卸壓瓦斯抽取及煤與瓦斯共采技術(shù)研究

李樹剛1，李生彩2，林海飛1，成連華1

(1.西安科技學(xué)院能源科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安　710054；2.窯街煤電公司天祝煤礦，甘肅窯街　730084)

　　摘要：強(qiáng)調(diào)指出瓦斯不只是煤礦的一大危害，而且它還是一種寶貴的清潔能源。提出了基于采動(dòng)影響下煤層瓦斯產(chǎn)生“卸壓增流效應(yīng)”的煤與瓦斯共采的理論認(rèn)識(shí)，并依此提出了幾種井下抽取卸壓瓦斯的方法，最后分析了煤與瓦斯共采產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

　　引言

　　我國(guó)高瓦斯礦井頻發(fā)的瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重地威脅著礦井工作人員的生命安全，制約著礦井生產(chǎn)的發(fā)展，給煤炭企業(yè)帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，迫使許多高瓦斯突出礦井長(zhǎng)期虧損經(jīng)營(yíng)，甚至瀕臨破產(chǎn)。我國(guó)煤礦防治瓦斯災(zāi)害的主要措施是強(qiáng)化礦井通風(fēng)、圍繞安全目的抽排瓦斯、加強(qiáng)火源控制、瓦斯監(jiān)測(cè)、建立防爆抑爆和個(gè)人防護(hù)體系。而國(guó)外先進(jìn)國(guó)家卻把瓦斯(煤層氣)作為一種優(yōu)質(zhì)能源進(jìn)行工業(yè)化開發(fā)利用，并使之達(dá)到規(guī)?；?、商業(yè)化。

　　煤層瓦斯，其主要成分為甲烷(沼氣)。煤層甲烷是賦存于煤層及其鄰近巖層之中的一種自生自儲(chǔ)式天然氣。瓦斯是威脅煤礦安全的一種有害氣體，煤炭開采時(shí)需要花費(fèi)大量人力和物力將其從井下排除，排至地表后又污染大氣環(huán)境。

　　但同時(shí)甲烷又是經(jīng)濟(jì)的可燃?xì)怏w，是一種清潔、方便、高效的能源，其發(fā)熱量為33.5～36.8MJ/m3，并且燒甲烷比燒煤的熱效率高。每1m3甲烷相當(dāng)于1kg多標(biāo)準(zhǔn)煤。瓦斯除做民用燃料外，還可作為化工原料生產(chǎn)氨氣、化肥和碳黑等。因此瓦斯集利與害于一身，是煤礦特有的寶貴資源，應(yīng)該作為煤礦的第二能源加以積極開發(fā)和利用，變廢為寶。

　　大力開發(fā)煤層氣，既可以充分利用地下資源，又可以改善礦井安全條件和提高經(jīng)濟(jì)效益，并有利于改善地方環(huán)境質(zhì)量和全球大氣環(huán)境。美國(guó)和澳大利亞的實(shí)踐表明，只要政府對(duì)這種產(chǎn)業(yè)給予政策扶持，煤層氣開發(fā)利用不僅能給社會(huì)提供一種優(yōu)質(zhì)能源和化工原料，而且能極大地降低煤礦開采的瓦斯排放量，減少大氣污染，降低礦井通風(fēng)中能量消耗，為煤層氣開發(fā)和煤炭開采帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為社會(huì)提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。因此，我國(guó)煤礦在防治瓦斯災(zāi)害方面應(yīng)徹底轉(zhuǎn)變觀念，從采掘部署上把瓦斯抽取納入正規(guī)生產(chǎn)的工藝流程，從時(shí)間和空間上給予充分保證，促進(jìn)煤層瓦斯開發(fā)和利用達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)。只有這樣，我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害才會(huì)得到有效控制，高瓦斯突出礦井才會(huì)隨著治理瓦斯災(zāi)害費(fèi)用的減低，生產(chǎn)效率的提高而獲得新生，寶貴、清潔的能源不會(huì)被白白地浪費(fèi)掉。

　　1煤與瓦斯共采技術(shù)的理論基礎(chǔ)

　　限制我國(guó)高瓦斯突出礦井井下瓦斯抽放的原因，主要是煤層的低滲透率和高可塑性，使得沿煤層打鉆孔困難，煤層采前預(yù)抽效果較差。由于我國(guó)含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤層內(nèi)生裂隙系統(tǒng)遭到破壞，塑變性大大增強(qiáng)，因而成為低透氣性的高延性結(jié)構(gòu)，其透氣性比美國(guó)和澳大利亞低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得地面鉆孔完井后采氣效果差，水力壓裂增產(chǎn)效果不明顯。按美國(guó)地面煤層氣開發(fā)選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為煤層滲透率在(3～4)×10-3μm2最佳，但不能低于1×10-3μm2且要求煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育良好。我國(guó)煤層滲透率一般在(0.1～0.001)×10-3μm2范圍內(nèi)，滲透率最大的撫順煤田也僅為(0.54～3.8)×10-3μm2，水城、豐城、霍崗、開灤、柳林等滲透率較好的礦區(qū)也僅為(0.1～1.8)×10-3μm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如美國(guó)圣胡安和勇士盆地。撫順井下水平鉆孔與美國(guó)同類條件比較，撫順鉆孔影響范圍僅50m，而美國(guó)達(dá)到100m。煤層的低滲透率特點(diǎn)，決定了我國(guó)地面開發(fā)煤層氣的難度很大[2]。

　　鑒于我國(guó)煤層的賦存特點(diǎn)，我國(guó)煤層氣開發(fā)生產(chǎn)的重點(diǎn)應(yīng)放在井下，利用煤礦井下的采掘巷道，并盡量利用煤層采動(dòng)影響，通過(guò)打鉆孔和其它各種有效技術(shù)強(qiáng)化煤層的瓦斯抽放，同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步研究和不斷完善提高煤層滲透率的技術(shù)和鉆孔技術(shù)，研究提高氣體質(zhì)量的技術(shù)，研究井下煤炭與瓦斯的協(xié)調(diào)開采配套技術(shù)以及煤礦瓦斯利用技術(shù)，使之與井下煤層氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)配套，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯的安全共采。

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)研究表明[3～4]，采動(dòng)后支承壓力對(duì)開采煤層的滲透系數(shù)變化起主要作用，采場(chǎng)前方應(yīng)力集中帶煤層的滲透系數(shù)極低而瓦斯壓力在增大，故其內(nèi)部瓦斯涌出量會(huì)下降；當(dāng)開采煤層卸壓、圍巖松動(dòng)后瓦斯涌出量會(huì)急劇增加，滲透系數(shù)值增大很多，可達(dá)數(shù)百倍，并使解析流量也增加很多，此即“卸壓增流效應(yīng)”。由此得出結(jié)論，不論原始滲透系數(shù)怎樣低的煤層，在采動(dòng)影響煤層卸壓后，其滲透系數(shù)會(huì)急劇增加，煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流速度大增，瓦斯涌出量也隨之劇增，漏風(fēng)影響會(huì)使涌出瓦斯升浮擴(kuò)散至覆巖的采動(dòng)裂隙帶。初次來(lái)壓前采動(dòng)導(dǎo)氣裂隙帶的空間分布如圖1所示，采動(dòng)裂隙帶內(nèi)外邊界為一橢圓拋物面形狀，故稱此裂隙帶為橢拋帶[5]。

　　在三維直角坐標(biāo)系下，橢拋帶幾何形狀可用數(shù)學(xué)方程表示為

　　在這里采動(dòng)裂隙帶不僅是瓦斯運(yùn)移完成時(shí)的聚集場(chǎng)所，而且還是瓦斯的運(yùn)移通道。搞清采動(dòng)裂隙帶的分布規(guī)律則可進(jìn)一步研究瓦斯的運(yùn)移通道，進(jìn)而研究瓦斯在覆巖采動(dòng)裂隙帶內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律。在確定瓦斯運(yùn)移聚集區(qū)的基礎(chǔ)上，合理地布置鉆孔位置和其它有關(guān)參數(shù)，完全能夠高效地抽取高濃度卸壓瓦斯。

　　2卸壓瓦斯鉆孔抽取方法

　　因我國(guó)含瓦斯煤層普遍存在著“兩高三低”的特征，即煤層滲透系數(shù)低、煤層瓦斯壓力較低、煤層在水力壓裂等強(qiáng)化措施下形成常規(guī)破裂裂隙所占比例低、煤層吸附瓦斯能力高、煤層瓦斯貯存量高。直接從地表鉆井抽取瓦斯，雖成本低廉，但效果不佳。煤層開采及瓦斯抽放實(shí)踐及理論研究表明[5]，在含瓦斯礦井，因采動(dòng)引起煤系地層礦山壓力發(fā)生變化，其中孔隙裂隙也有相應(yīng)變化，結(jié)果瓦斯解析運(yùn)移過(guò)程加速，同時(shí)，裂隙為瓦斯提供了運(yùn)移后的聚集場(chǎng)所。合理地利用采動(dòng)礦山壓力引起的圍巖活動(dòng)規(guī)律，有效地抽取瓦斯，實(shí)在是實(shí)現(xiàn)既開采煤炭資源又開采瓦斯資源(即煤與瓦斯共采)，還能保證礦井安全生產(chǎn)，減少環(huán)境污染的理想途徑。

　　2.1采動(dòng)區(qū)井抽取

　　采動(dòng)區(qū)井是從地表向工作面上方覆巖施工的地面鉛直鉆孔(井)，以抽取工作面開采上覆巖層中因受采動(dòng)影響而解析、游離出來(lái)的瓦斯。由于開采影響下覆巖產(chǎn)生變形和移動(dòng)而形成垮落帶、規(guī)則移動(dòng)帶和彎曲下沉帶，在垮落帶和規(guī)則移動(dòng)帶內(nèi)，受卸壓松動(dòng)影響會(huì)產(chǎn)生許多破斷裂隙和離層裂隙并相互貫通。而巖層在采空區(qū)中部的離層裂隙趨于壓實(shí)，從而在采空區(qū)上部形成層面展布為橢圓形圈的導(dǎo)氣裂隙帶。裂隙帶內(nèi)煤巖層垮落移動(dòng)，支承壓力減弱，瓦斯儲(chǔ)層壓力降低，煤體膨脹表面積增大，滲透性增加，本煤層和鄰近層(含圍巖)瓦斯得以解析運(yùn)移。據(jù)升浮和擴(kuò)散理論，在裂隙帶上部離層裂隙發(fā)育區(qū)漂浮、聚集著大量卸壓瓦斯，在其周邊(即層面上呈現(xiàn)的橢圓形圈)破斷裂隙發(fā)育區(qū)則有大量游離瓦斯運(yùn)移。因此，采動(dòng)區(qū)井(孔)在施工時(shí)應(yīng)根據(jù)裂隙帶形成的特點(diǎn)，將井(孔)的終孔位置確定在導(dǎo)氣裂隙帶內(nèi)，則易于抽取瓦斯[5]。

　　2.2頂板水平鉆孔抽取

　　雖然頂板高位抽放巷對(duì)放頂煤開采工作面瓦斯防治具有良好的作用，尤其賦有上鄰近層的放頂煤工作面，其效果更為明顯。但因其獨(dú)頭巷的距離長(zhǎng)、工程量大、造價(jià)高等制約了它的推廣使用。因此，基于研究結(jié)果，可用頂板大直徑水平鉆孔代替高抽巷，提高泵站抽放能力，即可達(dá)到抽出率高、抽取量大的目的。

　　2.3鉆孔抽取本煤層瓦斯

　　煤層瓦斯抽取難易程度取決于兩方面因素，一是煤層瓦斯壓力，它是煤層中瓦斯運(yùn)移的動(dòng)力或勢(shì)能，瓦斯壓力越小，則煤層瓦斯所具有的勢(shì)能越小；二是煤層本身的滲透性，它反映瓦斯在煤層運(yùn)移的難易程度，滲透性越差，瓦斯在煤層中運(yùn)移需要克服的阻力越大，抽取就越困難。但煤體卸壓后，其透氣性系數(shù)會(huì)大大增加。放頂煤開采時(shí)，采場(chǎng)前方支承壓力峰值降低且向深部移動(dòng)，煤壁前方卸壓瓦斯涌出活躍區(qū)范圍亦擴(kuò)大[5]，這給有效抽取瓦斯提供了新的途徑。將鉆孔位置布置在卸壓瓦斯活躍區(qū)內(nèi)，可以高效地抽取瓦斯。

　　3煤與瓦斯共采的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

　　煤層中抽取出來(lái)主要成分為甲烷的瓦斯，具有其它能源無(wú)法比擬的無(wú)污染、無(wú)油污等多種優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯兩種資源有效、安全共采，已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)際中獲得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

　　以靖遠(yuǎn)魏家地煤礦為例，該礦屬煤與瓦斯突出礦井，煤層瓦斯含量8.1m3/t。自投產(chǎn)至1999年的礦井瓦斯涌出量在30.37～46.73m3/min之間。其西一采區(qū)一分層大部分已經(jīng)采完，形成一層煤全層采空區(qū)4個(gè)，采區(qū)煤層瓦斯已卸壓，采空區(qū)內(nèi)卸壓瓦斯?jié)舛雀?。該礦利用采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀叩奶攸c(diǎn)，同時(shí)在多個(gè)巷道布置穿層鉆孔，采用掘前預(yù)抽、邊掘邊抽和采后再抽的方法抽取聚集于采空區(qū)的卸壓瓦斯。目前抽取鉆孔291個(gè)，單孔流量0.012～0.030m3/min，礦井總抽放量6～8m3/min，年抽放瓦斯量3×106m3以上。用該瓦斯量折算的節(jié)煤量為482萬(wàn)t，利用抽取的瓦斯可節(jié)支724萬(wàn)元，并且解決了瓦斯排放對(duì)大氣環(huán)境的污染。

　　再以淮北蘆嶺礦為例，該高瓦斯礦煤層瓦斯含量為15m3/t，1200m以上水平可采儲(chǔ)量3.71億t，瓦斯儲(chǔ)量64億m3?，F(xiàn)年產(chǎn)煤達(dá)185萬(wàn)t，瓦斯涌出量3162萬(wàn)m3/a。該礦針對(duì)煤層厚、煤質(zhì)酥松及透氣性低(0.067md)等特點(diǎn)，充分利用煤層開采后形成的采動(dòng)裂隙橢圓形發(fā)育區(qū)特征，采取地面垂直采動(dòng)區(qū)孔、頂板長(zhǎng)距離水平鉆孔和頂板穿層鉆孔相匹配的措施抽取瓦斯，供4000戶居民燃用[6]。每年減少燃煤節(jié)支180萬(wàn)元，燃用瓦斯增收146萬(wàn)元，兩項(xiàng)合計(jì)為326萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀；以等效發(fā)熱量計(jì)，1000m3瓦斯相當(dāng)于4t原煤，若年平均瓦斯涌出量之80%能充分利用，可節(jié)約原煤10.12萬(wàn)t/a，并且解決了瓦斯排放對(duì)環(huán)境的污染，以蘆嶺礦每年節(jié)燃煤1.2萬(wàn)t計(jì)，則全年減少排放SO2約96t，煙塵768t，從而提高了大氣環(huán)境質(zhì)量。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]胡千挺，蔣時(shí)才，蘇文叔.我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害防治對(duì)策[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2000，27(1)：1-4.

　　[3]李樹剛，劉士琦，梁俊芳.含瓦斯特厚軟煤層頂煤運(yùn)移特征觀測(cè)[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，18(2)：103-106.

　　[4]李樹剛.關(guān)鍵層破斷前后覆巖離層裂隙當(dāng)量面積計(jì)算[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，19(4)：289-292.

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