煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究及瓦斯預(yù)測(cè)

李 駿

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司二礦，山西 陽泉 045008)

引言

煤礦瓦斯是由游離于煤儲(chǔ)層的煤層氣構(gòu)成，是一種重要的資源類型，且具有較高應(yīng)用價(jià)值，屬于一種潔凈的能源類型。但是，實(shí)際煤礦生產(chǎn)中，煤礦瓦斯可能會(huì)造成煤礦安全事故的產(chǎn)生，不利于煤礦安全生產(chǎn)。為探明煤礦瓦斯的基本情況，主要運(yùn)用瓦斯地質(zhì)鉆探工藝，對(duì)其進(jìn)行開采和抽放，達(dá)到安全的目的。

1 礦區(qū)氣壓變化規(guī)律

地球表面覆蓋的一層厚厚的由空氣組成的大氣層，處于大氣層中的物體，都受到空氣分子撞擊產(chǎn)生的壓力，簡稱大氣壓力。受到地心引力作用，距地球表面越近，地球吸引力越大，空氣分子撞擊物體表面的頻率越高，產(chǎn)生的大氣壓力就越大；反之，欲小。據(jù)測(cè)定，旬耀礦區(qū)地面大氣壓力變化在一年內(nèi)可達(dá)500～2000pa，特殊情況下一天變化可達(dá)200～400pa，每天早晨氣壓上升，下午氣壓下降；冬季氣壓高，夏季氣壓低，但是如某一次寒流到來，氣壓相應(yīng)增高，但是冷空氣一過，氣壓緩慢下降，因此某一固定區(qū)域的內(nèi)大氣壓力變化，必然導(dǎo)致礦井內(nèi)部大氣壓變化，進(jìn)而影響礦井內(nèi)部瓦斯變化

2 瓦斯抽采實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 煤礦地質(zhì)情況

某煤礦屬于瓦斯突出礦井，煤層平均厚度為5.3m，瓦斯含量為8.9-10.9m3/t，測(cè)量發(fā)現(xiàn)平均壓力為1.89MPa，為了減少瓦斯的泄露風(fēng)險(xiǎn)，開采時(shí)應(yīng)采用順應(yīng)煤層方向的模式，采用抽采鉆孔方式，并保證直徑為94mm。

2.2 數(shù)值模型

選取某煤礦3號(hào)煤層開采工作面為模型來源，模型高度為5m，長度為40m，將其布置在煤層的水平中心位置，設(shè)置13個(gè)負(fù)壓抽采鉆孔，各孔之間的水平距離為3m，直徑保持為100mm。為了更為精準(zhǔn)的呈現(xiàn)承載力的變化情況，將判斷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為臨近工作面的推進(jìn)距離，推進(jìn)10m則重新設(shè)置承載力，直至完成最終的抽采工作。模型內(nèi)空氣壓力為0，瓦斯初始?jí)毫?MPa。

3 雙重孔隙特性瓦斯運(yùn)移模型

為了充分研究煤層滲透率對(duì)瓦斯運(yùn)移的影響，建立雙重孔隙瓦斯運(yùn)移模型進(jìn)行分析。相較常規(guī)的天然氣儲(chǔ)層，煤礦抽采煤層滲透率保持在0.001-100.00范圍內(nèi)變化，且煤層屬于包含裂隙與基質(zhì)孔隙的雙重孔隙介質(zhì)，微孔表面存在瓦斯。在基質(zhì)系統(tǒng)中，煤層瓦斯遵循一定的運(yùn)移規(guī)律，需要建立相應(yīng)模型進(jìn)行分析。

3.1 模型假設(shè)

一是忽略煤層水分對(duì)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的影響，僅考慮瓦斯自身的流動(dòng)情況；二是煤層中的介質(zhì)均為同種性質(zhì)，分析期間考慮煤層的雙重孔隙特點(diǎn)；三是忽略煤層對(duì)二氧化碳組分的吸附影響，將瓦斯外界空氣看做飽和氣體。

3.2 煤層變形與瓦斯流動(dòng)方程

在考慮煤層裂隙與基質(zhì)部分情況下建立理想模型，對(duì)于煤層天然裂隙，應(yīng)分為水平割理與垂直割理兩部分，其中煤層主要包含裂隙與基質(zhì)孔隙的雙重孔隙介質(zhì)，瓦斯主要附著于微孔表面。瓦斯自由運(yùn)移的主要空間為煤層割理，其流動(dòng)主要遵循氣體對(duì)流——擴(kuò)散方程。根據(jù)瓦斯流動(dòng)速度，設(shè)定在割理與節(jié)理中傳輸?shù)耐咚箤?duì)流方程與基質(zhì)內(nèi)瓦斯擴(kuò)散方程。除此之外，煤層屬于多孔介質(zhì)體，構(gòu)成較為復(fù)雜，煤層滲透率處于不斷變化的過程中，因此在分析瓦斯運(yùn)移規(guī)律的影響時(shí)，技術(shù)人員還應(yīng)結(jié)合混合氣體的實(shí)際影響。

圖 瓦斯賦存主機(jī)控制理論體系

4 瓦斯涌出分布規(guī)律分析

4.1 端頭位置

在工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)(端頭位置)取測(cè)試單元為I，從1號(hào)～5號(hào)測(cè)點(diǎn)，瓦斯的濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是整體的濃度變化不大。主要是由于該位置處于回采面進(jìn)風(fēng)巷與回采面切眼的交叉位置，位置處的風(fēng)流量較大，整體的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出紊流狀態(tài)，采煤面遺落的瓦斯被風(fēng)流稀釋，同時(shí)由于此處位置有漏風(fēng)，造成煤層瓦斯向采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)運(yùn)移，因此，在I位置處瓦斯?jié)舛炔桓摺?/p>

4.2 中部

在回采面中部位置，即在V、Ⅵ測(cè)站位置，從煤壁向采空區(qū)方向(1號(hào)～5號(hào)測(cè)點(diǎn))，瓦斯?jié)舛日w上具有增加的趨勢(shì)，在該位置處測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛纫^I測(cè)站(端頭位置)處的瓦斯?jié)舛雀摺Ｔ诨夭擅嬷胁縑、Ⅵ測(cè)站，在1-5號(hào)測(cè)點(diǎn)處側(cè)定的瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.12%，煤壁處的瓦斯?jié)舛茸罡撸骄?.21%，在立柱位置處瓦斯?jié)舛仍?.06%，在靠近采空區(qū)側(cè)瓦斯?jié)舛仍?.16%。出現(xiàn)上述情況的主要原因是由于在靠近回采面煤壁位置風(fēng)流速度較小，在靠近回風(fēng)面采空區(qū)側(cè)由于通風(fēng)漏風(fēng)造成風(fēng)流將采空區(qū)內(nèi)的高濃度瓦斯帶出，因而在采空區(qū)側(cè)瓦斯?jié)舛戎递^高。

4.3 端尾

在回采工作面的端尾(回風(fēng)側(cè))，也就是在Ⅸ測(cè)站位置，在從回采面煤壁向采空區(qū)方向(1號(hào)～5號(hào)測(cè)點(diǎn))，瓦斯?jié)舛确植记闆r呈現(xiàn)出拋物線狀，在回采面煤壁處的瓦斯?jié)舛戎底罡?，最大?.22%，其次為回采面靠近采空區(qū)側(cè)最大為0.19%，在回采面的立柱位置瓦斯?jié)舛茸畲笾翟?.11%。

4.4 浩傾向瓦斯分布規(guī)律

在回采工作面傾斜方向上從I號(hào)測(cè)站向X測(cè)站，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，在回采面的端部位置(進(jìn)風(fēng)巷)瓦斯?jié)舛戎底畹?，在II及III測(cè)站位置，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出顯著增加，從Ⅳ到Ⅸ測(cè)站位置，瓦斯?jié)舛入m有變化，但是瓦斯?jié)舛茸兓炔幻黠@。根總體來說，瓦斯?jié)舛确植佳刂M(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷側(cè)整體呈現(xiàn)出增高的趨勢(shì)，在綜采面的下部位置，瓦斯?jié)舛茸兓^小，在綜采工作面中部位置及中下部位置瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)較大的增加，說明綜采面中下部的瓦斯涌出主要來源于回采面的煤壁及開采的落煤，在綜采工作面的中上部及尾部位置瓦斯涌出不僅僅回采面煤壁及落煤，而且采空區(qū)瓦斯也占據(jù)到一定的份額。

5 煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

5.1 鉆孔周圍塑性區(qū)、滲透率變化規(guī)律

煤礦的采掘工作會(huì)打破原有的煤體平衡性，促進(jìn)煤層滲透性的進(jìn)一步改變，并導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。分析計(jì)算可知，鉆孔塑性區(qū)、應(yīng)力分布情況等均與煤層滲透率保持一定關(guān)系。由此看出，在瓦斯開采期間，裂隙與基質(zhì)內(nèi)的瓦斯運(yùn)移存在壓差，在瓦斯抽采后期，瓦斯壓差逐漸減小，直至為零。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與對(duì)比

在煤礦開采現(xiàn)場(chǎng)收集1號(hào)與3號(hào)煤層的瓦斯壓力數(shù)據(jù)，分析可知，瓦斯壓力保持下降的趨勢(shì)，并受到鉆孔負(fù)壓以及地質(zhì)條件等因素的影響，之間的壓力處于一直的變動(dòng)過程中。技術(shù)人員分析發(fā)現(xiàn)，此模型可以用于研究瓦斯長期的抽采效果，并預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)瓦斯的抽采效率。

6 強(qiáng)化抽采瓦斯的預(yù)測(cè)

6.1 強(qiáng)化瓦斯抽采措施

為了進(jìn)一步降低瓦斯的抽采壓力，減少瓦斯突出的危險(xiǎn)性，技術(shù)人員應(yīng)將空氣注入煤礦開采工作面中，以加快煤層中瓦斯的運(yùn)移效率，提高煤層瓦斯的抽采效率。

6.2 工作面煤層瓦斯壓力分布

分析實(shí)際數(shù)據(jù)可知，隨著注入空氣，瓦斯裂隙壓力逐漸出現(xiàn)變化，當(dāng)無空氣模式時(shí)，瓦斯在12天左右下降至安全壓力，當(dāng)空氣壓力為1MPa時(shí)，8天左右瓦斯便會(huì)下降至安全壓力。由此看出，通過為煤層瓦斯注入空氣，可以降低瓦斯壓力，加快其運(yùn)移。

6.3 煤層滲透率與濃度變化

瓦斯抽采過程中，瓦斯?jié)B透率會(huì)呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，且裂隙中的空氣的壓力也不斷增大，煤層應(yīng)力出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，隨著空氣的不斷注入，抽采初期與后期瓦斯的滲透率均得到了提高。同時(shí)，沒有注入空氣時(shí)，瓦斯?jié)舛认陆邓俣容^慢，而注入空氣后，濃度下降速度增加。

6.4 煤層裂隙瓦斯流量變化

在空氣壓力的影響下，瓦斯流量也發(fā)生了較大的變化。隨著空氣壓力的升高，煤層裂隙瓦斯運(yùn)移會(huì)存在額外的動(dòng)力源，且在煤層體積變形與基質(zhì)吸附的影響下，裂隙滲透率出現(xiàn)變化。解吸瓦斯會(huì)促使基質(zhì)收縮，提高其滲透率，加快了煤層裂隙中瓦斯的運(yùn)移速度。

7 結(jié)束語

為了更好的分析瓦斯抽采過程中，支撐壓力與空氣流動(dòng)的具體影響，本文利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型，分析了氣體運(yùn)移與鉆孔破壞的耦合現(xiàn)象。在支撐壓力的作用下，提高煤層的滲透率會(huì)促使瓦斯向抽采鉆孔內(nèi)快速流動(dòng)，在降低瓦斯壓力的基礎(chǔ)上，抑制了瓦斯的運(yùn)移。在順層瓦斯抽采期間，負(fù)壓區(qū)域瓦斯壓力不斷減小，注入空氣后，煤層混合氣體的壓力不斷升高，促進(jìn)了煤層中瓦斯的有效運(yùn)移。本次的模型更好的分析了采動(dòng)影響模式下，瓦斯的實(shí)際運(yùn)移規(guī)律，可以為此后的瓦斯治理工作提供更多依據(jù)。