淺析提高瓦斯抽采效果的技術(shù)途徑及影響因素

【摘要】瓦斯抽采是防范瓦斯事故的治本之策，必須加大瓦斯抽采力度，提高抽采率和利用率，努力實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)。通過抽采抽放，降低煤層中的瓦斯含量，從根本上綜合治理瓦斯災(zāi)害。根據(jù)礦山企業(yè)瓦斯抽采的實(shí)際情況，這篇文章淺析了提高礦山企業(yè)瓦斯抽采效果的技術(shù)途徑及影響因素。對(duì)礦山企業(yè)的瓦斯綜合治理工作有著一定的指導(dǎo)和教育意義。

【關(guān)鍵詞】瓦斯抽采，抽采達(dá)標(biāo)，抽釆率，抽放鉆孔。

一、引言

瓦斯抽采方法多種多樣，適用條件也各不相同，但瓦斯從煤巖體流入鉆孔的過程卻遵循相同的原理，因此可從以下幾個(gè)方面分析提高瓦斯抽放量的技術(shù)途徑：①增加鉆孔暴露面;②人為改變瓦斯流動(dòng)場的邊界條件;③延長鉆孔抽放時(shí)間;④改變煤層透氣性系數(shù)。

二、增加鉆孔暴露面

(一)增加鉆孔暴露面

1.加大鉆孔半徑r0

鉆孔半徑越大，其暴露的自由面也越大，越有利于瓦斯涌出。按照瓦斯流動(dòng)理論，在瓦斯抽放期內(nèi)，鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)基本符合徑向穩(wěn)定流動(dòng)場規(guī)律，則鉆孔瓦斯涌出量為：

q—鉆孔瓦斯涌出量，m3/min;

m—煤層厚度或鉆孔穿煤厚度，m;

l—煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa.d);

P0—煤層原始瓦斯壓力，MPa;

Pr0—鉆孔內(nèi)瓦斯壓力，MPa;

Pstd—標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓，取0.1Mpa;

R—鉆孔瓦斯流動(dòng)場的影響半徑，m;

r0—鉆孔半徑，m

假設(shè)鉆孔瓦斯流動(dòng)半徑R=10m

在其他參數(shù)不變的情況下，孔徑由r=0.1m增加到r=1m，則鉆孔瓦斯流量的變化率為：

右式說明在鉆孔直徑增大10倍的情況下，鉆孔瓦斯流量僅僅增大2倍。因此單純采用增大鉆孔直徑的方法并不能取得滿意的抽放效果。同時(shí)從現(xiàn)場打鉆工藝技術(shù)來說，孔徑太大常常會(huì)出現(xiàn)塌孔而阻塞鉆孔通道的現(xiàn)象。

(二)增加鉆孔穿煤長度

在鉆孔的設(shè)計(jì)中，穿煤鉆孔應(yīng)穿透煤層整個(gè)厚度，順層鉆孔應(yīng)盡可能增加鉆孔長度。但煤層厚度是一個(gè)定值，順層鉆孔長度的增加也是有限的，鉆孔愈長打鉆技術(shù)難度也愈大，因此通過增加鉆孔穿煤長度來提高瓦斯抽放量的效果也是有限的。當(dāng)然，實(shí)際現(xiàn)場還是盡量使鉆孔盡可能地覆蓋整個(gè)煤層區(qū)域，才能夠最大限度地發(fā)揮抽放的作用。

(三)增加鉆孔密度

增加鉆孔密度是指在一定的鉆場范圍內(nèi)增加鉆孔數(shù)量，即縮短鉆孔間距，從而提高對(duì)整個(gè)煤層的瓦斯抽放率。

鉆孔密度應(yīng)依據(jù)煤層透氣性系數(shù)、鉆孔長度、鉆孔直徑、抽放時(shí)間、瓦斯抽放率等各種參數(shù)綜合分析，以確定最佳抽放鉆孔密度。

實(shí)踐表明，合理提高鉆孔密度對(duì)提高瓦斯抽放率效果顯著，同時(shí)由于增加鉆孔密度是一種簡單易行的措施，因此該方法是目前提高開采層瓦斯抽放率的一項(xiàng)主要途徑。但提高鉆孔密度會(huì)大大增加抽放工程量，大幅度提高抽放成本。

上圖所示為某礦井一個(gè)鉆場內(nèi)鉆孔數(shù)量與抽放量的關(guān)系曲線。從圖中可知，當(dāng)一個(gè)鉆場內(nèi)的鉆孔數(shù)達(dá)到4個(gè)時(shí)，瓦斯抽放量已趨于最大，再增加孔數(shù)，增加抽放量的作用就不大了。

現(xiàn)場應(yīng)用中必須考慮的注意事項(xiàng)：

1.對(duì)于低透氣性煤層，每個(gè)鉆孔所控制的瓦斯流動(dòng)場的范圍是很小的，隨著時(shí)間的增長，流動(dòng)場的擴(kuò)展范圍也很小，在這種情況下，增加鉆孔密度對(duì)提高瓦斯抽放率效果較顯著;

2.當(dāng)鉆孔密度達(dá)到一定程度時(shí)，對(duì)煤層還能起到增加卸壓作用，這在網(wǎng)格式預(yù)抽瓦斯作為防突的區(qū)域性措施試驗(yàn)中已得到驗(yàn)證。

3.鉆孔密度應(yīng)該根據(jù)開采煤層要求達(dá)到的瓦斯抽放率、采場接替能提供的允許瓦斯抽放時(shí)間，以及在該時(shí)間內(nèi)鉆孔能達(dá)到的瓦斯流場范圍等綜合因素來確定，以做到抽放效果最佳，經(jīng)濟(jì)上最合理。

三、人為改變瓦斯流動(dòng)場的邊界條件

(一)提高煤層瓦斯壓力

從鉆孔瓦斯流場右式中可知，在其他參數(shù)不變的情況下，鉆孔瓦斯涌出量與煤層原始瓦斯壓力P0正比關(guān)系。

如果采取人工方式增大煤層瓦斯壓力則會(huì)提高鉆孔的瓦斯涌出量。

目前在該方面的工作主要有煤層高壓注水和高壓注氣。試驗(yàn)表明高壓注水并沒有增加鉆孔瓦斯流量，主要原因?yàn)樽⑺笸咚古c水在煤體內(nèi)呈二相流動(dòng)，煤體內(nèi)的孔隙被水浸潤飽和后，氣相流動(dòng)的滲透系數(shù)反而變小，抑制了瓦斯的涌出。

高壓注氣目前還處于試驗(yàn)階段，在工藝技術(shù)和理論研究上還存在一系列問題，如煤對(duì)混合氣體的吸附、解吸能力問題，向煤層注氣的均勻性問題，注高壓氣體的安全性問題，混合氣體的爆炸危險(xiǎn)性問題等。

(二)提高鉆孔抽放負(fù)壓

從右式中可知，鉆孔瓦斯涌出量與鉆孔內(nèi)瓦斯壓力Pr0成反比，即抽放負(fù)壓越大鉆孔瓦斯涌出量越高。從理論上的變化范圍為0.1～0Mpa，其變化對(duì)的影響有限。但實(shí)際測試表明，煤體受負(fù)壓影響，當(dāng)其內(nèi)部的瓦斯被排出后會(huì)發(fā)生收縮變形，如果煤體的各向物理機(jī)械性質(zhì)不同，則在收縮過程中，會(huì)導(dǎo)致煤體裂隙分布的變化，因此使得煤層透氣性系數(shù)發(fā)生改變，從而增加鉆孔瓦斯涌出量。

對(duì)于不同的煤層，由于煤的變質(zhì)程度、煤體成分、原始瓦斯壓力、地應(yīng)力、堅(jiān)固性系數(shù)等各不相同，因此最佳抽放負(fù)壓也各不相同，通常根據(jù)實(shí)測鉆孔壓力數(shù)據(jù)而得。

鉆孔A的特性曲線表明，隨著負(fù)壓的增高，鉆孔瓦斯流量也增加，但負(fù)壓達(dá)到pA時(shí)，再增加負(fù)壓對(duì)鉆孔流量的增加作用就不大了;

鉆孔B在負(fù)壓增加到pB時(shí)，瓦斯流量反而下降，其原因可能是瓦斯供給源貧乏及鉆孔漏氣嚴(yán)重，這就需要調(diào)整抽放負(fù)壓;

鉆孔C當(dāng)抽放負(fù)壓稍有增加時(shí)，瓦斯流量即可大幅度增加并達(dá)到最大值;

鉆孔D則需要有較高的抽放負(fù)壓鉆孔瓦斯流量才能相應(yīng)增大，并達(dá)到最大值。

為了確定有效抽放負(fù)壓，應(yīng)對(duì)鉆孔的“負(fù)壓—流量”特性曲線進(jìn)行測定。瓦斯抽放的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，由于受管路及鉆孔密封性的影響，提高負(fù)壓會(huì)增加巷道空氣量的漏入;另外由于瓦斯抽放泵所能達(dá)到的負(fù)壓值也有一定限度，因此要想把抽放負(fù)壓提得很高是有困難的。

四、延長鉆孔抽放時(shí)間

由于實(shí)際鉆孔內(nèi)的瓦斯流程為非穩(wěn)定流動(dòng)，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，鉆孔內(nèi)的瓦斯涌出量隨時(shí)間變化的關(guān)系為：

q0-鉆孔瓦斯涌出初始強(qiáng)度m3/min.m2;

t-鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)時(shí)間，min

α-鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1.

當(dāng)鉆孔抽放時(shí)間趨于無窮大時(shí)，鉆孔瓦斯抽放總量的理論極限值：

因此鉆孔瓦斯抽放瓦斯總量不是無限增加的，據(jù)實(shí)際現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)透氣性較低的煤層，由于衰減系數(shù)較大，一般抽放半年至一年，鉆孔瓦斯抽放總量就已經(jīng)達(dá)到極限抽放量的80%～90%，在此情況下即使再增加抽放時(shí)間，已沒有實(shí)際意義,況且現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，常常沒有太長的瓦斯預(yù)抽時(shí)間。因此當(dāng)鉆孔抽放時(shí)間達(dá)到一定階段時(shí)，延長抽放時(shí)間對(duì)提高瓦斯抽放量的作用已不明顯。

五、改變煤層透氣性系數(shù)

(一)地壓

經(jīng)試驗(yàn)研究表明，煤樣的透氣性系數(shù)與其負(fù)荷壓力的關(guān)系可用下式表達(dá)：

λ-煤樣承受壓力條件下的透氣性系數(shù);

λ-無負(fù)荷條件下煤樣的透氣性系數(shù);

-煤樣上的負(fù)荷壓力

b-與煤的性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)

煤層埋藏越深，地壓越大，其透氣性系數(shù)越小。因此對(duì)煤層卸壓，減小煤層的低層壓力可增加煤層透氣性系數(shù)，從而能增加瓦斯抽放量。

當(dāng)煤樣上負(fù)荷為1及10MPa時(shí)，代入前式得：λ1≈λ0、λ10=0.67λ0。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)煤樣上負(fù)荷增加到10MPa，即相當(dāng)于垂深400m的地層壓力時(shí)，煤的透氣性系數(shù)比無負(fù)荷時(shí)減少1/3，這說明煤層埋藏深度愈深、地壓愈大，其透氣性系數(shù)愈小，因此減小煤層上面的地層壓力，即卸壓，能增加煤層透氣性系數(shù)，也能很好地增加瓦斯抽放量。所以現(xiàn)場經(jīng)常采取向煤層卸壓區(qū)打鉆、高位巷道、高位鉆場等方法，使鉆孔位置處于卸壓區(qū)和裂隙帶范圍進(jìn)行抽放來增加抽放量。

(二)煤層內(nèi)的裂隙

煤層內(nèi)裂隙大小和透氣性系數(shù)之間的關(guān)系為：

式(4)表明煤層透氣性系數(shù)與煤層內(nèi)裂隙的三次方成正比，因此采用人工方式在煤層內(nèi)形成較多的裂隙網(wǎng)絡(luò)會(huì)大大增加煤層透氣性系數(shù)，從而改變整個(gè)煤層內(nèi)瓦斯的流動(dòng)性質(zhì)，極大地提高鉆孔瓦斯涌出量。

綜合上述分析，為提高開采層的瓦斯抽放量，可采取增加鉆孔密度、保證鉆孔有效長度、適當(dāng)增加鉆孔直徑和提高抽放負(fù)壓等措施，但由于采取這些措施仍是在煤層原始透氣性不變的情況下進(jìn)行瓦斯抽放，因此提高瓦斯抽放量的效果是有限的。提高煤層瓦斯抽放量的根本途徑在于增加煤層透氣性，即采用人為的方法擴(kuò)大、溝通煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)，這樣才能較好提高的抽放效果。