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煤矿瓦斯抽采利用及监测监控煤炭科学研究总院重庆研究院胡千庭2008年7月27日一、瓦斯流动1、描述瓦斯渗流的Darcy渗流定律所谓渗流:是指流体在多孔介质内由于压力差驱动形成的层流运动,即对多孔介质Re0.25;1m2P2P11mqqv=(k/μ)(P2-P1)/L；q=(k/μ)A(P2-P1)/L一、瓦斯流动描述多孔介质渗流难易程度的物理量K称为渗透率;渗透率K的单位是cm2或md（石油）；对某一特定流体,考虑流体绝对粘度系数μ后,将K/μ定义为某一特定流体的渗透率,单位是m2/Mpa.d；煤矿瓦斯界常用透气性系数λ=K/(2μP0),单位是m2/Mpa2.d或m2/atm2.d（=100m2/Mpa2.d)。1μm2=9.81*102md;1md=1.019*10-3μm21md相当于瓦斯界使用的38.69m2/Mpa2.d。2、瓦斯扩散(不存在压差作用时)Fick定律L1mv=D(C2-C1)/Lq=DA(C2-C1)/LD是扩散系数,单位是cm2/s；C2、C1为瓦斯浓度，%；1m2C2C1qq一、瓦斯流动3、瓦斯流动（对多孔介质Re≥2.5）通风方程贝努力方程P2-P1=RQ2,R为流动阻力系数mgh+1/2(mv2)+pAL=constantq1m2P2P1L1mQ一、瓦斯流动二、未采动区地面钻井抽瓦斯1、工艺流程钻井→测井→固井→完井→压裂→排采→集输。地面压裂井筛管完井方式示意图二、未采动区地面钻井抽瓦斯钻井：定向钻井、排渣、减少煤层损害测井：测定煤层渗透率、瓦斯压力含量等固井：下套管并用水泥固定井壁和套管完井：射孔、造穴等压裂：高压水携带砂石压裂并支撑煤层排采：排水采气，水压低于气压，控制压差预防煤层损害集输：井群间合理调配压力，减少相互干扰，达到井群产气最大化二、未采动区地面钻井抽瓦斯2、适用条件平均渗透率≥0.1md的煤层，且煤层总厚度、煤层埋藏深度及煤层气含量满足下表要求煤层埋深（m）煤层总厚度（m）4.05.06.07.08.09.0≥10.0埋深≤500m17.014.012.011.010.09.08.0埋深500m21.017.015.013.011.010.010.0资料来源：结合国内外工程实践分析认为。二、未采动区地面钻井抽瓦斯3、技术进步注CO2置换驱赶技术，适于不宜开采的煤层；原理：煤对CO2的吸附能力大于煤对CH4的吸附能力，因而注入CO2置换CH4。CO2H2OCH4CO2CO2CH4CH4H2OCH4二、未采动区地面钻井抽瓦斯3、技术进步水平羽状钻孔；原理：地面钻井一个开孔位置，多个分支进入煤层，使煤层钻孔长度极大增加，加大钻井控制范围和抽瓦斯量。三、采动区地面钻井抽瓦斯1、原理采动前布置并施工好钻井，采动下煤层时抽上煤层卸压瓦斯，采过钻井位置后，还可继续抽开采层采空区瓦斯。三、采动区地面钻井抽瓦斯2、适用条件对煤层群条件，尽可能选择下部煤层作首采层，以利于钻井抽采上部煤层卸压瓦斯和开采层采空区瓦斯；对单一煤层主要用于抽开采层采煤工作面卸压条带和采空区瓦斯。三、采动区地面钻井抽瓦斯3、注意事项钻井布置要结合采煤工作面布置统筹考虑；三、采动区地面钻井抽瓦斯3、注意事项钻井结构要考虑顶部岩层错动可能带来的钻孔切断（尤其是在岩层性质差异大的交界面附近）。1、孔底马达钻机施工的顺煤层枝状长钻孔预抽煤层瓦斯方法◆大宁矿实施案例(VLD钻机)◆适合于构造相对简单、赋存相对稳定、煤层坚固性系数f≥1的中厚以上煤层。四、未采动区井下钻孔抽瓦斯四、未采动区井下钻孔抽瓦斯2、旋转钻进钻机施工的顺煤层水平长钻孔◆立体交叉钻孔布局抽瓦斯效果会更好◆适合于构造相对简单、赋存相对稳定、煤层坚固性系数f≥1的中厚以上煤层。回风顺槽位置钻孔切眼位置运输顺槽位置四、未采动区井下钻孔抽瓦斯3、旋转钻进钻机施工的顺煤层倾斜长钻孔◆立体交叉钻孔布局抽瓦斯效果会更好◆适合于各种条件的煤层。盘区巷道3302及3303采面区域煤层采掘活动前模块式预抽示意图3301及2307采面区域500m500m2000～4000m连采机多巷掘进巷道四、未采动区井下钻孔抽瓦斯4、旋转钻进钻机施工的顺煤层钻孔◆适合于巷道瓦斯涌出量大的非突出煤层。10234567891112131415II4321111I34567891014151213876543111091211141513连采机多巷掘进面煤层掘进中扇形钻孔瓦斯抽放模式示意图22回采布置工作面煤体回采布置工作面煤体四、未采动区井下钻孔抽瓦斯4、旋转钻进钻机施工的顺煤层钻孔◆适合于钻孔过程不发生突出的煤层。钻场掘进工作面预抽钻孔边掘边抽钻孔掘进工作面预抽和边掘边抽布孔方式四、未采动区井下抽瓦斯4、旋转钻进钻机施工的顺煤层钻孔◆适合于严重突出危险煤层。底板岩石巷道未来煤巷位置底板岩石巷道穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯五、采动区井下抽瓦斯1、保护层开采时抽采卸压煤层瓦斯适合于有保护层开采条件的煤层首采层卸压线底板抽瓦斯巷抽瓦斯巷图开采保护层抽卸压瓦斯顶板岩石钻孔五、采动区井下抽瓦斯2、回风巷高位钻孔抽采空区瓦斯适合于采空区瓦斯涌出量大的条件，尤其对首采层、邻近煤层多、采空区丢煤多的开采层采空区抽瓦斯巷抽瓦斯钻孔回风巷位置采空区高冒带钻孔抽瓦斯方法裂隙区五、采动区井下抽瓦斯平面布置模式如下：（Y型通风模式，双巷模式）五、采动区井下抽瓦斯平面布置模式如下：（Y型通风，沿空留巷模式）五、采动区井下抽瓦斯非金属管平面布置模式如下：（U型通风，双巷模式）五、采动区井下抽瓦斯3、高冒带走向钻孔抽采空区瓦斯适合于采空区瓦斯涌出量不太大的条件，主要解决上隅角瓦斯超限的条件抽瓦斯钻孔采空区回风巷位置采空区高冒带走向钻孔和埋管抽瓦斯方法裂隙区五、采动区井下抽瓦斯平面布置模式如下：（U型通风模式）抽瓦斯管五、采动区井下抽瓦斯4、采空区埋管抽瓦斯适合于采空区瓦斯涌出量不大，主要解决上隅角瓦斯超限的条件采空区预埋抽瓦斯管回风巷位置采空区高冒带走向钻孔和埋管抽瓦斯方法裂隙区底板岩巷和大直径管路大直径连通钻孔五、采动区井下抽瓦斯平面布置模式如下：（U型通风模式）预埋水泥管方式适合于采空区瓦斯量大，有底板巷或边界巷的条件。抽瓦斯管底板巷内瓦斯管大钻孔预埋水泥管五、采动区井下抽瓦斯1、采动区走向高位抽瓦斯巷道◆巷道层位取决于邻近层瓦斯涌出情况，抽上邻近层瓦斯层位尽量高一些，但必须在瓦斯源下方裂隙带内；抽采空区瓦斯则层位应低一些，也尽可能布置在裂隙带内。六、抽瓦斯方法选择原则1、选择抽瓦斯方法的主要依据煤层突出危险性：突出危险煤层必须进行采掘作业前的瓦斯预抽，使煤层瓦斯含量降低到规定指标以下；严重突出危险煤层尽可能选择穿层钻孔预抽，避免钻孔施工时发生突出。预测的瓦斯涌出量大小：根据涌出量进行分解，即涌出量=风排量+采动区抽采量+未采动区抽采量，同时应满足规定的工作面和矿井瓦斯抽采率的要求。六、抽瓦斯方法选择原则瓦斯涌出的来源：瓦斯来自本煤层还是邻近层。来自本煤层瓦斯以采掘前预抽为主，来自邻近层以采动区瓦斯抽采方法为主；同时还应考虑来自上邻近层还是下邻近层，上（下）邻近层以顶（底）板钻孔或巷道方式为宜。允许或者能够提供的通风量大小以及允许或者可能产量的大小。通风量决定风排瓦斯量，产量决定瓦斯涌出量；涌出量-风排量=必须的抽采量，以此作为选择抽采方法的主要依据。六、抽瓦斯方法选择原则巷道布局：依据前面的原则选定了抽采瓦斯方法后，就必须要求调整巷道布局，以满足抽瓦斯工程的要求；有效利用已有巷道工程调整抽瓦斯方法，使得工程量不多、而抽瓦斯效果更好，这种思路往往也是非常必要的。六、抽瓦斯方法选择原则2、抽瓦斯方法应坚持多措并举、因地制宜的原则预抽煤层瓦斯时，若瓦斯含量较高，煤层渗透性不是很低时，应考虑地面钻井、顺层钻孔结合的方法预抽煤层瓦斯；渗透性极差时，应考虑穿层钻孔和顺层钻孔结合的方法预抽瓦斯。瓦斯涌出量高且瓦斯来源不过分偏重本煤层或邻近层时，应考虑采前预抽和采动卸压抽结合的办法抽瓦斯。六、抽瓦斯方法选择原则采动卸压抽瓦斯时，如果上下邻近层对工作面瓦斯涌出量都有较大影响时，应考虑上下邻近层甚至采空区埋管相结合的卸压抽瓦斯方法。强化抽瓦斯与强化通风相结合的瓦斯治理方法。强化瓦斯治理与控制煤炭产量相结合的办法。强化瓦斯抽采与控制煤炭自燃相结合的办法。强化瓦斯治理与强化抽掘采工程相衔接的办法。因此，抽瓦斯实际上是一个系统工程的优化问题。六、抽瓦斯方法选择原则3、抽瓦斯系统设计的原则采前预抽瓦斯和采动卸压抽瓦斯分系统运行是非常必要的。六、抽瓦斯方法选择原则高负压预抽瓦斯是有效的，系统负压不足时鼓励使用移动泵接力，但封孔深度必须进入采掘空间引起的煤岩破碎圈以外。采动卸压抽瓦斯系统应尽可能设置调节阀门，以抽采瓦斯浓度和抽采纯量为主要依据调节抽采负压。七、抽瓦斯工程的合理布局1、抽掘采合理布局的原则高瓦斯突出煤层“先抽后掘采”原则；“产量服从安全”的原则；抽瓦斯工程“多措并举”原则；“尽可能考虑瓦斯利用”的原则；“兼顾经济效益”的原则七、抽瓦斯工程的合理布局2、抽掘采合理布局的主要内容及要求钻孔工程的合理参数钻孔可能达到的合理长度：依据煤层条件、钻机具能力、工程需求、钻孔长度与抽瓦斯效果的关系等确定钻孔可能达到的合理长度；七、抽瓦斯工程的合理布局钻孔的合理层位和方位：顺煤层预抽瓦斯钻孔尽可能实施交叉钻孔，厚煤层顺煤层钻孔尽可能布置在不同层位上，但应考虑机具的适应性（如开孔高度、方位、轨迹控制能力等）；穿层钻孔终孔的合理层位应该是进入抽采瓦斯目标煤层顶（底）板一定深度（立井要考虑排渣排水、造穴等的要求）；采动卸压抽瓦斯的钻孔和巷道的合理层位与方位尤其重要，目的是尽可能延长钻孔服务时间，抽出瓦斯量最大，抽瓦斯浓度合理。七、抽瓦斯工程的合理布局■钻孔合理的服务时间：预抽煤层瓦斯钻孔的合理服务时间取决于煤层渗透性、煤层瓦斯含量、预抽所必须满足的指标以及钻孔预抽瓦斯量的衰减规律等；预抽时间过长造成抽掘采接替紧张和不必要的工程浪费，预抽时间过短不能有效发挥钻孔工程的作用、达不到预抽指标的要求、同样会造成预抽瓦斯工程的浪费。有些采动卸压抽瓦斯钻孔（巷道）在确保维持运行成本合理和满足防灭火要求时尽可能延长其服务时间，有些钻孔寿命却与采掘推进速度、布孔层位、方位、开孔位置等参数密切相关。七、抽瓦斯工程的合理布局钻孔的合理间距：预抽钻孔合理间距与合理预抽时间密切相关，二者主要决定抽瓦斯钻孔的工程量；因此，依据抽采所必须达到的要求合理优化合理预抽时间和预抽钻孔合理间距是非常重要的内容。对采动卸压抽瓦斯钻孔的合理间距主要取决于需要达到抽采瓦斯量的要求以及钻孔的布孔层位、方位、开孔位置等。七、抽瓦斯工程的合理布局钻孔的施工时间与工程安排：依据前面的主要内容可基本确定钻孔（巷道）工程量，依据钻机具能力、效率以及施工现场可能的工程布局，可以做出合理的工程施工时间与工程安排。抽采瓦斯工程的合理布局的要求：满足抽瓦斯工程施工（包括安装）和工程服务时间的要求，满足抽瓦斯工程安排的场地和设备设施要求。七、抽瓦斯工程的合理布局掘进工程合理布局的主要依据高瓦斯突出煤层巷道掘进要满足先抽后掘指标的要求；满足抽瓦斯工程施工的巷道空间的要求；满足采煤工作面布局的要求；尽可能分采区布局掘采工程，避免集中在一个采区甚至在一个工作面附近集中布置采掘工作面，减少人员集中度；尽可能满足机械化施工要求。七、抽瓦斯工程的合理布局采煤工作面合理布局的主要依据高瓦斯突出矿井必须满足先抽后采的要求；煤炭产量和工作面单产能力；避免超核定能力生产；避免突击生产，尽量使生产均匀化；避免集中在一个采区或一翼同时布置多个工作面生产。七、抽瓦斯工程的合理布局3、抽掘采合理布局所必须具备的技术条件掌握煤层瓦斯压力、含量、渗透率等参数及其变化规律，突出危险性及其变化规律；掌握各类抽瓦斯方法以及不同钻孔参数抽瓦斯的效果及其变化关系；掌握钻孔施工、致裂等技术；掌握测量并判定抽瓦斯