预抽瓦斯技术在苏海图煤矿的实践与应用

王雪芹

(乌海职业技术学院，内蒙古 016000)

预抽瓦斯技术在苏海图煤矿的实践与应用

王雪芹

(乌海职业技术学院，内蒙古 016000)

本文分析了苏海图煤矿1250采煤工作面在采煤过程中瓦斯产生的原因，阐述了本煤层羽状预抽瓦斯技术的工作原理。该技术成功的对采煤过程中产生的瓦斯进行了有效地治理，在技术层面上保证了采煤工作面的安全生产。

瓦斯治理 瓦斯抽放 羽状预抽

苏海图煤矿位于内蒙古乌海市乌达区北部，属神华乌海能源公司。2009年矿井瓦斯绝对涌出量为6.48m3/min。1250工作面位于125盘区下山下部的南翼，属1150水平，地面标高为+1205～+1240m，工作面标高为+1030～+1060m，开采12煤层，平均厚度 8.0m，工作面走向长度为840m，倾斜长度190m，煤层倾角平均7°，可采储量902538t。采高控制在3.8～4.0m。采用走向长壁后退式综合机械化采煤法，全部跨落法来管理顶板。

开采初期，1250工作面瓦斯在0.9%左右徘徊，瓦斯超限情况时有发生，给矿井安全生产带来较大隐患。因此，要顺利回采1250综采工作面，必须对瓦斯进行有效治理，在对1250工作面瓦斯超限原因进行针对性分析后，经过现场试验和摸索，最终确定采用本煤层羽状预抽瓦斯技术，对工作面的瓦斯进行了有效地治理，取得了较好现场效果，保证了采煤工作面安全、高效、稳定地生产。

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层瓦斯涌出造成的。采煤机在破煤过程中，煤层的原有应力平衡被破坏，在煤壁前方的煤体内，产生3个应力带 (见图1)，即卸压带、集中应力带和原始应力带。在卸压带 (长度一般为3～5m)中，煤层的透气性增大，地应力与瓦斯压力都大大降低，大量吸附在煤层中的瓦斯都沿着煤层的裂隙释放到工作面，从而导致工作面瓦斯涌出量增加。

图1 应力集中带和卸压带的分布

2 本煤层羽状预抽瓦斯技术

2.1 煤层瓦斯的解吸扩散特征

煤层中瓦斯从基质中解吸并流向割理系统的过程是扩散过程，这种扩散可分为非稳态和拟稳态两种模式。

(1)非稳态扩散

非稳态扩散基于Fick第二扩散定律，用偏微分方程描述基质几何块体的扩散过程，几何块体的浓度从中心到边缘是变化的，一般假定几何块体中心的浓度变化率为零，边缘浓度是受地层裂缝压力控制的吸附气浓度。煤基质块中总的气体浓度由微孔中所含的游离气和表面的吸附气体两部分组成，其中游离气的浓度为:

吸附气的浓度为:

基质块中总气体浓度为:

则由Fick第二扩散定律得孔隙中压力pm的方程为:

由上两式解得基质块中气体浓度后，基质块流出的流量可由下式得:

其中，A1，V1分别为基质块单元的表面积和体积，Dm为多孔介质中质量扩散系数，单位为m2/s，J表示扩散通量，单位为g/m2s。

(2)拟稳态扩散

拟稳态扩散基于Fick第一定律。认为煤层气在扩散过程中的每一个时间段都有一个平均浓度，此浓度对时间的变化与差值成正比，

其中C2为基质块边缘的浓度，应等于裂缝中的压力所决定的吸附气的浓度。基质块流出的流量等于浓度的变化率乘以几何因子，即:

式中，S为割理间距，单位为m。

由上式可知，吸附时间与扩散距离相关，即与裂缝间距的平方成正比。所以裂缝密度越大，煤层气扩散距离越短，吸附时间越短，扩散速率就越高。

2.2 煤层瓦斯的输运特征

对于裂缝中气体的输运，由于基质块中不断有气体扩散进入裂缝，在连续性方程中应看作一个连续源分布。则裂缝中气相质量守恒方程为:

令τ=1/DmFs，为拟稳态吸附时间常数，单位为s。Fs是基质块形状因子，单位为l/m2，由于煤中的割理系由两组近于直交并与层面大致垂直的面割理和端割理组成，因此，可用圆柱体近似描述煤基质形状，形状因子即为8π/S2。则

其中qm是质量源。速度Vfg由两部分组成:一是宏观渗流速度，遵从达西定律，另一是裂缝中气体扩散速度，遵从Fick定律，即:

将式 (9)、式 (10)中的密度和浓度分别用压力表示:

从上面分析可知，煤层气体产出之前经历了基质解吸、扩散到裂缝中和在裂缝中渗流等过程，流体在整个煤层中大致呈三种状态，按产出时间，大体可分为以下三个阶段:

第一阶段:产出单相水，随着水的产出，煤层中压力下降，降至临界解吸压力之后，瓦斯开始从煤表面解吸出来。

第二阶段:解吸出来的气体通过扩散进入割理裂缝形成气泡，使水的相对渗透率下降。但气相饱和度过小，使气相渗透率还没有达到可流动的渗透率值，即气泡是孤立的，没有形成气流通道。

第三阶段:气相的相对渗透率从零逐渐增大，直到作为单独的一相存在并且流动，则地层裂缝中开始出现气、水两相渗流。

通过分析煤层的结构特性和含气特性，我们可以知道气、水两相在煤层中的输运特点与普通双重介质是不同的，气体从基质中解吸，扩散到裂缝中，再与水混合作两相渗流，构成了煤层瓦斯地下运移的一般规律。

2.3 煤层气、水两相流动方程的差分离散

以内边界为定井底压力条件，外边界为封闭地层边界条件为例，采用有限差分方法，利用三维直角坐标块网格内的物质守恒对所建立的数学模型进行离散。顺层羽状长钻孔预抽瓦斯的几何模型即布孔方式如图2所示，三维直角坐标块中心网格(图3)。煤层厚度方向为Z方向，并取向下为正，羽状钻孔位于XY平面上，垂向坐标为Z=0。编号的顺序X是由左到右，Y是由里到外，Z是由上到下，并规定重力方向向下。

XY平面上的网格将羽状水平井分为若干微段，由于每段长度较短，可认为流体流入该段内的流量均匀分布，由于方程本质上表达的是一个质量守恒关系，因此直接在离散后的网格上也利用质量守恒，对任意网格，都应遵循。

2.4 抽放钻孔围岩应力分布

当向煤层打钻后，其围岩应力也将发生变化，重新分布。在瓦斯抽放钻孔周围，围岩应力表现为先增加，然后减小，直至原始应力状态后趋于稳定。瓦斯抽放钻孔周围煤体透气性系数的变化与围岩应力的变化相反，它是先减小，然后略有增加。

图2 顺层羽状长钻孔预抽瓦斯布孔图

图3 顺层羽状长钻孔网格剖面示意图

根据瓦斯抽放钻孔的围岩应力变化规律，在布置钻孔时，下一个钻孔不能布置在上一钻孔周围的应力集中区内，因为，这样做很容易造成塌孔。当煤层透气性比较小时，其钻孔间距必然不能过大，下一个钻孔可布置在上一钻孔围岩的应力集中区的边缘，再在两个钻孔之间打卸压钻孔，此卸压孔不可作为抽放孔。当煤层透气性系数比较大时，则可根据透气性的实际大小，确定瓦斯抽放孔的间距。

2.5 抽放钻孔瓦斯流动模型

在抽放钻孔内，瓦斯从四周的煤体内向钻孔方向流动，其流场的流动方向为径向流动。具体如图4所示。

图4 抽放钻孔瓦斯流动示意图

抽放孔周围的瓦斯流动属于径向流动，钻孔周围瓦斯压力呈指数规律增加，随时间的推移，瓦斯压力梯度逐渐降低。而瓦斯压力梯度是瓦斯流动的动力来源，因此，瓦斯抽放量也应随抽放时间增加而降低。随着瓦斯抽放钻孔直径增加，钻孔围岩压力峰值距孔壁越远，周围的卸压范围也相应增大，钻孔暴露面积也相应增大，因此，钻孔瓦斯涌出量也增大。由此可见，增大瓦斯钻孔直径，有利于瓦斯抽放，但钻孔直径通常受到钻机性能，施工速度与技术水平等因素的限制，施工困难，容易塌孔。

在进行本煤层瓦斯抽放时，通常要沿着煤层走向布置多个钻孔，相邻两个钻孔之间的距离即为钻孔间距。钻孔间距应略小于或等于钻孔有效排放半径的2倍。

3 抽放效果分析

2011年8月中旬采一队初次进入1250工作面采煤时其瓦斯浓度经常保持在0.9%左右，并时有超限现象发生，严重影响了1250工作面的安全生产。

2011年8月下旬，该矿开始在1250工作面采用羽状预抽瓦斯技术以来瓦斯抽放效果十分明显，抽放队安排放水人员在1250工作面上顺槽测量φ150mm抽放管内负压内负压、浓度等技术参数时发现管内负压一般保持在34.6～38.2kPa之间，瓦斯浓度一般保持在11%～15%之间。实施羽状预抽瓦斯技术后，9月中旬以后在该工作面采煤时，瓦斯浓度已降至0.2% ～0.4%，此后观察抽放管内瓦斯浓度至今没有反弹，保证了1250工作面的安全、稳定、高效生产，收到了良好的社会与经济效益。

［1］徐永圻，《采矿学》［J］.徐州:中国矿业大学出版社，2003

［2］冯文光.煤层气藏三维数值模型 ［J］.矿物岩石，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，采矿工程硕士，助理工程师/助教，主要从事采矿工程相关的教学与研究工作。

(责任编辑 黄 岚)