中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望(3)

图7 5~10mm粒径砂岩渗透系数随时间变化

Fig.7 Curvesofpermeabilitycoefficient

vs.timefor5~10mmsandr

ock

图8 破碎砂岩渗透压差随轴压的变化

Fig.8 Curvesofpermeabilitypressuredifference

vs.axialstressforbrokensandr

ock

图9 破碎砂岩渗透系数随轴压的变化Fig.9 Curvesofpermeabilitycoefficientvs.axialstressforbrokensandrock

体会发生渗流突变的特性.因此,可以根据采动破碎岩体发生渗流突变的条件和参数,判别煤矿突水和煤与瓦斯突出发生的危险性.

3)采动岩体渗流突变判据

从煤矿采动破碎岩体渗流特性参数测定入手,建立了采动岩体的非Darcy渗流运动控制方程,再通过非线性动力学分析,揭示了该系统会发生渗流突变的动力学现象,因而给出了判断系统稳定性的条件.

不同的围岩条件,将会形成不同的突水或瓦斯突出判据,这里以采场顶底板突水判据k为例,如 大量测试结果表明:较高压力作用下,破碎岩体的渗透系数比完整岩体有量级增加.随着压力增加,不同粒径破碎岩体的渗透系数都将下降,渗透系数随轴压呈负指数规律变化.相同压力作用下,破碎岩体粒径越小渗透越困难,对砂岩而言混合粒径时渗透系数最小.压力不变时,渗透系数随粒径呈幂次规律变化.水流速度对孔隙压有影响,对渗透系数的影响不大,随着流速的增加,渗透系数略

4Q0(p0-pn)k=

i=1

E

n

cia

2

j=1

E

n

jjcja

i=1

i

E

LhiAi

ia

<1,(1)

面积抽放出来.

国内外卸压瓦斯抽放研究存在2个方面不足:1)对覆岩采动裂隙场分布特征缺乏整体把握与理性认识,影响到抽放钻孔布置的优化;2)国内外卸压瓦斯抽放是从开采层工作面安全生产出发,主要研究本煤层与邻近层卸压瓦斯抽放,而对上覆远距离煤层卸压程度及卸压瓦斯抽放效果缺乏研究.针对上述不足,基于岩层移动关键层理论,将覆岩移动及其裂隙场分布规律应用于卸压瓦斯抽放研究之中,建立了卸压瓦斯抽放钻孔布置的基本原则,即卸压瓦斯抽放/O0形圈原理.

通过相似模型实验、计算机图像分析、离散元数值模拟、实测等方法,揭示了长壁开采覆岩采动裂隙场两阶段发展与/O0形圈分布规律.即从开切眼开始,随着工作面推进,采动裂隙不断发展,采空区中部采动裂隙最发育,此为采动裂隙发展的第1阶段.当采出面积达一定值后,进入采动裂隙发展的第2阶段,此时,位于采空区中部的采动裂隙趋于压实,而在采空区四周存在一连通的采动裂隙发育区,称其为采动裂隙/O0形圈.采动裂隙/O0形圈能长期保持,是卸压瓦斯的储存空间与流动通道.煤层卸压瓦斯的流动是一个连续的2步过程:第1步,以扩散的形式,瓦斯从没有裂隙的煤体中流到周围的裂隙中去;第2步,以渗流的形式,瓦斯沿裂隙流到抽放钻孔处,采动裂隙成为瓦斯流动的通道.显然,将抽放钻孔布置在裂隙发育且能长时间保持的区域,有利于卸压瓦斯流动到抽放钻井中.根据覆岩采动裂隙分布特征建立卸压瓦斯抽放/O0形圈原理为:/O0形圈相当于一条/瓦斯河0,周围煤岩体中的瓦斯解析后通过渗流不断地汇集到这条/瓦斯河0中.因此,卸压瓦斯抽放钻孔应打到采动裂隙/O0形圈内,以保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围、较高的瓦斯抽放率.为了将抽放钻孔打到/O0形圈内,抽放孔的终孔点或抽放巷位置距回风巷水平距离s应按下式确定

s=H-(B+HcotH)tanA]sinA+

(B+HcotH)/cosA,(2)

式中:s为抽放孔的终孔点或抽放巷位置距回风巷水平距离;H为抽放孔的终孔点或抽放巷与煤层的垂直距离,不同类型的抽放孔(巷)取值不同;B为钻孔(巷)距/O0形圈外边界的距离;A为煤层倾角;H为裂隙边界(即/O0形圈外边界)与开采边界的连线与煤层的夹角.

卸压瓦斯抽放/O0形圈原理是指导卸压瓦斯(式中:h为n层岩层中各层的厚度;A为渗透率;B

i

i

为非Darcy流B因子;c为加速度系数;pi-1和pi(i=1,2,,,n)为两端的压力;Q为水的质量密度;L为水的动力黏度;Q0为参考压力p0下对应的流体质量密度.

当k<1时,关键层与其上的岩层复合仍具有隔水作用,不会出现渗流突变;当k\1时,关键层与其上的岩层复合已经不具备隔水作用,会出现渗流突变,即突水灾害.

2 煤与瓦斯共采

2.1 煤与瓦斯共采的/O0形圈原理

煤层瓦斯抽放方法可分为2类:1)煤层采前抽放;2)煤层开采过程中及采后的卸压抽放.研究表明,我国煤储层普遍具有变质程度高、渗透率低、压力小和含气饱和度低的特点,70%以上煤层的渗透率小于1@10Lm,这对我国开展煤层瓦斯采前预抽是极为不利的.而如何提高煤层采前渗透率是目前尚未解决的难题.实践表明,一旦煤层开采引起岩层移动,即使是渗透率很低的煤层,其渗透率也将增大数十倍到数百倍,甚至更多,为瓦斯运移和抽放创造了条件.因此,应充分利用采动过程中岩层移动对煤层渗透率的增大作用,重视对采动卸压瓦斯抽放的研究,走/煤与瓦斯共采0之路.覆岩采动裂隙分为2类:1)沿层离层裂隙,它将在整个上覆岩层范围内发展,导致煤层膨胀卸压;2)穿层竖向破断裂隙,它是上覆邻近层卸压瓦斯流向开采工作面及其采空区的通道,仅在覆岩一定高度范围内发育,其高度(称之为/导气裂隙带0高度)与煤层采高及覆岩岩性有关,一般工作面(非综放面)不超过70~100m.而处于/导气裂隙带0高度以上覆岩区(称之为/上覆远距离采动区0),煤层卸压瓦斯不能流动到下部工作面及其采空区.相对开采煤层而言,可将卸压瓦斯分为3类:本煤层卸压瓦斯;邻近层卸压瓦斯,包括上邻近层与下邻近层;上覆远距离煤层卸压瓦斯.其中本煤层与邻近层卸压瓦斯会涌入回采工作面及其采空区,引起回采空间尤其是工作面上隅角瓦斯积聚与超限,造成安全隐患.上覆远距离煤层卸压瓦斯不能流入开采工作面,因而不会对回采安全造成危害,且就煤-3

2

阳泉等矿区的上覆远距离煤层卸压煤层气抽放、邻近层卸压瓦斯抽放、本煤层采空区卸压瓦斯抽放中进行了试验与应用.

2.2 采动卸压瓦斯抽采技术

这里,以近距离4层煤层群为例,说明已经实

施的一些被保护层采动卸压瓦斯抽采方法.被保护

煤层卸压瓦斯抽采如图10所示,图10a~f分别展示了走向高抽巷、倾向高抽巷、顶板走向孔、地面钻孔和上、下煤层底板穿层孔布置方式的煤与瓦斯共采方法

.

图10 被保护煤层卸压瓦斯抽采图例

Fig.10 Pressure-reliefgasdrainageinprotectedcoalseams

中国煤矿保护层开采实践证明,保护层开采之

后,上被保护层膨胀变形可达0.784%~2.64%,煤层透气性增加1000~3000倍,卸压瓦斯抽采率达60%以上,有效层间距达到150m;下被保护层膨胀变形可达0.2%~0.72%,煤层透气性最大可增加1000多倍,卸压瓦斯抽采率达50%以上,有效层间距达到50m.通过卸压瓦斯的抽采,不仅可以区域性消除煤层的突出危险性,而且可以实现变高瓦斯煤层为低瓦斯煤层的目的,大幅度提高了突出煤层安全开采效率.淮南矿业集团通过保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采,突出煤层工作面单产由平均1800t/d提高到10000t/d.2.3 煤与瓦斯共采的效果

经过近年来的科技攻关、安全技术改造和加大监管及监察力度,中国煤矿瓦斯治理科技水平、装备水平和管理水平取得了长足进步,煤与瓦斯共采取得了显著成效.图11给出了中国煤矿瓦斯抽采量的增长情况,中国煤矿瓦斯抽采技术的进步,有利地促进了煤矿安全生产,在煤炭产量快速增长的条件下,煤矿死亡人数和百万吨死亡率逐年下降,2007年国有重点煤矿百万吨死亡率降低到0.38,

图11 中国煤矿瓦斯抽采量增长情 …… 此处隐藏：3214字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……