瓦斯特性及其抽放.docx
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瓦斯特性及其抽放.docx
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瓦斯特性及其抽放
瓦斯特性及其抽放
一、瓦斯特性
1、危害性
(1)燃烧、爆炸
(2)窒息
(3)喷出、突出
(4)温室效应
2、重要能源
CH4+2O2CO2+2H2O+Q
1m3CH437022.2kJ相当于1~1.5Kg烟煤。
重要的化工原料。
我国煤炭资源储量丰富,分布地域广阔,产量居世界首位,煤炭的开采和利用对我国国民经济的发展起着重要的作用。
我国煤炭生产主要为地下开采,随着采深的增加,采掘机械化程度的提高,煤层中瓦斯涌出量不断增加,瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故已经成为我国煤矿安全事故居高不下的主要矛盾,有效控制瓦斯事故是解决我国煤矿安全问题的关键。
在井下生产过程中,随着矿井瓦斯涌出量的不断增大,为消除瓦斯隐患所花费的成本也不断增高。
对高瓦斯和煤与瓦斯突出的矿井,大型机械化采掘设备难以发挥其效用,回采工作面产量和掘进工作面进尺受到限制,因此瓦斯隐患极大地影响了煤矿生产规模、生产效率和经济效益。
有效控制瓦斯隐患是保证我国煤炭工业可持续发展的一个关键性问题。
瓦斯还是一种温室气体,温室效应是二氧化碳的21倍,对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍。
按生产吨煤平均排放10m3瓦斯量计算,我国每年排入大气的瓦斯量约为200亿m3,其产生的温室效应相当于排放3亿吨CO2。
同时排放到大气中的瓦斯还含有HS、CO、NO等放射性物质,不仅污染大气,而且影响人体健康。
在过去地200~300年中,大气中甲烷浓度已增加了1倍。
瓦斯还是一种优质资源,我国陆上埋深在2000m以内的瓦斯资源总量(煤层气)约为30万亿m3,多于陆上常规天然气的资源量(29万亿m3),相当于400亿t标准煤;按我国现有的能源消耗标准,相当于我国使用20年的能源量。
因此利用专门的设备与设施把煤层、岩层和采空区内所含的瓦斯抽出是减少煤矿井巷瓦斯涌出量、降低开采和工作面瓦斯浓度、预防瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故的根本措施;是解决和提升高瓦斯矿井和突出矿井生产能力、实现煤矿长治久安的重大关键措施;是开发煤层气这一洁净高效能源,实现煤、气两种资源共采,造福人类的合理举措;也是减少大气污染、温室效应,保护环境,落实可持续发展战略的重大措施。
二、矿井瓦斯抽放发展历程
随着煤炭工业技术的发展,瓦斯抽放技术也得了不断地提高,我国煤矿抽放瓦斯技术大致经历了4个发展阶段。
1高透气性煤层瓦斯抽放阶段
20世纪50年代初期,在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔预抽煤层瓦斯获得了成功,抽出的瓦斯作为民用燃料得到了应用,这一方法解决了抚顺矿区向深部开采过程中遇到的关键性安全问题,。
但由于当时对煤层透气性与抽放效果之间的关系认识不深,当在其他矿井采用类似的方法抽放瓦斯时,由于预抽煤层的透气性远远小于抚顺煤层,因此抽放效果不明显。
2邻近层卸压瓦斯抽放阶段
20世纪50年代初期,在开采煤层群的矿井中,采用井下穿层钻孔抽放上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区获得成功,解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。
在这个阶段,通过大量的瓦斯抽放试验,认识到利用煤层开采后形成的顶底板采动卸压作用,对未开采的相邻煤层(包括不可采煤层)进行边采边抽可有效地抽出瓦斯、减少邻近层卸压瓦斯向开采层工作面大量涌出。
到20世纪60年代,该方法已在不同煤层赋存条件的上、下邻近层中得到应用,都取得了较好的抽放效果。
邻近层卸压瓦斯抽放技术在我国得到了广泛的推广应用。
3低透气性煤层强化抽瓦斯阶段
由于在一些透气性较差的高瓦斯煤层及突出危险煤层采用通常的布孔方式预抽瓦斯的效果不理想,难以解除煤层开采的瓦斯威胁,为此,从20世纪60年代开始,科研院校与现场结合,试验研究了多种强化抽放开采煤层瓦斯的方法,如煤层高、中压注水,水力压裂,水力割缝,松动爆破,大直径(扩孔)钻孔,网格式密集布孔,预裂控制爆破,交叉布孔等。
在这些方法中,多数方法在试验区取得了提高瓦斯抽放量的效果,但是由于有的工艺较复杂,有的装备庞大井下不适用,有的需要增加较多的工程及设备,所以直到目前为止,强化抽瓦斯措施还没有达到工业应用程度。
可是通过试验,得到一个认识,即对于“可以抽放”甚至“较难抽放”的煤层,当在煤层中适当加大布孔密度,并通过采用强化抽瓦斯措施,是可以扩大钻孔的卸压范围、增加煤层透气性、提高瓦斯抽放率的。
目前,低透气性煤层强化抽瓦斯技术仍在继续探索中,以试验新的更经济有效的途径。
4综合抽瓦斯阶段
从20世纪80年代开始,随着机采、综采和综放采煤技术的发展和应用,采区巷道布置方式有了新的改变,采掘推进速度加快、开采强度增大,使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加,尤其是存在邻近层的工作面,其瓦斯涌出量的增长幅度更大,采区内瓦斯平衡构成也发生了很大变化。
为了解决高产高效工作面多瓦斯涌出源、高瓦斯涌出量的问题,必须结合矿井的地质开采条件,实施综合抽放瓦斯。
所谓综合抽瓦斯技术,就是把开采煤层瓦斯采前预抽,卸压邻近层瓦斯边采边抽及采空区瓦斯采后抽放等多种方法在一个采区内综合使用,在空间及时间上为瓦斯抽放创造更多的有利条件,在工艺及方式上将钻孔抽放与巷道抽放相结合、井下抽放与地面钻孔抽放相结合、常规抽放与强化抽瓦斯相结合、垂直短钻孔抽放与水平长钻孔抽瓦斯相结合的技术措施。
采用综合抽瓦斯方法后可最大限度地利用时间及空间增加瓦斯抽放量、提高瓦斯抽放率,缓解掘、抽、采接替紧张状态。
综合抽放瓦斯方法在技术原理上没有新颖之处,它仅是针对多瓦斯涌出源的特点将多种抽放方法综合在一起,使瓦斯抽放量及抽放率达到最高。
在一个矿井或一个工作面采用多种方式方法抽放瓦斯是综合抽瓦斯方法的特点,它是当前高产高效矿井抽瓦斯技术的发展方向,也是关于治理瓦斯的“密钻孔、严封闭、综合抽”技术方针的重要方面。
综合抽瓦斯是矿井防止瓦斯事故的可靠的安全保障措施,也为开发、利用煤层气资源提供了经济有效的技术手段。
三、矿井瓦斯抽放方法
目前对于矿井瓦斯抽放方法尚无统一的分类标准,通常按照瓦斯来源可分为开采层瓦斯抽放、临近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放、围岩瓦斯抽放和综合瓦斯抽放;按抽放工艺可分为钻孔抽放、巷道抽放和钻孔巷道混合抽放;按煤层及围岩地应力变化可分为未卸压抽放、卸压抽放和强化抽放;按与采掘工作面相对时间可分为采前预抽、边采边抽、边掘边抽和采后抽放;按抽放设备施工位置可分为地面抽放和井下抽放。
瓦斯抽放方法的选择主要决定于煤层地质赋存条件、开采条件、煤层透气性、煤层瓦斯含量、瓦斯来源及抽放技术条件等因素。
根据瓦斯来源及抽放技术分类如下:
矿井瓦斯抽放方法分类表
抽放分类
抽放方法
抽放方式
适用条件
开采层抽放
未卸压煤层
局部抽放
超前钻孔
高瓦斯或有突出危险煤层
大面积抽放
顺层钻孔抽放
高瓦斯煤层,有充裕预抽时间
穿层钻孔抽放
专用瓦斯巷抽放
钻孔和巷道混合抽放
地面钻孔抽放
卸压煤层抽放
边采边抽
煤层瓦斯涌出量较大,透气性较小,预抽时间不充分
边掘边抽
掘进头瓦斯涌出量较大
强化抽放
水力压裂
煤层透气性低
水力割缝
松动爆破
物理化学处理
邻近层抽放
上下邻近层抽放
巷道钻孔抽放
邻近层向开采层
瓦斯涌出量较大
地面钻孔抽放
专用抽放巷
综合抽放
采空区抽放
已采区
密闭埋管抽放
瓦斯涌出量较大的已采区
密闭巷道抽放
现采区
埋管抽放
瓦斯涌出量较大的回采工作面
井下钻孔抽放
地面钻孔抽放
综合抽放
围岩抽放
围岩裂隙溶洞
裂隙钻孔抽放
存在裂隙、溶洞的围岩瓦斯涌出量较大或有瓦斯喷出危险
溶洞钻孔抽放
密闭巷道抽放
四、提高瓦斯抽放量的常规途径
(一)增加钻孔暴露面
1.加大钻孔半径r0
依据煤层瓦斯流动理论,当穿层钻孔的瓦斯流场为径向稳定流动时,钻孔瓦斯涌出量为:
(1)
式中
—钻孔瓦斯涌出量,m3/min;
—煤层厚度或钻孔穿煤厚度,m;
-煤层透气性系数,m2/(MPa.d);
-煤层原始瓦斯压力,Mpa;
-钻孔内瓦斯压力,Mpa;
-标准状况下的大气压,取0.1Mpa;
-钻孔瓦斯流动场的影响半径,m;
-钻孔半径,m。
如果钻孔瓦斯流动半径
=10m,在其他参数不变的情况下,孔径由
=0.1m增加到
=1m,则钻孔瓦斯流量的变化率为:
上式说明在钻孔直径增大10倍的情况下,钻孔瓦斯流量仅仅增大2倍。
因此单纯采用增大钻孔直径的方法并不能取得满意的抽放效果。
同时从现场打钻工艺技术来说,孔径太大常常会出现塌孔而阻塞钻孔通道的现象。
2.增加钻孔穿煤长度
在钻孔的设计中,穿煤钻孔应穿透煤层整个厚度,顺层钻孔应尽可能增加钻孔长度。
但煤层厚度是一个定值,顺层钻孔长度的增加也是有限的,钻孔愈长打钻技术难度也愈大,因此通过增加钻孔穿煤长度来提高瓦斯抽放量的效果也是有限的。
当然,实际现场还是尽量使钻孔尽可能地覆盖整个煤层区域,才能够最大限度地发挥抽放的作用。
3.增加钻孔密度
增加钻孔密度是指在一定的钻场范围内增加钻孔数量,即缩短钻孔间距,增加钻孔对瓦斯流场的控制范围,从而提高对整个煤层的瓦斯抽放率。
钻孔密度应依据煤层透气性系数、钻孔长度、钻孔直径、抽放时间、瓦斯抽放率等各种参数综合分析,以确定最佳抽放钻孔密度。
实践表明,合理提高钻孔密度对提高瓦斯抽放率效果显著,同时由于增加钻孔密度是一种简单易行的措施,因此该方法是目前提高开采层瓦斯抽放率的一项主要途径。
但提高钻孔密度会大大增加抽放工程量,大幅度提高抽放成本。
下图所示为抚顺一个钻场内钻孔数量与抽放量的关系曲线。
从图中可知,当一个钻场内的钻孔数达到4个时,瓦斯抽放量已趋于最大,再增加孔数,增加抽放量的作用就不大了。
必须指出,对于低透气性煤层,每个钻孔所控制的瓦斯流动场的范围是很小的,随着时间的增长,流动场的扩展范围也很小,在这种情况下,增加钻孔密度对提高瓦斯抽放率效果较显著;而且当钻孔密度达到一定程度时,对煤层还能起到增加卸压作用,这在网格式预抽瓦斯作为防突的区域性措施试验中已得到验证。
钻孔密度应该根据开采煤层要求达到的瓦斯抽放率、采场接替能提供的允许瓦斯抽放时间,以及在该时间内钻孔能达到的瓦斯流场范围等综合因素来确定,以做到抽放效果最佳,经济上最合理。
(二)人为改变瓦斯流动场的边界条件
1.提高煤层瓦斯压力
从上式中可知,在其他参数不变的情况下,钻孔瓦斯涌出量
与煤层原始瓦斯应力
成正比关系。
如果采取人工方式增大煤层瓦斯压力则会提高钻孔的瓦斯涌出量。
目前在该方面的工作主要有煤层高压注水和高压注气。
试验表明高压注水并没有增加钻孔瓦斯流量,主要原因为注水后瓦斯与水在煤体内呈二相流动,煤体内的孔隙被水浸润饱和后,气相流动的渗透系数反而变小,抑制了瓦斯的涌出。
高压注气目前还处于试验阶段,在工艺技术和理论研究上还存在一系列问题,如煤对混合气体的吸附、解吸能力问题,向煤层注气的均匀性问题,注高压气体的安全性问题,混合气体的爆炸危险性问题等。
2.提高钻孔抽放负压
从上式中可知,钻孔瓦斯涌出量
与钻孔内瓦斯压力
成反比,即抽放负压越大钻孔瓦斯涌出量越高。
从理论上
的变化范围为0.1~0Mpa,其变化对
的影响有限。
但实际测试表明,煤体受负压影响,当其内部的瓦斯被排出后会发生收缩变形,如果煤体的各向物理机械性质不同,则在收缩过程中,会导致煤体裂隙分布的变化,因此使得煤层透气性系数发生改变,从而增加钻孔瓦斯涌出量。
对于不同的煤层,由于煤的变质程度、煤体成分、原始瓦斯压力、地应力、坚固性系数等各不相同,因此最佳抽放负压也各不相同,通常根据实测钻孔压力数据而得。
图6-3给出了几种典型的钻孔“负压一流量”特性曲线,图中A孔的特性曲线表明,随着负压的增高,钻孔瓦斯流量也增加,但负压达到pA时,再增加负压对钻孔流量的增加作用就不大了;钻孔B在负压增加到pB时,瓦斯流量反而下降,其原因可能是瓦斯供给源贫乏及钻孔漏气严重,这就需要调整抽放负压;钻孔C当抽放负压稍有增加时,瓦斯流量即可大幅度增加并达到最大值;钻孔D则需要有较高的抽放负压钻孔瓦斯流量才能相应增大,并达到最大值。
为了确定有效抽放负压,应对钻孔的“负压—流量”特性曲线进行测定。
瓦斯抽放的实践经验表明,由于受管路及钻孔密封性的影响,提高负压会增加巷道空气量的漏入;另外由于瓦斯抽放泵所能达到的负压值也有一定限度,因此要想把抽放负压提得很高是有困难的。
(三)延长钻孔抽放时间
由于实际钻孔内的瓦斯流程为非稳定流动,因此根据经验公式,钻孔内的瓦斯涌出量
为:
(2)
式中
-钻孔瓦斯涌出初始强度,m3/min.m2;
t-钻孔内瓦斯流动时间,min;
-钻孔瓦斯流量衰减系数,d-1.
依据公式
(2),当钻孔抽放时间
时,钻孔瓦斯抽放总量的理论极限值为:
因此钻孔瓦斯抽放瓦斯总量不是无限增加的,据实际现场经验表明,对透气性较低的煤层,由于衰减系数较大,一般抽放半年至一年,钻孔瓦斯抽放总量就已经达到极限抽放量的80%~90%,在此情况下即使再增加抽放时间,已没有实际意义,况且现场生产过程中,常常没有太长的瓦斯预抽时间。
因此当钻孔抽放时间达到一定阶段时,延长抽放时间对提高瓦斯抽放量的作用已不明显。
(四)改变煤层透气性系数
1.地压
经试验研究表明,煤样的透气性系数与其负荷压力的关系可用下式表达:
(3)
式中
-煤样上压力为
时的透气性系数;
-无负荷条件下煤样的透气性系数;
-煤样上的负荷压力,Mpa.
b-与煤的性质有关的常数。
以北票煤样为例,实验室测定结果b=0.00403。
式(3)说明煤层埋藏越深,地压越大,其透气性系数越小。
因此对煤层卸压,减小煤层的低层压力可增加煤层透气性系数,从而能增加瓦斯抽放量。
当北票煤样上负荷为1及10MPa时,代入3-13-8,得:
λ1≈λ0、λ10=0.67λ0。
从上述计算结果可以看出,当煤样上负荷增加到10MPa,即相当于垂深400m的地层压力时,煤的透气性系数比无负荷时减少1/3,这说明煤层埋藏深度愈深、地压愈大,其透气性系数愈小,因此减小煤层上面的地层压力,即卸压,能增加煤层透气性系数,也能很好地增加瓦斯抽放量。
所以现场经常采取向煤层卸压区打钻、高位巷道、高位钻场等方法,即使得钻孔位置处于卸压区和裂隙带范围进行抽放来增加抽放量。
2.煤层内的裂隙
煤层内裂隙大小和透气性系数之间的关系为:
(4)
式中λ-煤层透气性系数,D;
-量纲换算系数,
=85×106;
-裂隙的比长度,mm/mm2;
-裂隙的平均宽度,mm。
式(4)表明煤层透气性系数与煤层内裂隙的三次方成正比,因此采用人工方式在煤层内形成较多的裂隙网络会大大增加煤层透气性系数,从而改变整个煤层内瓦斯的流动性质,极大地提高钻孔瓦斯涌出量。
根据式(4)可知:
(1)对于在lm2面积内,当裂隙的流动长度为lm,即裂隙的比长度l=0.001mm/mm2时,如果裂隙的平均宽度b=lmm,则该面积范围内的透气性系数λ=85000D;
(2)当l=0.001mm/mm2,b=0.1mm时,则λ=85D。
众所周知,目前已知的煤层透气性系数最大的只有几个至几十个毫达西(mD),如能在煤层内形成一条具有一定宽度的畅通裂隙通道,则煤层的透气性就会提高很多,对增加钻孔瓦斯抽放量具有重要意义。
综合上述分析,为提高开采层的瓦斯抽放量,可采取增加钻孔密度、保证钻孔有效长度、适当增加钻孔直径和提高抽放负压等措施,但由于采取这些措施仍是在煤层原始透气性不变的情况下进行瓦斯抽放,因此提高瓦斯抽放量的效果是有限的。
提高煤层瓦斯抽放量的根本途径在于增加煤层透气性,即采用人为的方法扩大、沟通煤层裂隙网络,这样才能较好的抽放效果。
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