預(yù)抽瓦斯技術(shù)在蘇海圖煤礦的實踐與應(yīng)用

王雪芹

(烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 016000)

預(yù)抽瓦斯技術(shù)在蘇海圖煤礦的實踐與應(yīng)用

王雪芹

(烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 016000)

本文分析了蘇海圖煤礦1250采煤工作面在采煤過程中瓦斯產(chǎn)生的原因，闡述了本煤層羽狀預(yù)抽瓦斯技術(shù)的工作原理。該技術(shù)成功的對采煤過程中產(chǎn)生的瓦斯進行了有效地治理，在技術(shù)層面上保證了采煤工作面的安全生產(chǎn)。

瓦斯治理 瓦斯抽放 羽狀預(yù)抽

蘇海圖煤礦位于內(nèi)蒙古烏海市烏達區(qū)北部，屬神華烏海能源公司。2009年礦井瓦斯絕對涌出量為6.48m3/min。1250工作面位于125盤區(qū)下山下部的南翼，屬1150水平，地面標高為+1205～+1240m，工作面標高為+1030～+1060m，開采12煤層，平均厚度 8.0m，工作面走向長度為840m，傾斜長度190m，煤層傾角平均7°，可采儲量902538t。采高控制在3.8～4.0m。采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法，全部跨落法來管理頂板。

開采初期，1250工作面瓦斯在0.9%左右徘徊，瓦斯超限情況時有發(fā)生，給礦井安全生產(chǎn)帶來較大隱患。因此，要順利回采1250綜采工作面，必須對瓦斯進行有效治理，在對1250工作面瓦斯超限原因進行針對性分析后，經(jīng)過現(xiàn)場試驗和摸索，最終確定采用本煤層羽狀預(yù)抽瓦斯技術(shù)，對工作面的瓦斯進行了有效地治理，取得了較好現(xiàn)場效果，保證了采煤工作面安全、高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)。

1 1250工作面瓦斯超限的原因分析

1250采煤工作面瓦斯超限主要由本煤層瓦斯涌出造成的。采煤機在破煤過程中，煤層的原有應(yīng)力平衡被破壞，在煤壁前方的煤體內(nèi)，產(chǎn)生3個應(yīng)力帶 (見圖1)，即卸壓帶、集中應(yīng)力帶和原始應(yīng)力帶。在卸壓帶 (長度一般為3～5m)中，煤層的透氣性增大，地應(yīng)力與瓦斯壓力都大大降低，大量吸附在煤層中的瓦斯都沿著煤層的裂隙釋放到工作面，從而導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量增加。

圖1 應(yīng)力集中帶和卸壓帶的分布

2 本煤層羽狀預(yù)抽瓦斯技術(shù)

2.1 煤層瓦斯的解吸擴散特征

煤層中瓦斯從基質(zhì)中解吸并流向割理系統(tǒng)的過程是擴散過程，這種擴散可分為非穩(wěn)態(tài)和擬穩(wěn)態(tài)兩種模式。

(1)非穩(wěn)態(tài)擴散

非穩(wěn)態(tài)擴散基于Fick第二擴散定律，用偏微分方程描述基質(zhì)幾何塊體的擴散過程，幾何塊體的濃度從中心到邊緣是變化的，一般假定幾何塊體中心的濃度變化率為零，邊緣濃度是受地層裂縫壓力控制的吸附氣濃度。煤基質(zhì)塊中總的氣體濃度由微孔中所含的游離氣和表面的吸附氣體兩部分組成，其中游離氣的濃度為:

吸附氣的濃度為:

基質(zhì)塊中總氣體濃度為:

則由Fick第二擴散定律得孔隙中壓力pm的方程為:

由上兩式解得基質(zhì)塊中氣體濃度后，基質(zhì)塊流出的流量可由下式得:

其中，A1，V1分別為基質(zhì)塊單元的表面積和體積，Dm為多孔介質(zhì)中質(zhì)量擴散系數(shù)，單位為m2/s，J表示擴散通量，單位為g/m2s。

(2)擬穩(wěn)態(tài)擴散

擬穩(wěn)態(tài)擴散基于Fick第一定律。認為煤層氣在擴散過程中的每一個時間段都有一個平均濃度，此濃度對時間的變化與差值成正比，

其中C2為基質(zhì)塊邊緣的濃度，應(yīng)等于裂縫中的壓力所決定的吸附氣的濃度?；|(zhì)塊流出的流量等于濃度的變化率乘以幾何因子，即:

式中，S為割理間距，單位為m。

由上式可知，吸附時間與擴散距離相關(guān)，即與裂縫間距的平方成正比。所以裂縫密度越大，煤層氣擴散距離越短，吸附時間越短，擴散速率就越高。

2.2 煤層瓦斯的輸運特征

對于裂縫中氣體的輸運，由于基質(zhì)塊中不斷有氣體擴散進入裂縫，在連續(xù)性方程中應(yīng)看作一個連續(xù)源分布。則裂縫中氣相質(zhì)量守恒方程為:

令τ=1/DmFs，為擬穩(wěn)態(tài)吸附時間常數(shù)，單位為s。Fs是基質(zhì)塊形狀因子，單位為l/m2，由于煤中的割理系由兩組近于直交并與層面大致垂直的面割理和端割理組成，因此，可用圓柱體近似描述煤基質(zhì)形狀，形狀因子即為8π/S2。則

其中qm是質(zhì)量源。速度Vfg由兩部分組成:一是宏觀滲流速度，遵從達西定律，另一是裂縫中氣體擴散速度，遵從Fick定律，即:

將式 (9)、式 (10)中的密度和濃度分別用壓力表示:

從上面分析可知，煤層氣體產(chǎn)出之前經(jīng)歷了基質(zhì)解吸、擴散到裂縫中和在裂縫中滲流等過程，流體在整個煤層中大致呈三種狀態(tài)，按產(chǎn)出時間，大體可分為以下三個階段:

第一階段:產(chǎn)出單相水，隨著水的產(chǎn)出，煤層中壓力下降，降至臨界解吸壓力之后，瓦斯開始從煤表面解吸出來。

第二階段:解吸出來的氣體通過擴散進入割理裂縫形成氣泡，使水的相對滲透率下降。但氣相飽和度過小，使氣相滲透率還沒有達到可流動的滲透率值，即氣泡是孤立的，沒有形成氣流通道。

第三階段:氣相的相對滲透率從零逐漸增大，直到作為單獨的一相存在并且流動，則地層裂縫中開始出現(xiàn)氣、水兩相滲流。

通過分析煤層的結(jié)構(gòu)特性和含氣特性，我們可以知道氣、水兩相在煤層中的輸運特點與普通雙重介質(zhì)是不同的，氣體從基質(zhì)中解吸，擴散到裂縫中，再與水混合作兩相滲流，構(gòu)成了煤層瓦斯地下運移的一般規(guī)律。

2.3 煤層氣、水兩相流動方程的差分離散

以內(nèi)邊界為定井底壓力條件，外邊界為封閉地層邊界條件為例，采用有限差分方法，利用三維直角坐標塊網(wǎng)格內(nèi)的物質(zhì)守恒對所建立的數(shù)學(xué)模型進行離散。順層羽狀長鉆孔預(yù)抽瓦斯的幾何模型即布孔方式如圖2所示，三維直角坐標塊中心網(wǎng)格(圖3)。煤層厚度方向為Z方向，并取向下為正，羽狀鉆孔位于XY平面上，垂向坐標為Z=0。編號的順序X是由左到右，Y是由里到外，Z是由上到下，并規(guī)定重力方向向下。

XY平面上的網(wǎng)格將羽狀水平井分為若干微段，由于每段長度較短，可認為流體流入該段內(nèi)的流量均勻分布，由于方程本質(zhì)上表達的是一個質(zhì)量守恒關(guān)系，因此直接在離散后的網(wǎng)格上也利用質(zhì)量守恒，對任意網(wǎng)格，都應(yīng)遵循。

2.4 抽放鉆孔圍巖應(yīng)力分布

當向煤層打鉆后，其圍巖應(yīng)力也將發(fā)生變化，重新分布。在瓦斯抽放鉆孔周圍，圍巖應(yīng)力表現(xiàn)為先增加，然后減小，直至原始應(yīng)力狀態(tài)后趨于穩(wěn)定。瓦斯抽放鉆孔周圍煤體透氣性系數(shù)的變化與圍巖應(yīng)力的變化相反，它是先減小，然后略有增加。

圖2 順層羽狀長鉆孔預(yù)抽瓦斯布孔圖

圖3 順層羽狀長鉆孔網(wǎng)格剖面示意圖

根據(jù)瓦斯抽放鉆孔的圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，在布置鉆孔時，下一個鉆孔不能布置在上一鉆孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，因為，這樣做很容易造成塌孔。當煤層透氣性比較小時，其鉆孔間距必然不能過大，下一個鉆孔可布置在上一鉆孔圍巖的應(yīng)力集中區(qū)的邊緣，再在兩個鉆孔之間打卸壓鉆孔，此卸壓孔不可作為抽放孔。當煤層透氣性系數(shù)比較大時，則可根據(jù)透氣性的實際大小，確定瓦斯抽放孔的間距。

2.5 抽放鉆孔瓦斯流動模型

在抽放鉆孔內(nèi)，瓦斯從四周的煤體內(nèi)向鉆孔方向流動，其流場的流動方向為徑向流動。具體如圖4所示。

圖4 抽放鉆孔瓦斯流動示意圖

抽放孔周圍的瓦斯流動屬于徑向流動，鉆孔周圍瓦斯壓力呈指數(shù)規(guī)律增加，隨時間的推移，瓦斯壓力梯度逐漸降低。而瓦斯壓力梯度是瓦斯流動的動力來源，因此，瓦斯抽放量也應(yīng)隨抽放時間增加而降低。隨著瓦斯抽放鉆孔直徑增加，鉆孔圍巖壓力峰值距孔壁越遠，周圍的卸壓范圍也相應(yīng)增大，鉆孔暴露面積也相應(yīng)增大，因此，鉆孔瓦斯涌出量也增大。由此可見，增大瓦斯鉆孔直徑，有利于瓦斯抽放，但鉆孔直徑通常受到鉆機性能，施工速度與技術(shù)水平等因素的限制，施工困難，容易塌孔。

在進行本煤層瓦斯抽放時，通常要沿著煤層走向布置多個鉆孔，相鄰兩個鉆孔之間的距離即為鉆孔間距。鉆孔間距應(yīng)略小于或等于鉆孔有效排放半徑的2倍。

3 抽放效果分析

2011年8月中旬采一隊初次進入1250工作面采煤時其瓦斯?jié)舛冉?jīng)常保持在0.9%左右，并時有超限現(xiàn)象發(fā)生，嚴重影響了1250工作面的安全生產(chǎn)。

2011年8月下旬，該礦開始在1250工作面采用羽狀預(yù)抽瓦斯技術(shù)以來瓦斯抽放效果十分明顯，抽放隊安排放水人員在1250工作面上順槽測量φ150mm抽放管內(nèi)負壓內(nèi)負壓、濃度等技術(shù)參數(shù)時發(fā)現(xiàn)管內(nèi)負壓一般保持在34.6～38.2kPa之間，瓦斯?jié)舛纫话惚３衷?1%～15%之間。實施羽狀預(yù)抽瓦斯技術(shù)后，9月中旬以后在該工作面采煤時，瓦斯?jié)舛纫呀抵?.2% ～0.4%，此后觀察抽放管內(nèi)瓦斯?jié)舛戎两駴]有反彈，保證了1250工作面的安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)，收到了良好的社會與經(jīng)濟效益。

［1］徐永圻，《采礦學(xué)》［J］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［2］馮文光.煤層氣藏三維數(shù)值模型 ［J］.礦物巖石，1999，17(4):42-49.

Practice and Application of CBM Pre-drainage Technology in Suhaitu Coal Mine

WANG Xueqin
(Wuhai Vocational and Technical College，Inner Mongolia 016000)

The paper analyzes the causes of gas emission during the coal mining process of 1250 working face in Suhaitu mine，illustrates the working principle of the multilateral pre-drainage technology in the coal seam gas.The technology can successfully and effectively control the gas emitted during the mining process，so as to ensure the safe production of coal mining working face at the technical level.

Gas control;gas drainage;multilateral pre-drainage

王雪芹，女，采礦工程碩士，助理工程師/助教，主要從事采礦工程相關(guān)的教學(xué)與研究工作。

(責任編輯 黃 嵐)