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浅析提高瓦斯抽采效果的技术途径及影响因素

作者:段纵 来源:东源煤业 发布时间:2015-03-26

【摘要】瓦斯抽采是防范瓦斯事故的治本之策,必须加大瓦斯抽采力度,提高抽采率和利用率,努力实现抽采达标。通过抽采抽放,降低煤层中的瓦斯含量,从根本上综合治理瓦斯灾害。根据矿山企业瓦斯抽采的实际情况,这篇文章浅析了提高矿山企业瓦斯抽采效果的技术途径及影响因素。对矿山企业的瓦斯综合治理工作有着一定的指导和教育意义。

【关键词】瓦斯抽采,抽采达标,抽釆率,抽放钻孔。

一、引言

瓦斯抽采方法多种多样,适用条件也各不相同,但瓦斯从煤岩体流入钻孔的过程却遵循相同的原理,因此可从以下几个方面分析提高瓦斯抽放量的技术途径:①增加钻孔暴露面;②人为改变瓦斯流动场的边界条件;③延长钻孔抽放时间;④改变煤层透气性系数。

二、增加钻孔暴露面

(一)增加钻孔暴露面

1.加大钻孔半径r0

钻孔半径越大,其暴露的自由面也越大,越有利于瓦斯涌出。按照瓦斯流动理论,在瓦斯抽放期内,钻孔周围瓦斯流动基本符合径向稳定流动场规律,则钻孔瓦斯涌出量为:

q—钻孔瓦斯涌出量,m3/min;

m—煤层厚度或钻孔穿煤厚度,m;

l—煤层透气性系数,m2/(MPa.d);

P0—煤层原始瓦斯压力,MPa;

Pr0—钻孔内瓦斯压力,MPa;

Pstd—标准状况下的大气压,取0.1Mpa;

R—钻孔瓦斯流动场的影响半径,m;

r0—钻孔半径,m

假设钻孔瓦斯流动半径R=10m

在其他参数不变的情况下,孔径由r=0.1m增加到r=1m,则钻孔瓦斯流量的变化率为:

右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。

(二)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。

(三)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,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。

上图所示为某矿井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。

现场应用中必须考虑的注意事项:

1.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;

2.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。

3.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。

三、人为改变瓦斯流动场的边界条件

(一)提高煤层瓦斯压力

从钻孔瓦斯流场右式中可知,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压力P0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。

(二)提高钻孔抽放负压

从右式中可知,钻孔瓦斯涌出量与钻孔内瓦斯压力Pr0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。

钻孔A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。

四、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随时间变化的关系为:

q0-钻孔瓦斯涌出初始强度m3/min.m2;

t-钻孔内瓦斯流动时间,min

α-钻孔瓦斯流量衰减系数,d-1.

当钻孔抽放时间趋于无穷大时,钻孔瓦斯抽放总量的理论极限值:

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。

五、改变煤层透气性系数

(一)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:

λ-煤样承受压力条件下的透气性系数;

λ-无负荷条件下煤样的透气性系数;

-煤样上的负荷压力

b-与煤的性质有关的常数

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。

当煤样上负荷为1及10MPa时,代入前式得: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,使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。

(二)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:

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。

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,这样才能较好提高的抽放效果。


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