖”。4.瓦斯利用瓦斯是我国煤矿生产过程中的主要灾害源，同时也是一种新型的洁净能源和优质化工原料。开发利用瓦斯(煤层气)，既可以充分利用地下资源，又可以改善矿井安全条件和提高经济效益，对缓解常规油气供应紧张状况，实施国民经济可持续发展战略，减少温室气体排放，保护环境等均具有十分重要的意义。因此，煤矿瓦斯治理必须走“变抽放为抽采，煤与瓦斯共采，治理与利用并重”的路子。（袁亮，2010）第二章：瓦斯抽采技术的历史及发展现状我国开始研究煤层气使与上世纪50年代，目前，有123个矿井建立了井下瓦斯抽放系统，年抽放量达6亿m，抽放瓦斯利用率达80%,但井下瓦斯的抽放率很低，只有20%左右。60年代到70年代，一些高瓦斯矿区抽放的瓦斯气体即可投入民用和小规模的工业利用。70年代末期开始了矿井地面瓦斯抽放工作，主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿，并进行了压裂实验，但是效果不佳.80年代初期，国内开始进行煤层甲烷相关资源研究。“六五”期间，煤炭、石油以及地质等行业通过国家重点科技攻关项目对国内煤成气资源进行区域性评价和基础理论研究。随后，国家“七五”科技攻关项目设立了“我国煤层甲烷的富集条件及资源评价”专题，取得了对中国煤层气资源状况的初步认识。华北石油地质局1986年在唐山地区开展了煤层甲烷勘探开发实验和工艺技术研究，并进行了“煤层甲烷评价与开发利用状况”调研。1989年，第一次“开发煤层气研讨会”在沈阳召开，标志着煤层甲烷从“瓦斯灾害”到“优质能源”的认识转变、从“井下抽放”到“地面开发”的技术转移.“八五”期间，国家科技攻关项目设立了“有利区块煤层吸附气开发研究”专题.此后，煤层甲烷的研究重点转移到了开发工艺攻关上.1992年，联合国开发计划署通过全球环境基金资助我国开展了“中国煤层气资源开发”项目，1993年又资助了“中国深层煤层气勘探”项目，对中国煤层气的勘探开发起到了巨大的推动作用。1996年，一批有影响的研究项目和规划相继完成，如原煤炭部计划项目“全国煤层气资源评价”、国家计委I类资源勘查项目“中国煤层气资源评价”、国土资源部地质调查项目“全国煤层气综合规划研究”、原石油天然气总公司“九五”科技攻关项目“煤层气选区评价与配套工艺技术”、国家“九五”科技攻关项目“新集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备研究”等。到目前为止，对全国范围内的煤层气资源、分布、储层特征取得了基础性认识，基本明确了煤层气开发的有利地区.但是由于我国的煤层地质现状(地质条件复杂，构造煤发育，瓦斯含量高，瓦斯压力低，渗透率低等)，煤层气的地面开发并不能很好解决井下瓦斯问题。（吴财芳，曾勇，2004）2004年淮南矿业集团为解决矿井生产遇到的实际问题时，根据研究成果提出了无煤柱煤与瓦斯共采技术，如图所示。在抽放巷道布置方面用工作面无煤柱沿空留巷代替顶底板瓦斯抽采岩石巷道，在通风方式上变传统的“U"型通风为“Y”型通风，在所留巷道内布置瓦斯抽采钻孔进行连续采空区瓦斯抽采。晋城煤业集团在新区开发过程中，对煤与瓦斯共采技术进行了深入的研究和探索，提出采用分区开拓方式建设“一矿三井”模型实现矿井煤与瓦斯共采的技术体系。根据“O”型圈理论，采用地面钻孔抽放卸压瓦斯，实现了一面一孔即可大面积、高效、长时的抽放煤层瓦斯；在本煤层瓦斯抽采过程中，首先采用两条巷道交替抽掘形成一个抽放面，再由两条巷道交替掘进而形成一个抽采工作面，最后沿巷道纵向间隔一定距离布置钻场，向工作面煤体打顺层钻孔，如果两条巷道一条布置在顶板、一条布置在底板，则可对工作面圈定煤体进行预抽;在工作面推进过程中，底板巷道还可以作为回风巷，顶板巷道仍可以作为瓦斯排放巷来抽放采动过程中的工作面采空区瓦斯，从而实现煤与瓦斯共采。第三章：煤与瓦斯共采的理论及技术体系我国多数煤层瓦斯赋存有低压力、低透气性和低饱和度特点，低压力使瓦斯运移缺乏动力，低透气性使瓦斯无法形成以抽放钻孔为半径的大范围解吸—扩散—渗流圈，低饱和度是由温度、压力、围岩条件、煤的等温吸附特性共同决定的。如果仿照石油天然气的地面抽采技术，难以达到预期的效果，天然气一般是与石油共同存在与储油层内，通常浮与液态石油上方，具有很好的流动性。而煤层气存在于固体煤炭内，多吸附于固体颗粒表面或者微空裂隙，不是自由气体形式存在，这种吸附状态的瓦斯占到了煤体瓦斯总量的80%到90%，所以抽放困难，当温度升高或者煤层应力状态改变时，吸附瓦斯会转变为游离瓦斯。（王家臣，范志忠，2008）由钱鸣高院士等科学家提出的关键层理论，分析了采矿活动对上覆岩层的影响及其移动规律，并在其基础上进一步提出了采动裂隙场的分布规律，为瓦斯抽采提供了理论基础。煤层瓦斯的流动与采动岩体移动变形及其裂隙分布紧密相关。本章将关键层理论及采动裂隙场分布规律应用于卸压瓦斯抽放研究，介绍卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论。3.1基于关键层理论的”0”形圈机理国内外煤层气抽放方法分为采前预抽(以地面钻孔抽放方法为主)与采后卸压抽放(以井下钻孔抽故方法为主)两类。煤岩体的裂隙构成瓦斯流动通道，它对瓦斯抽出率起决定作用。目前，采前地面钻孔预抽方法普遍采用水力压裂技术来扩展煤层裂隙以提高单井抽放半径及瓦斯抽出率。煤层开采时岩层移动形成的采动裂隙导致煤层瓦斯卸压并成为卸压瓦斯的流动通道，煤层透气性显著增大。卸压瓦斯运移与采动裂隙场的动态分布特征有着紧密的关系。3.1.1．采动裂隙及卸压瓦斯的分类覆岩采动裂隙分为两类:一类为沿层离层裂隙，它将在整个上覆岩层范围内发展，导致煤层膨胀卸压；另一类为穿层竖向破断裂隙，它是上覆邻近层卸压瓦斯流向开采工作而及其采空区的通道，仅在覆岩一定高度范围内发育，其高度(可称之为“导气裂隙带”高度)与煤层采高及覆岩岩性有关，一般工作面(非综放面)不超过70一100m。而处于“导气裂隙带”高度以上覆岩区(称之为“上覆远距离采动区”)，煤层卸压瓦斯不能流动到下部工作面及其采空区。相对开采煤层而言，可将卸压瓦斯分为以下三类:①本煤层卸压瓦斯；②邻近层卸压瓦斯，包括上邻近层与下邻近层；③上覆远距离煤层卸压瓦斯。其中本煤层与邻近层卸压瓦斯会涌人回采工作面及其采空区，引起回采空间尤其是工作面上隅角瓦期积聚与超限，造成安全隐患。上覆远距离煤层卸压瓦斯不能流人开采工作面，因而不会对回采安全造成危害，但就煤层气资源开发而言，上覆远距离煤层卸压瓦斯可用钻孔抽放出来。（钱鸣高，缪协兴，2000）3.1.2采动裂隙“O”形圈的形成理论与试验研究揭示了长壁开采覆岩采动裂隙场两阶段发展与“O”形圈分布规律，即从开切眼开始，随着工作面推进，采动裂隙不断发展，采空区中部采动裂隙最发育，此为采动裂隙发展的第一阶段如图一。当采出面积达一定值后，进入采动裂隙发展的第二阶段，此时，位于采空区中部的采动裂隙趋于压实，而在采空区四周存在一连通的采动裂隙发育区，称其为采动裂隙“O”形圈，其周边宽度为34m左右。采动裂隙“0”形圈能长期保持，是卸压瓦斯的储存空间与流动通道。据此建立了卸压瓦斯抽放“0"形圈理论:"0”形圈相当于一条“瓦斯河”，周围煤岩体中的瓦斯解析后通过渗流不断地汇集到这条“瓦斯河”中。因此卸压瓦斯抽放钻孔应打到采动裂隙“0"形圈内，以保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围、较高的瓦斯抽放率。它已在淮北、淮南、阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功试验与应用。（钱鸣高，许家林，1998）3.1.3利用“O”形圈理论抽采卸压瓦斯的原则煤层卸压瓦斯的流动是一个连续的两步过程:第一步，以扩散的形式，瓦斯从没有裂隙的煤体中流到周围的裂隙中去;第二步，以渗流的形式，瓦斯沿裂隙流到抽放钻孔处.采动离层裂隙成为瓦斯流动的通道.显然，将抽放钻孔布置在离层裂隙发育且能长时间保持的区域，有利于卸压瓦斯流动到抽放钻井，保证钻井有效抽放时间长、抽放范围大、瓦斯抽放率高.由覆岩采动裂隙两阶段发展与“O”形圈分布特征可建立卸压瓦斯抽放钻井布置的原则如下:卸压瓦斯抽放钻井的合理位置应打到离层裂隙的“O”形圈内，且沿走向的第一个钻场应布置在离层裂隙分布的第一阶段区域内。上述原则先后在淮北桃园、芦岭等矿进行了试验与应用。3.2瓦斯及采动岩体渗流理论渗流是指流体在多孔介质内的流动。煤属于空隙—裂隙双重介质，瓦斯因采矿活动引起在煤层中的流动属于以上所说的渗流。含瓦斯煤的瓦斯渗流研究是在地球物理场作用下对瓦斯在煤体中流动状态的研究。在煤矿开采的各种瓦斯动力现象中煤层瓦斯的突出、涌出等均与煤层的渗透性有关，因此，研究煤层的渗透性能是防止煤矿自然灾害的理论基础。并且煤层气在煤层中的渗流状态，如流动的难易等因素在很大程度上影响着煤层气抽采的效率。因此对瓦斯渗流的研究对预防瓦斯动力灾害、煤层气开采及提高瓦斯抽放效率有重要意义。（孙培德，鲜学福，1996）（瓦斯渗流文献综述，2012）3.2.1、瓦斯流动理论基础的研究现状1、线性瓦斯流动理论线性瓦斯流动理论包括线性瓦斯渗流理论、线性瓦斯扩散理论及瓦斯的渗流—扩散理论。该理论的建立主要是基于煤体中存在空隙和裂隙双重通道，瓦斯在空隙中的流动属于渗流，在裂隙中流动属于扩散。如图所示：线性瓦斯流动理论线性瓦斯流动理论瓦斯渗流—扩散线性瓦斯扩散线性瓦斯渗流瓦斯渗流—扩散线性瓦斯扩散线性瓦斯渗流菲克定律达西定律菲克定律达西定律线性渗流理论认为，瓦斯在煤体中的流动符合达西定律，即，同一介质，流体流过介质的流速与流体的压力梯度成正比。有些学者从渗流力学角度，把多空介质的煤看成一种大尺度均匀分布的虚拟介质，在我国首次提出了煤层瓦斯的渗流理论—线性瓦斯渗流理论，这一理论的提出对我国煤层瓦斯流动理论的研究产生了深远的意义。线性瓦斯扩散理论认为瓦斯在煤层中流动服从线性扩散定律—菲克定律（Fick，slaw）。即，瓦斯在煤层中流动流速与瓦斯本身的浓度梯度成正比。各种采掘工艺条件下采落煤的瓦斯涌出、突出发展过程中已破碎煤的瓦斯涌出和在预测煤层瓦斯含量和突出危险性时所用的煤钻屑的瓦斯涌出等间题，皆可归结为煤屑的瓦斯扩散问题。众所周知，扩散是由于分子在介质中的自由运动使某物质由高浓度体系运移到低浓度体系的浓度平衡过程。Fick扩散定律正是把扩散流体的速度与这种流体的浓度梯度线性地联系起来。然而，煤屑中的瓦斯涌出过程是一个很复杂的过程。从分子运动观点来看，瓦斯气体分子在孔隙壁上的吸附和解吸是瞬间完成的，但实际上瓦斯通过煤屑的流动需要一定的时间,这是因为瓦斯由煤屑的不同大小的孔隙和裂隙涌出时要克服阻力。因此他们认为把瓦斯从煤屑中的涌出过程看作是气体在多孔介质中的扩散，其涌出规律符合Fick线性扩散定律，并以此对煤屑瓦斯扩散规律地行了深入的理论探讨和实测分析研究。瓦斯渗流—扩散理论，认为瓦斯在煤层中的流动是渗流与扩散的混合过程。随着瓦斯运移规律的研究的深入发展，国内外许多专家都认同瓦斯渗流扩散理论。在国内，1986年以来已孙培德为主的学者经过大量了研究，以瓦斯地质等新观点来认识瓦斯运移机理中明确指出：煤层内瓦斯流动，实质上是可压缩性流体在各向异性且非均质的孔隙—裂隙双重介质中的渗透—扩散的混合非稳定流动。此观点提出对以后的研究又很大的影响。但是,由于煤层内瓦斯运移是一个非常复杂的过程，这不仅与煤结构有关,而且受到众多的因素的影响，上述线性煤层瓦斯流动理论和方法的适用性和实用性常常受到挑战。2、非线性瓦斯流动理论研究现状线性渗流理论虽说较为成熟，但随着研究的深入发展，部分学者提对瓦斯在煤层中的流动是否真正符合达西定律提出质疑并就此问题进行了研究，他们提出此观点的依据是达西定律的适用范围是雷诺系数在1~10之间，然而造成达西定律偏离的主要原因有流量过大、离子效应、分子效应和流体本身的非牛顿态势。随着煤层瓦斯流动理论研究的不断深入，其发展趋势越来越偏向地球物理场作用下的非线性、非达西渗流问题，其中最典型的理论模型为幂定律(PowerLaw)模型。该理论的实质是瓦斯流动速度和瓦斯压力梯度的m次幂成正比，其适用范围主要为雷诺数在10~100之间的非线性层流区。孙培德等根据幂定律的推广形式在均质煤层和非均值煤层的条件下首次建立起可压缩性瓦斯在每层中流动的数学模型—非线性瓦斯流动模型，更具有实用性。3、地物场效应的煤层瓦斯流动理论随着煤层瓦斯流动机理研究的深化，许多学者认识到，地应力场、地温场，及地电场等地物场对煤层瓦斯流动场具有显著的作用和影响;围绕着煤体孔隙压与围岩应力对煤岩体渗透系数的影响，以及对渗流定律达西定律的各种修正，进而建立和发展气固耦合作用的瓦斯流动模型及其数值方法，也即发展地物场效应的煤层瓦斯流动理论，是近年来国内外学者竞相研究的热点，也是煤层瓦斯渗流力学更逼近实用化和这一学科走向成熟的里程碑。4、多煤层系统瓦斯越流理论根据地下渗流力学对煤层瓦斯越流场之定义，对以下诸问题，如煤层群开采中采场瓦斯涌出问题、保护层开采的有效保护范围的确定问题、井下邻近层(采空区)瓦斯抽放工程的合理布孔设计及抽放率预估间题、地面钻孔抽放多气层煤层气工程的合理设计及抽放率预估问题、地下多气层之间煤层气运移规律的预测和评估等，皆可归结为煤层瓦斯越流问题。随着科学研究的深入，目前煤层瓦斯渗流研究(领域)的发展趋势的确是在地球物理场作用下的非线性、非达西渗流方面的研究。3.2.2、采动岩体渗流理论孔隙岩体或裂隙岩体的渗流多为定常渗流，而煤矿突水和煤与瓦斯突出等事故多为渗流突变所致。因而传统岩石渗流理论无法合理描述采动破碎岩体渗流特性。由于受采动影响，采场围岩一般处于峰后应力状态，而破碎岩体的渗透率要远比孔隙岩体高得多，加之附近承压水源的作用，或者煤层瓦斯含量高，这就会由于渗流突变而引起重大突水或者瓦斯事故。采动破碎岩体大致可分为2类:一类是岩体原有构造再加开挖应力作用(应力超过峰值)破碎后仍处原位置的岩体，可称原位采动破碎岩体；另一类是开挖破碎冒落后的堆积体，可称为堆积采动破碎岩体。不论是何类破碎岩体，其渗流特性与一般孔隙或裂隙岩体有着显著差异，最本质的区别在于采动破碎岩体会发生渗流突变，而采动破碎岩体中水的渗流突变是煤矿突水和煤与瓦斯突出等的主要根源。为了实现对煤矿突水瓦斯灾害的有效防治，开发保水采煤和煤与瓦斯共采技术，必须从整体上掌握采动破碎岩体渗流与渗流突变规律，建立采动岩体渗流理论。（缪协兴，2009）大量测试结果表明:原位采动破碎岩体渗流一般不符合Darcy定律，其渗透特性的均值和均方差都随应变呈指数规律变化，且变异系数较大，一般在1—5之间，与完整岩体相比，渗透率呈量级增长，这是岩石工程中发生渗流突变事故的主要因素之一。破碎岩体的渗透系数比完整岩体有量级增加。随着压力增加，不同粒径破碎岩体的渗透系数都将下降，渗透系数随轴压呈负指数规律变化。相同压力作用下，破碎岩体粒径越小渗透越困难，对砂岩而言混合粒径时渗透系数最小。压力不变时，渗透系数随粒径呈幂次规律变化。在较高压力作用下，强度高而勃结力小的岩体破碎以后渗透系数随压力的变化要相对较小，随粒径的变化则相对较大。在压力达到较高数值以后，粒径和岩性对渗透系数的影响都不再明显。由于采动破碎岩体的渗透率在10-15m2量级以上，孔隙岩体渗透率一般为10-20m2，结果表明，峰后岩石非Darcy在采矿工程中，随着工作面的推进，围岩的应力状态和孔隙、裂隙结构是时变的，从而围岩渗透特性和边界条件也是时变的。在对渗透特性变化规律合理简化的基础上，采用Chebyshev配点法对时变渗透特性和时变边界条件的渗流系统的动力学响应进行了系统研究，发现渗透特性的变化和边界压力的变化都能导致渗流系统失稳。理论分析和数值计算均表明:在渗透特性变化过程中，当达到临界条件时，系统不会向新的平衡态演化，必定失稳突变；在周期性压力边界条件下，非Darcy渗流系统可能演化成新平衡态附近的周期运动，也可能失稳；边界压力的微小周期变化，可能导致渗流系统稳定性的突变。从而在机理上揭示了采动破碎岩体会发生渗流突变的特性。因此，可以根据采动破碎岩体发生渗流突变的条件和参数，判别煤矿突水和煤与瓦斯突出发生的危险性。从煤矿采动破碎岩体渗流特性参数测定入手，建立了采动岩体的非Darcy渗流运动控制方程，再通过非线性动力学分析，揭示了该系统会发生渗流突变的动力学现象，因而给出了判断系统稳定性的条件。（缪协兴，钱鸣高，2009）通过文献搜集，我们可以发现，瓦斯渗流是一个关于煤岩体——瓦斯流体的交叉学科，要完全研究清楚其机理需要掌握岩体裂隙场与瓦斯流体的耦合关系，基于关键层理论得出的瓦斯渗流“O”型圈对实现瓦斯高效抽采有极为重要的意义，对实现煤与瓦斯共采提供了理论基础。但是，瓦斯渗流场的机理是复杂的，要彻底掌握深部岩体应力场、温度场对瓦斯渗流作用关系，还需要继续研究，真实模拟具体地质条件下的瓦斯渗流状态还有一定的难度。3.3：煤与瓦斯共采技术体系通过文献资料显示，针对我国煤层瓦斯赋存的地质特征（瓦斯压力低，透气性差、低饱和度），采前抽放瓦斯难度很大，而通过卸压开采的“卸压增透”效应能将瓦斯的渗透率提高千倍以上，因此卸压抽采瓦斯是我国实现煤与瓦斯两种资源共同开采的根本方法。基于关键层理论对开采形成的裂隙场的研究，为高效抽采高浓度瓦斯提供了理论指导，根据抽采方法及工艺的不同，形成了如下的煤与瓦斯共采的技术体系，如图：煤层开采煤层开采岩层移动形成采动裂隙“岩层移动形成采动裂隙“O”型圈邻近层瓦斯卸压采空区瓦斯积聚上覆远瓦斯距离卸压本煤层瓦斯卸压邻近层瓦斯卸压采空区瓦斯积聚上覆远瓦斯距离卸压本煤层瓦斯卸压井下钻孔和巷道瓦斯抽放地面钻井抽放井下钻孔和巷道瓦斯抽放地面钻井抽放卸压煤层气开采卸压煤层气开采煤层气资源利用，消除大气污染煤层气资源利用，消除大气污染提高煤层气采出率，降低矿井瓦斯涌出量，消除瓦斯事故煤与瓦斯共采技术体系煤与瓦斯共采技术体系根据抽放空间的不同，分为本煤层抽放、邻近层抽放、采空区抽放、掘进头抽放；根据地应力划分为卸压抽放、未卸压抽放；根据时间关系划分为采前预抽、采后抽放放、边掘边抽、边采边抽；根据现有的技术习惯把瓦斯抽采方法分为巷道发、钻孔发和综合法；抽放方式上分为埋管抽放、钻孔抽放。不同矿区，不同矿井，根据地质条件的不同而采用不同的方式方法。对煤层群开采条件，应优先考虑利用开采保护层的方法来实现“煤与煤层气共采，而对于单一高瓦斯煤层开采条件，目前要实现“煤与煤层气共采”仍存在较大的技术难度。3.3.1、瓦斯抽采体系我国瓦斯抽采始于1938年的抚顺矿区，经过发展已经形成了一套具体的抽采体系，近些年来通过技术创新和完善，形成了一套完整的瓦斯抽放体系。根据抽放方位的不同，习惯上把抽放方法分为三类，如图：瓦斯抽放方法瓦斯抽放方法掘进头抽放邻近层抽放采空区抽放掘进头抽放邻近层抽放采空区抽放1.1邻近层瓦斯抽放开采煤层群时，回采煤层的顶、底板围岩将发生冒落、移动、龟裂和卸压、透气系数增加。回采层附近煤层中的瓦斯就能向回采层的采空区运移。这类向开采层采空区涌出瓦斯的煤层叫做邻近层，其中位于开采层顶板内的邻近层叫做上邻近层，底板内的叫下邻近层。邻近层抽放瓦斯方法主要有巷道法和钻孔法。阳泉抽放上、下邻近层瓦斯的钻孔布置方法见图：由于邻近层瓦斯抽放钻孔必须深入到邻近层的卸压带内，而且又要避开冒落和大的破碎裂隙区，以免抽放钻孔大量漏气、乃至被切断而使钻孔失效。因此，在邻近层瓦斯抽放钻孔布置中，应注意钻孔布置的角度、钻孔间距、钻孔直径等，以便达到最佳抽放效果。1.2采空区瓦斯抽放采空区的瓦斯涌出在矿井瓦斯来源中占有相当大的比例，采空区瓦斯抽放的方法主要有低位顶板走向或斜交钻孔、冒落拱钻孔、采空区埋管抽放等。低位顶板走向或斜交钻孔抽放冒落拱上方的卸压瓦斯。钻孔从风巷侧面钻场开孔，与回风巷夹角15°到20°，仰角10°一18°，孔深80一140m，向采空区冒落拱上方打钻，钻场间距50一80m，每个钻场打钻孔3一5个，相邻钻场钻孔有40一65m重叠搭接，以保证抽放量连续稳定。钻孔直径越大，抽放量越高，抽放封孔套管内径应与钻孔的直径相同，封孔长度以5一6m为宜。埋管抽放法是将抽放瓦斯管埋设在采空区起采线上隅角附近，为适应开采方式(俯采或仰采)，埋管方式又有水平埋管和垂直埋管两种，见图：实践证明，采空区埋管管口的位置越高，越远离工作面，相对于工作面的负压差越大，采空区与工作面直接隔离做的越好，其抽放效果越好。（简煊祥，李云飞，2011）1.3掘进巷道瓦斯抽放当掘进工作面瓦斯涌出量大或当掘进巷道掘至地质构造带附近，其瓦斯量可能较大，此时可采用边掘边抽方式，利用巷道两帮的卸压条带，向巷道前方打钻抽放瓦斯。3.3.2、卸压瓦斯开采抽采工程技术体系卸压瓦斯开采的原理如右图所示，利用首采煤层的采动卸压效应，使本煤层和邻近层的瓦斯迅速解析释放，通过科学的的钻孔布置和抽放，达到煤与瓦斯共采的目的。我国煤矿保护层开采实践证明，保护层开采之后，上被保护层膨胀变形可达0.784%一2.64%,煤层透气性增加1000~3000倍，卸压瓦斯抽采率达60%以上，有效层间距达到150m下被保护层膨胀变形可达0.2%一0.72%，煤层透气性最大可增加1000多倍，卸压瓦斯抽采率达50%以上，有效层间距达到50m。通过卸压瓦斯的抽采，不仅可以区域性消除煤层的突出危险性，而且可以实现变高瓦斯煤层为低瓦斯煤层的目的，大幅度提高了突出煤层安全开采效率。（缪协兴，2009）1.首采煤层顶板瓦斯抽采技术。首采煤层工作面的瓦斯主要来源于本煤层、采空区和邻近层的卸压解吸瓦斯。根据矿山岩层移动理论，煤层在开采过程中，顶底板岩层冒落、移动产生裂隙。由于瓦斯具有升浮移动和渗流特性，来自于大面积的卸压瓦斯沿裂隙通道汇集到裂隙充分发育区，在环形裂隙圈内形成瓦斯积存库，如图所示：2．大间距上下部煤层膨胀卸压开采顶板瓦斯抽采技术。淮南矿区利用首采煤层的远程采动卸压和使顶底板卸压煤岩层下沉变形破裂，使透气性成千倍增加，在首采层开采过程中，在顶板破裂弯曲下沉带，首创“卸压煤层底板岩巷和网格式上向穿层钻孔瓦斯抽采方法”，将顶板弯曲下沉带卸压煤层和底板腻起卸压膨胀带内的解吸瓦斯，通过顺层张裂隙汇集到网格式抽采钻孔，进行及时有效的抽采(见下图)。3.卸压开采裂隙发育区地面钻孔管抽采瓦斯技术。地面采空区钻孔的设计目的在于在得到一个高效的地面采空区钻孔抽采系统，该系统能更多地抽采高浓度的瓦斯，并使采空区自燃的风险最小。地面钻孔结构如下图所示。采空区瓦斯抽采对减小回风流及其它抽采方法(如顶板钻孔、上隅角抽采管道)的瓦斯浓度有很大影响。尽管在钻孔工作的早期阶段并不明显，但随着工作面离开钻孔位置，钻孔的瓦斯流量和浓度都随之增加，回风流及顶板钻孔或巷道内的瓦斯浓度也开始下降。3.3.3、无煤柱煤与瓦斯共采技术根据煤层群赋存条件，首采关键卸压层，沿采空区边缘沿空留巷实施无煤柱连续开采，通过快速机械化构筑高强支撑体将回采巷道保留下来，沿空留巷与综采工作面推进同步进行，在留巷内布置上(下)向高(低)位钻孔，抽采顶(底)板卸压瓦斯和采空区富集瓦斯，工作面埋管抽采防止采空区瓦斯向工作面大量涌出，以留巷替代多条岩巷抽采卸压瓦斯，可大大