煤层瓦斯抽采主要影响因素分析

煤层瓦斯抽采主要影响因素分析

郭斌斌

河南焦煤能源有限公司九里山矿  河南焦作  454000

作者简介：郭斌斌，1987年6月，河南博爱人 ，男，汉，本科，工程师，研究方向: 煤矿瓦斯防治。

摘要：瓦斯的高效抽采是煤矿高效安全生产的前提，针对如何实现煤层瓦斯抽采高效抽采的问题，基于煤层瓦斯吸附规律，明确了煤层瓦斯抽采的主要影响因素，得到了各影响因素对煤层瓦斯抽采的影响规律。结果表明：煤对瓦斯的吸附效应，一定程度上影响了瓦斯的解吸速度，煤层瓦斯吸附常数a值越大，相同时间下瓦斯抽采影响半径越小；b值越大，则相反，但瓦斯抽采有着极限抽采影响半径。且随着抽采时间的延长，煤体渗透率逐渐减小。煤层瓦斯运移主要依靠煤层瓦斯压力等级差值，适当的增大抽采负压可以提高瓦斯抽采量，但在无法起到加快瓦斯流动作用的负压作用下，浓度无法提高，反而会进一步增加漏气现象。抽采钻孔的串孔、塌孔、封孔漏气均会使得抽采浓度及抽采效果降低。

关键词：煤层；瓦斯抽采；抽采工艺；影响因素

1引言

我国深部煤层瓦斯资源量丰富，有效开采利用可以解除煤矿生产的安全隐患，缓解我国能源紧张的局面[1]。瓦斯抽采是瓦斯资源开采利用的根本途径，在煤层中施工钻孔是瓦斯抽采的基础[2]。瓦斯的顺利抽采受到诸多因素的影响，由于我国煤层赋存条件复杂，瓦斯抽采效果除了受煤层自身条件影响外，合理的瓦斯抽采施工参数，亦是保证瓦斯抽采效果的关键因素。如何维持瓦斯的高效抽采是煤矿高效生产的主要原因。

为了维持瓦斯的高效抽采，诸多学者对瓦斯抽采过程进行了研究，瓦斯抽采过程中的施工参数主要有钻孔间距、钻孔半径和抽采负压，林海飞等[3]将其称为工程因素，建立流固耦合模型研究单一因素和两因素交互对抽采效果的影响；洪林等[4]建立双排钻孔抽采模型；王刚等[5]研究了急倾斜煤层瓦斯钻孔有效抽采范围随时间的变化规律；郭欣等[10]研究发现抽采负压对有效抽采半径的影响较小。

虽然诸多学者已做了广泛研究，但并未对煤矿瓦斯抽采的主要影响因素进行系统的综合研究。本文通过分析煤层瓦斯的吸附规律，明确煤层瓦斯抽采的主要影响因素，通过对煤体特征、抽采工艺、抽采过程中异常现象等因素的综合分析，得到了各因素对煤层瓦斯抽采的影响效果，对煤层瓦斯高效抽采有极大的指导意义。

2 煤层瓦斯吸附规律

煤层中的瓦斯一般以游离和吸附状态存在，其中吸附状态的瓦斯一般可达到80%-90%左右，在大的孔、裂隙中存在的游离瓦斯，则只占10%-20%左右[7]，并表现为煤层中的瓦斯压力。煤对瓦斯的吸附效应，一定程度上影响了瓦斯的解吸速度，但在煤体充分卸压、破碎的情况下，吸附瓦斯则会快速向游离状态转变，从而形成瓦斯突出的动力。

相关理论研究认为：煤层中孔裂隙表面的吸附瓦斯向游离瓦斯的转变为扩散形式，即高浓度瓦斯以分子形式向低浓度的裂隙空间线性扩散；裂隙中的游离瓦斯在压力梯度作用下的流动则是渗流形式。在压力的作用下，煤对瓦斯的吸附可用Langmuir吸附理论[8,9]解释，吸附解吸瓦斯的性能[10]则受到煤层温度、压力、煤的挥发分、煤体含水量、粒径大小、煤体结构等多种因素影响。因此，煤体瓦斯抽采过程中瓦斯抽采效果主要受煤层瓦斯自身吸附特征、抽采工艺、抽采孔异常现象等因素的影响。

3煤体瓦斯抽采主要影响因素

基于此，分别从煤层瓦斯自身吸附特征、抽采工艺、抽采孔异常现象三个方面对煤层瓦斯抽采效果进行分析。

3.1 煤体特征影响因素

3.1.1 煤层瓦斯吸附特征对瓦斯抽采的影响

吸附解吸是煤体典型的基本物理性质，在煤炭、煤层气（瓦斯）开采过程中，无论井下或地面钻孔瓦斯抽采，还是压裂、开采保护层等措施，都会改变原始煤层中的瓦斯气体的原有状态。因压力、浓度、气体成分的改变，游离态和吸附态的气体会发生持续相互的转化。表征煤层对瓦斯吸附解吸性能的指标，一般用瓦斯吸附常数a、b值。在抽采状态下，对不同吸附常数情况下的有效抽采半径进行了研究分析，具体见图1、图2所示。

（a）与a值的变化关系                  （b）与b值的变化关系

图1 不同吸附常数下有效抽采半径变化关系

（a）不同a值变化关系                （b）不同b值变化关系

图2 不同抽采时间下有效半径与吸附常数关系

可以看出，煤层瓦斯吸附常数a、b值对瓦斯抽采有着较大的影响。a值（单位m3/t）越大，即煤层瓦斯极限吸附能力越强，相同时间下瓦斯抽采影响半径越小，达到相同影响半径的速度越慢；b值（单位MPa-1）越大，即煤层的解吸速率与吸附速率之比越大，在相同时间下抽采影响半径越大，而b值达不到一定的数值，即使经过很长的时间也难以达到足够的影响半径。因此，根据煤层吸附特征的不同，瓦斯抽采影响半径不是随时间无限增加的，而是有着极限抽采影响半径，只是因解吸速率的不同，达到这一范围所需要的时间不同而已。

3.1.2 煤层渗透性对瓦斯抽采的影响

煤层内瓦斯气体的流动与煤体的渗透率相关，当煤体吸附（解吸）瓦斯后，发生碰撞（变形）会影响瓦斯的流动通道，宏观表现在渗透率和孔隙度的变化值上。当瓦斯在煤体发生解吸后，煤体的基质会发生收缩，使得煤体裂隙、孔隙等通道扩张，地质作用主要影响煤层的初始渗透率，然而当受到了开采扰动，渗透率会随着外部应力和瓦斯压力的变化而变化。主要原因是在开采过程中瓦斯压力下降，导致孔隙骨架有效应力增加，使得孔隙率和渗透率发生变化。

在煤层中进行抽采时，随着抽采时间的延长，煤体渗透率逐渐减小；越靠近钻孔中心，渗透率减少的越明显，其最小下降率可以达到65%左右，这主要是随着瓦斯的抽采，煤层中的瓦斯压力逐渐降低，根据有效应力原理，在外部载荷不变的情况，有效应力增大，部分孔隙闭合，渗透率逐渐降低。当抽采后期瓦斯压力的减少，抽采负压保持不变，从而煤层瓦斯压力与抽采负压的压力形成的梯度也会减少，这样导致瓦斯压力下降量和渗透率变化率的下降量也随之减少。因此，渗透率的变化主要集中在抽采前期，抽采后期基本保持不变，具体见图3所示。

图3 距钻孔不同位置渗透率随抽采时间变化规律

3.2 抽采工艺影响因素

抽采系统对煤层瓦斯提供的负压，虽然能够为瓦斯流动提供一定的动力，但在游离瓦斯通过渗流的方式进入抽采管路后，煤层中的瓦斯压力降低、孔裂隙闭合，以扩散方式转化的吸附瓦斯如果不能够形成足够的瓦斯压力，瓦斯流动只会缓慢进行。

在煤层中产生渗流的瓦斯压力往往为MPa数量级，与抽采负压kPa级相比有着很大的差别。在钻孔附近，抽采负压能够加快游离瓦斯的流动，但对于较远处的煤层瓦斯流动影响改变不大。

因此，瓦斯抽采的负压过大只会造成孔裂隙中的瓦斯压力更低，造成渗透率下降，更不利于瓦斯抽采。一旦在抽采过程中，抽采管路与外界有了较多的联系，则必然会出现漏气等现象，孔底负压急速降低，难以驱动瓦斯的流动。在无法起到加快瓦斯流动作用的负压作用下，浓度无法提高，漏气现象反而进一步增加。

3.3 抽采异常现象影响因素

常见的瓦斯抽采钻孔异常现象，包括钻孔塌孔、漏气、串孔等等现象。各种异常现象，都会对瓦斯抽采产生不同程度的影响，导致抽采效率降低、抽采浓度下降。而出现异常后的不正确的管理，也会造成工作适得其反，投入不断加大、浪费不断增加。

3.3.1 串孔现象及对抽采的影响

抽采过程中的串孔现象，往往是由于煤体中本来存在的大量发育良好的裂隙，在打钻扰动的作用下发生更好的联系和沟通，从而导致抽采钻孔与相邻的钻孔或外界之间贯通，形成串孔。而钻孔长度方向上，某一点的串孔会引起局部煤壁瓦斯或混入空气量的增大，即混合抽采量提高，但实际上必然导致沿孔深抽采负压的快速下降，进一步影响深部瓦斯的抽采。

近些年来，穿层钻孔水力冲孔措施的逐步普及，起到了较好的增透作用，但由于冲孔的不规则性和无序性，往往导致了串孔、串气现象的进一步增加。串孔后，串孔点以里抽采负压进一步下降，难以克服抽采管路的阻力，对于深部区域的瓦斯抽采十分不利。而解决的办法可采取将所有串孔的钻孔全部加强封孔，减少外界向煤层内的漏气，从而形成密封的抽采空间。同时，应合理确定穿层钻孔的冲煤量，全孔长均匀冲孔，进一步减少发生串孔的几率。

3.3.2 塌孔现象及对抽采的影响

煤层中钻孔成孔后，由于次生应力的作用，钻孔周围煤体要产生相应的弹塑性变形，当塑性变形大于煤体的极限变形时，钻孔就会垮塌，出现塌孔现象。通常来说，f值较小的煤层容易产生塌孔现象。如图，若塌孔端的煤体全部堵塞流动通道，塌孔段会截断负压向钻孔内的传递，致使塌孔段以里的钻孔抽采不出瓦斯；若塌孔端的煤体未全部堵塞流动通道，则瓦斯的流动通道会变得很小，负压在塌孔段则会产生非常大的局部压损，塌孔段以里的钻孔段负压很小，抽采效果很差。塌孔现象的发生，有时可以通过重新透孔的方式进行解决，这也是目前一些矿井采用钻孔修复装置进行处理的初衷。但如果钻孔的塌孔在刚刚成孔的时候就进行解决，比如下放护孔管，则无疑可以起到更好的效果，因此有些塌孔是随着时间变化的，并不是才施工完的钻孔就会塌孔。

3.3.3 漏气现象及对抽采的影响

相对于钻孔串孔、塌孔等现象，需要通过合理控制冲煤量、采取全长下筛管等工艺进行解决之外，抽采钻孔的漏气现象则与钻孔抽采负压、封孔效果等因素都有一定的关系。对于顺层钻孔而言，大量的研究和实践都证明，钻孔封孔应达到巷道卸压带以里，如果瓦斯抽采钻孔的封孔长度小于卸压带深度，钻孔内的负压会将巷道内的空气由卸压带内贯穿裂隙抽进入钻孔，造成抽采钻孔的“短路”，使得抽采浓度及抽采效果降低。钻孔封孔长度必须超过卸压带长度可保证钻孔不漏气。而对于穿层钻孔，虽然不用向煤层巷道一样考虑卸压带宽度，但仍应考虑底抽巷上部的裂隙发育情况，保证钻孔封孔段处于较为完整的岩孔段。

另一方面，抽采负压越大，负压值在钻孔内部传递的就越远，钻孔的有效抽采长度就越长，抽采效果就越好。但抽采负压不能无休止的增加，单孔的抽采负压的提高必然要增加整个抽采系统的负荷，增加抽采成本，而且整个系统内抽采负压的增高会导致抽采总支管及封孔段两端压差的增大，容易导致漏气现象，致使抽采浓度降低。因此在瓦斯抽采设计中要对孔口抽采负压进行试验确定合理最优的抽采负压，最高效的进行瓦斯抽采。

4结论

煤层瓦斯抽采效果受煤体特征、抽采工艺、抽采异常现象等多方面因素共同作用。

（1）煤层对瓦斯的吸附特性以及渗透率变化特点，决定了瓦斯抽采过程中的相关变化。煤对瓦斯的吸附效应，一定程度上影响了瓦斯的解吸速度，煤层瓦斯吸附常数a值越大，相同时间下瓦斯抽采影响半径越小；b值越大，则相反，但瓦斯抽采有着极限抽采影响半径。且随着抽采时间的延长，煤体渗透率逐渐减小，其变化主要集中在抽采前期。

（2）煤层瓦斯运移主要依靠煤层瓦斯压力等级差值，适当的增大抽采负压可以提高瓦斯抽采量，但在无法起到加快瓦斯流动作用的负压作用下，浓度无法提高，漏气现象反而进一步增加。

（3）抽采钻孔的串孔、塌孔、封孔漏气均会使得抽采浓度及抽采效果降低。

参考文献

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