影响煤层瓦斯抽放的因素及其分析_林柏泉.pdf
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1、影响煤层瓦斯抽放的因素及其分析中国矿业 大学林柏泉、八州、月“、产 八气八碑一产沪产月、,入、户产、户产沪户八 六产六户六 六八产产产 确户产沪沪护口?、六子切甲、气气氏产沪尹沪甲产八尸创、门【摘要】煤层瓦斯抽放是解决高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出犷井中瓦斯含量高的 最有效 的方 法之一。但是,目前我国煤犷 中的多数矿井瓦斯抽放效 果不够理怒,因此,深入研完煤层瓦斯抽放的影响因素将有助于解决目前我国犷 开瓦斯抽放 中所存在的 问题本文探讨了煤层的渗透率、钻 孔 直径、钻 孔 间 距以及抽放负压 对犷井瓦斯抽放的影响。认为煤层的渗透率是 形 响矿井瓦斯抽放的 主要因素,钻 扎问距和抽 放 时 间也是
2、影响煤层瓦斯抽放的 重要因素并在实验的墓袖上深 入研完 了煤层途气性 的影响因素。认为煤层透气性 的 大小 主要取决 于煤体所受的应力,并得出了煤体渗透率K和围压力a的关系式。一、前言目前,国内外在解沃高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井中突出煤 层的高压瓦斯方面有各种各样的方法,其中谋层瓦斯抽放和开采解放层是两种最有效阴方法。但是,随着矿井的不断延深,许多矿井将不再有解放层可供开采,而且 煤层瓦斯含量、采掘空间 瓦斯涌出量随开采深度的加深又大量增加,因此,无论是在回采过程,还是在矿井开拓的准备阶段,煤层和围岩的瓦斯抽放,在同矿井瓦斯作斗争中都将起很大作用。我国目前有10 0 多对矿井建立了 瓦斯抽放
3、系统,年抽放量由解放初期的0.2亿立米增加到目前的3亿多立米。在抽放技术方面也取得了很大进展,其中尤以抚顺矿 务局的预抽瓦斯,阳泉、包头、中梁山、松藻、南桐等局矿的开采解放层抽瓦斯和抽放邻近层卸压瓦斯都取得了一定 的成功并积累了丰富的经验。一些采区的 瓦斯抽放串已达 到5 0肠以_L。此外 还相应进行了水力割缝和水力压裂提高煤层透气性的试验研究工作。但是,我国煤矿瓦斯抽放效果好的还只 是 少 数,而多数矿井的 瓦斯抽放效果是不理想的,主要是抽放率低和现有的抽放系 统未能很好地发挥作用。与国外先进国家相比,我国煤矿刊瓦斯抽放工作还有很大差距。因此深 人研究煤层瓦斯抽放的存在问 题 及其影 响因素
4、,对于提高我国煤矿瓦斯抽放中目前所而临的抽放率低,解决突出煤层的高瓦斯问题,尤其是深部矿井的高瓦斯问题都 具有重大意义。这不仅对完善我国煤层瓦斯抽放的理论研究工作有所裨益,而且对我国煤层瓦斯抽放的生产实际也会有所帮助。二、煤层瓦 斯流动原理瓦斯在煤层中的流动是一个复杂的运动过程,主要取决于煤 层介质的 孔隙结构和瓦斯在煤 层中的赋存状态。煤是一种多孔的微裂缝很 多的物质,微裂缝间含有孔隙和大部分与微裂缝相连的毛细管通路,孔隙和 毛细管通路的数目是变化的,它们之间或多或少互有联系,其直径山几微米变化到 几毯米。这些特点不 汉取决f 煤 的性质,也取决于煤所受的外界因素的影响,其中包括地质构 造的
5、影响,周围矿并巷道使煤受到的 最 4 J J应力条件,以及煤的采掘所产生门彩响。可以认为,煤 的裂隙结构使瓦斯得以在其,扣 流动。瓦斯在煤层中_认要以吸附和游此 问种状 态赋仔在煤体中,其中呈游离状态压缩在微裂隙和大孔隙中的很少,大部分为 吸附在微裂隙壁土、孔隙中以及微裂缝之 间“均质”切质的 毛细管中的u及附瓦 斯。根据煤体中的孔隙分布和煤层中 的裂隙系统,可以认为瓦斯在煤 层中的流动,主妥是层流渗透运动和扩 欲运动,其中前者 基仁土服抓 达 酉渗通定律,且主要友生在煤体大孔和微 裂缝中;后 石劝基 术上服从 菲 克 扩散定律,以主女友生 了即创本微孔隙 乙中。根据抚顺煤研所在买验室甲对 煤
6、粒刘 瓦斯放散速度的 测 定,与煤 粒尺寸小宇一定数值,即主安 夕J孔 隙结构时,瓦斯流动遵循菲 克扩 散定律,囚 此,可以认为扩散运动主要是 发生在 吸附瓦斯的解吸过程 中。这种解吸不仅 为游离瓦斯在大孔和裂陈中的层 流渗透提供了瓦斯来源,而且也使瓦斯在煤嘴和护卜J运动 复 杂化。旦从现场实践和实验室实验,护均表明:煤层瓦斯流 动主安取决犷煤层 的裂隙系统,瓦斯在煤层中的运动主要是 层 流渗透。在已经 打钻和采掘到现场,瓦斯阴运动往往要持续很长的一段时间,瓦斯刘流动倩况主要取决于煤层中原始的 瓦斯含量 和渗透木。三、煤体透气性对煤层瓦斯抽放的影石卜】煤体远气性对 煤 层 瓦斯抽放效牙 的 女
7、坏起着举足轻重的作用从目前的技术条件来看,只有透气性好卜、煤层,其抽放效果才好,而研究提高煤层 瓦斯抽放率的一个最主要1 i l方阴就是如河提高煤层的透气性。囚 此,深人研究煤体透气性对煤层 瓦斯 流动的影响将 有助少解决煤层瓦斯 抽放的 问 题。1、瓦斯流动 模2丝灼建立从深体仁身结构 东音,煤体的 绝对透气性是一种 结 构 特 征,色取决于气孔和微小裂隙数体积(孔隙不)、裂 隙的 形状和其内部沟通情次。I j 1此,必 须把影 响心孔和裂 隙 系统几祠余 汁句参数 做为影 响谋体透气性,l j 囚素。实验衣 明:煤体透气性变化的主要影响 因素有地层应力、瓦斯压力和煤体收编变形情况等。为了延
8、立地应力、瓦 斯 庄力相煤体变琳对煤 休进气性形响的物 理模型,自先应考虑在钻孔抽放的 煤 层中,瓦斯运移的基本情况。一般请况下,在井下谋层中,煤层层理和裂隙的分布足复 杂阴,因此,瓦斯 在煤 层中时运移也是复杂的。但是,为了考虑问池万便,基本上可分为两种形式:大 致少戊垂直层理方向 的运移和平行层 理方向问运移。、根据这个原 则,我们 分别在实验室建立了垂直层理煤样和平行层理谋样瓦斯运移阴物理 模 型(如图l所示夕,少 仁 进行了煤样渗透率和围压力(模拟地应力)、孔隙压力(模拟瓦斯压力)以及煤体收缩变形倩沉 的模拟研究。2、地层应力对煤层透气性的影响为了研究地层应力对煤层透气性的影一一-二二
9、二二一一一 一一一叫叫产产共牢于开开/架架架架滩滩滩 习1瓦斯在煤 样山运移示意图欲一平 行层理煤样b一垂1互层理煤样响,我们在实验室进行模拟定性研究.如图2所示,当瓦斯压力不变时,随着围压力(模拟地层应力)0的 增加,渗透 率K开始下降很快;但是,当 围压力增 至67MPa时,渗透率逐渐变小,趋近于零,其它煤样所做的实验也有类似情况。由这些曲线可以推得:当围压力 大于功MPa时,煤样将几乎没有气体渗透过去,这说明地应力对煤层渗透率起决定性的作用.(M Pa)_火火火火火又又又乏、之翻 知 、在实验过程中得出:加载时,煤样的渗透率和 围压力(地层应力)间的关系可用 指数方程表示:K二a e一b
10、a式中的a、b值为实验回归常数且大于零,a值表示aO时煤样的渗透率;b值反映随着围压的增大渗透率下降的 快慢,即渗透率受围压力的影响程 度.在卸载实验过程中,我们发现,随着围压力的降低,煤样渗透率开 始时为缓慢增加,当围压力下降到一定值时(大致在4、SMPa、,煤样渗透率突然 增大.由 此可以认为,为使现场渗透率提高,增加瓦斯抽放率,采用煤层卸 压 是 一项重要措施,而且只有充分卸压,才能大大提高煤层的渗透率,这也是现行的为提高煤层瓦斯抽放率而广泛采用的方法的依据。卸载时,煤样渗透率和围压力间的关系服从幂函数方程:K二K00一c式中的K。、C为实验回 归常数 且大于零。对大屯姚桥煤样(气煤)平
11、行层理煤样的K一a曲线进行回归分析 得:加载时:K二5 37.se一o4 5 6U卸载时:K二81 0.5。“K的单位为d达西);a的单位为MPa。现 场中煤层的渗透率是变 化的,这主要和煤 层所受的应力的复 杂性有关,尤其 是采矿工作使煤层 所受 应 力 重新分布,造成了次生透气性结构,使煤层的透气性发生变化,具体表现为在煤层卸压区内透气性增高,在集中应力带内透气性降低,即地应力对煤层的透气性起决定性作用。而透气性的大小对瓦斯的保存与排放乃至瓦斯压力的分布起重要的作用.因此,笔者认为,在煤层瓦斯抽放中,应当考虑地应力 和渗透率的关系以及煤层中渗透率的不同分布情况,这样才能采 取有效措施进行瓦
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- 影响 煤层 瓦斯 因素 及其 分析 林柏泉
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