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矿井瓦斯抽放技术-3


矿井瓦斯抽放技术
Technology of Methane Drainage in Coal Mine

院 系:安全科学与工程学院 主 讲: 贾天让 手 机:13938187247 E-mail:jiatianrang@hpu.edu.cn

主要内容
一、基本知识 二、煤层瓦斯抽放技术及方法 三、瓦斯抽放参数的测

定及计算 四、矿井瓦斯抽放设计及施工 五、矿井瓦斯抽放管理

三、瓦斯抽放参数的测定及计算
瓦斯抽放参数主要包括煤层瓦斯压力、 煤层瓦斯含量、煤层瓦斯涌出量、煤层透 气性系数、瓦斯抽放率及抽故管路和钻孔 中的瓦斯流量。为了确定煤层瓦斯含量、 预测矿井瓦斯涌出量、考查抽放效果等, 都需要测定和计算瓦斯抽放参数。因此, 瓦斯抽放参数的测定和计算是一项基本技 能,对矿井瓦斯抽放工作具有十分重要的 作用。

三、瓦斯抽放参数的测定及计算
3.1 3.2 3.3 3.4 煤层瓦斯压力的测定 煤层瓦斯含量的测定 矿井瓦斯涌出与预测 煤层的透气性的测定

煤层瓦斯压力是煤层瓦斯流动和涌出的最基本的参数;因此, 准确测定煤层瓦斯压力不仅对煤层瓦斯抽放具有重要意义, 而且对于煤和瓦斯突出危险性预测,合理制订防突措施等均具有十分重 要的作用。

10 8 6 4 2 0 200 400 600 800 1000

P = P0 + m(H — H 0 )

测定方法 直接法
是由岩层巷道或煤层巷 道中向预定测量瓦斯压力的地 点,用钻机打一钻孔.然后从 钻孔中引出一个管子及测压装 置.再将钻孔严密封闭堵塞, 用压力表和引出的管子或测压 装置相连,从而测出煤层中的 瓦斯压力。

间接法
是根据煤层瓦斯流动的 规律、煤层的渗透系数、瓦 斯解吸规律、煤层瓦斯含量 系数或瓦斯容量曲线,在测 压地点附近测定煤层瓦斯涌 出量或统计采掘中的涌出量 等参数。根据所测的这些数 据,进行计算推测出需要测 定地点的瓦斯压力。因此, 间接测压法一般用于难于使 用直接测压的条件下。

主动测压

被动测压

3.2.2 煤层瓦斯含量主要决定因素
煤的变质程度
煤的变质程度越高,生成的瓦斯量越大。当其它条件相同 ,煤的变质程度越高,煤层瓦斯含量就越大。 围岩致密完整、不透气时,煤层瓦斯易于保存;反之,煤 层瓦斯易于逸散。 煤层有露头瓦斯易于排放,无露头瓦斯易于保存;对同一 煤层,瓦斯风化带以下,煤层瓦斯含量随深度加大而增大 ;在其它条件相同,同一开采深度上,煤层倾角越小,煤 层所含瓦斯越多。 开放性构造是煤层有利于瓦斯的放散,因此开放性构造发 育的煤层,瓦斯含量就小;封闭性构造,阻断瓦斯放散通 道,相应煤层瓦斯含量大。 煤的形成过程中,经历了漫长的地质年代,期间地层的隆 起或凹陷,覆盖地层加厚或剥蚀,陆相海相的交替变化, 遭受地质构造运动破坏影响等 地下水交换活跃地区,水能从煤层中带走大量瓦斯,从而 使煤层瓦斯含量明显减少。

煤 层 瓦 斯 含 量 主 要 决 定 因 素

煤层围岩性质

煤层赋存条件

地质构造

地层的地质史 水文地质条件

按应用范围分

按方法特 点分
直接方法

地勘方法

井下方法

间接方法

根据煤层瓦斯压力和煤的吸附等温线确定 煤的瓦斯含量

abp 1 10 Kp n ( t s ?t ) X ? e ? 1 ? bp 1 ? 0.31M ad k

含量系数法

采样
煤样吸附平衡

测定步骤
X ?α p

测定不同平衡瓦 斯压力下煤样解 吸瓦斯量
计算煤的瓦斯含 量系数α

根据煤的残存瓦斯含量推算煤层瓦斯含量 计算公式
当实测残存瓦斯含量≤3m3/tf: X0=1.33Xc

当实测残存瓦斯含量>3m3/tf: X0=2.05Xc -2.17

技术关键

直接测定法与间接测定法的比较 直接测定法 间接测定

矿井瓦斯的来源

煤壁瓦斯

落煤瓦斯

掘进区瓦斯
煤壁瓦斯
开采层瓦斯 落煤瓦斯

采空区瓦斯
邻近层瓦斯

采煤区瓦斯
采空区瓦斯

矿井在单位时间内涌

矿 井 瓦 斯 涌 出 量

出的瓦斯体积,单位 是m3/min或m3/d。 QCH4 = Qf×C

矿井正常生产条件下平

均每采一吨煤所涌出的
瓦斯体积,单位是m3/t qCH4 = QCH4/T

矿 井 瓦 斯 涌 出 量 主 要 影 响 因 素

煤层瓦斯含量 开采规模 开采顺序 采煤方法

是决定因素。瓦斯含量越高,矿井瓦斯涌出量就越大。 开采规模越大,矿井的绝对瓦斯涌出量也就越大;但 就矿井的相对瓦斯涌出量来说,情况比较复杂。

厚煤层分层开采时,首分层瓦斯涌出量最大,最后一 个分层瓦斯涌出量最小。
采煤方法的回采率越低,瓦斯涌出量就越大,因为丢 煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道 陷落法比充填法工作面的瓦斯涌出量大。

顶板管理方法
生产工序 通风压力 大气压力变化 采空区管理方式

落煤时瓦斯涌出量大于其它工序 负压通风,风压越高瓦斯涌出量越大;正压通风,风 压越高瓦斯涌出量越小。
地面大气压的变化对对采空区瓦斯涌出有较大的影响。 一般采空区存有大量瓦斯,未封闭或封闭不严,采空 区瓦斯大量涌出,矿井瓦斯涌出量增大。

预 测 方 法

H  H  2 ? 1 a? q  q  2 ? 1

确定生产水平矿井 瓦斯涌出量和平均开采深度

矿井的加权 平均开采深度

Hc ?

?H A
i ?1 n i

n

i

?A
i ?1

i

矿井相对 瓦斯涌出量

用总回风的 瓦斯鉴定资料

采区或工作面 月平均相对瓦斯涌出量
采区(或工作面) 月平均相对瓦斯涌出量 采区(或工作面) 日涌出量月平均值

G q? A

G ? 14.4

?Q ?C
i ?1 i

n

i

n

采区(或工作面) 统计月份的平均日产量

AM A? N

使用的条件及要点
?生产矿井的延深水平、生产水平的新采区、与生产矿井邻近的新矿井, 必须保证预测区的开采技术条件、地质条件与生产区相同或类似。 ?应用统计预测法时的外推范围一般沿垂深不超过100~200m,沿煤层倾 斜方向不超过600m。 ?某些矿井相对瓦斯涌出量与开采深度之间并不呈线性关系,即a值不是常 数,此时,应首先根据实际资料确定a值随开采深度的变化规律。 ?工作面从开切眼形成到第一次放顶期间,由于瓦斯涌出尚未达正常状态, 在该段时间内的测定数据不能在统计分析中应用; ?陷落法比充填法工作面的瓦斯涌出量大。 ?在采煤不正常的情况下测得的瓦斯涌出量,以及地质变化带采区瓦斯涌 出量变化很大的情况下测得的瓦斯涌出量,均不能在统计分析中应用。 ?在实施瓦斯抽放的采区和工作面,还应考虑抽放瓦斯的影响。

汇:矿井瓦斯涌出

生产采区瓦斯涌出

源:已采采区采空区瓦斯涌出

回采工作面瓦斯涌出

源:生产采区采空区瓦斯涌出

掘进工作面瓦斯涌出

源:开采层瓦斯涌出

源:邻近层瓦斯涌出

源:煤壁瓦斯涌出

源:落煤瓦斯涌出

根据各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律,计算回采工作面、 掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量。

预测所需的原始资料

薄及中厚煤层

不分层开采时计算公式

m0 q1 ? k1 ? k2 ? k3 ? ? X 0 ? X 1 ? m1
L ? 2h k3 ? L

采用长壁后退 式回采时,系 数k3的确定
煤的挥发份含量Vdaf(%)
6~8

8~12 6~4

12~8 4~3

18~26 3~2

26~35 2

35~42 2

42~50 2

煤残存瓦斯含量X1’(m3/t) 9~6

厚煤层分层开采时
按计算公式

q1=k1·k2·k3·kfi·( X 0 ? X 1 )

厚煤层分层开采瓦斯涌出系数kf 两分层开采 kf1 1.504 kf2 0.496 kf1 1.820 三分层开采 kf2 0.692 kf3 0.488

mi q2 ? ? ki ? ( X 0i ? X 1i ) i ?1 m1
hi ki ? 1 ? hp h ? m (1.2 ? cos?)
p 1

n

开采层顶板的影响范围

hp ? m1(1.2 ? cos?)
开采层底板的影响范围

hp ? m1(1.2 ? cos?)

邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线

q3=n×m0× ×q0(2 L / v -1)

v

q0 = 0.026[0.0004V daf + 0.16]X0

2

q4= S· v ·γ · 0 – X1) (X

q5 = q1 + q 2
q6 = q3 + q 4

3.4.1 煤层透气性及其影响因素
煤的孔隙结构
孔隙直径0.1~1μm,构成瓦斯缓慢层流渗透区;孔隙直径 1~100μm,构成瓦斯快速层流渗透区;0.01cm至更大的 肉眼可见孔隙和裂隙,构成层流与紊流的混合渗透区,孔 隙直越大,则其渗透性能越好。

煤 层 透 气 性 系 数 及 其 影 响 因 素

煤的裂隙

地质构造的变动或采掘时的影响、煤层的原生构造遭到破 坏而生成新的裂隙和断裂,致使煤的渗透性增大。

地应力

煤的渗透率与其承受压力的关系 K-承压煤样的渗透率,cm2; K0-未承压煤样的渗透率,cm2; b-经验常数(由试验确定),MPa-1; P—煤样承受的压力, MPa。

煤的水分

煤被水湿润后,由于水分占据了煤中的孔隙,渗透率降低 ,阻碍瓦斯流动,渗透率降低的程度与煤的水分大小有关 。

3.4.2 煤层透气性及其测定方法
原始煤层的渗透性往往是很低的,瓦斯在煤层中的流 速也很小、每昼夜几厘米到几米,流动状态局于层流运动, 一般符合达西定律,即瓦斯流动速度与压力梯度成正比, 与煤的渗透率成正比,可用下式表示:

K dp v?? ? dx
式中 v—瓦斯流动速度,cm/s; k—煤的渗透率,cm2; Ns μ—瓦斯(cH4)的绝对粘度,1.08×10-8 cm 2; dp一在dx长度内的压差,MPa; dx—与瓦斯流动方向一致的某一极小长度,cm。

如果把流速v变成在压力为0.1013MPa(1个标推大气 压)、温度相当于煤体温度条件下的瓦斯流量,则

K p dp K dp dp q= ? ?? ? ?? ? pn dx 2?pn dx dx
式中 q—比流量,即在1m2煤面上Id通过的瓦斯量,m3/m2.d pn—0.1013MPa; P=p2; K λ—透气性系数,?= , m2/MPa2.dm。

2?pn

我国的煤层透气性系数,常用的单位为m2/MPa2.d, 其物理意义是在1m长的煤体上,当压力平方差为1MPa2 时,通过1m2煤体的断面,1昼夜流过的瓦斯量(m3)。 1m2/MPa2.d相当于O.025mD。

目前,我国煤矿均在井下实测煤层透气性的大小,该方法是 基于煤层瓦斯向钻孔的流动状态为径向不稳定流动之基础上建立的。 其计算公式与测定方法为: 1)计算公式
径向不稳定流动计算公式
系数 b -0.38 -0.28 -0.2 -0.12 -0.10 -0.065 流量准 数 Y

Y ? aF0b ? A

?

时间准 系数 a 数 F0=Bλ 1 10-2~1 1 1~10 0.93 10~102 102~103 0.588 103~105 0.512 105~107 0.344

煤层透气性系数 /λ λ=A1.61B1/1.64 λ=A1.39B1/2.56 λ=1.1A1.25B0.25 λ=1.83A1.14B1/7.3 λ=2.1A1.11B1/9 λ=3.14A1.07B1/14.4

常 A



常 B



A?

qr 1 2 p0 ? p12

1 4tp0.5 B? ?r12

P0—煤层原始瓦斯压力,MPa,;P1—钻孔中的瓦斯压力,P1=0.1MPa; r1—钻孔半径,m;λ—煤层透气性系数,m2/(MPa2· d); q—在排放瓦斯时间为t时的钻孔煤壁单位面积瓦斯流量,m3/(m2· d),可由 3/d; 下式确定:q=Q/2πr1L;Q—在时间t时的钻孔总流量,m L—煤孔长度,m;t—从开始排放瓦斯到测量瓦斯流量q时的时间间隔,d; α—煤层瓦斯含量系数,m3/(m3· MPa0.5) X
?=
p

上压力表前要测定钻孔瓦斯流量,并记 录测定时间,待压力表上升到稳定的最 高值后,方可进行煤层透气性能的测定。

测 定 与 计 算 步 骤

卸下钻孔上的压力表排放瓦斯、并测定 钻孔瓦斯流量、记录测定时间,即卸压 力表大量排瓦斯的时间和每次测定瓦斯 流量的时间,二者的时间差即为时间准 数中的值。

先用其中任一公式进行试算,计算出λ, 再将其代入F0=B λ式中校验。如 F0值在 原选用的公式范围内,则计算结果正确; 若不在,据算出的F0,选公式再计算,直 至F0值在所选用公式范围内。

某煤层实测瓦斯压力p0=4MPa,瓦斯含量系数α=13.27m3/m2.MPa0.5, 煤层厚度L=3.5m,钻孔半径r 1=0.05m,卸压至测定钻孔瓦斯流量的 时间t=44d,钻孔瓦斯流量Q=1.77m3/d,卸压后钻孔瓦斯压力p1= 0.1MPa,试求该煤层透气性系数λ。 (1)求q

Q q? ? 1.61m3 /(m 2 ? d ) 2?r1 L
qr1 A? 2 ? 5.03 ?10 ?3 p 0 ? p12
1 4tp0.5 B? ? 42441 .6 2 ?r1

(2)求A和B

(3)求λ (4)校验

? ? 1.83 A1.14 B

1 7.3

? 0.019 m3 /(MPa2 ? d )

F0 ? B? ? 802

F0在102~103范围内,公式选用合适,计算结果正确。


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