采動(dòng)條件下瓦斯抽采鉆孔有效范圍及瓦斯運(yùn)移規(guī)律

蘇鵬祥

摘 要：現(xiàn)階段，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整的過(guò)程中，在很多的生產(chǎn)領(lǐng)域，新能源漸漸占據(jù)重要地位，人們?cè)诟鞣N能源上的開(kāi)發(fā)技術(shù)與開(kāi)采量也日益精進(jìn)。但事實(shí)上，隨著國(guó)內(nèi)社會(huì)生活水平的提升，人們對(duì)于能源的需求量也呈現(xiàn)迅猛的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，因此，在能源供需上一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。為解決礦產(chǎn)資源使用中的供需矛盾，相關(guān)企業(yè)都在積極擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。瓦斯事故是礦井生產(chǎn)中面臨的一大安全威脅，在采動(dòng)條件下的瓦斯運(yùn)移規(guī)律分析有助于降低瓦斯?jié)舛龋瑢?shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標(biāo)?；诖?，本文重點(diǎn)探析了采動(dòng)條件下的瓦斯抽采鉆孔有效范圍和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際的開(kāi)采作業(yè)有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：采動(dòng)條件;瓦斯抽采;鉆孔有效范圍;瓦斯運(yùn)移規(guī)律

近年來(lái)，我國(guó)的礦井產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，礦山開(kāi)采從淺部向深部開(kāi)采的趨勢(shì)，使得在礦山開(kāi)采過(guò)程中面臨著較大的技術(shù)難度。在礦山生產(chǎn)作業(yè)中，瓦斯事故頻繁發(fā)生，不僅影響了正常的開(kāi)采作業(yè)，還導(dǎo)致礦山企業(yè)面臨著較大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)損失。瓦斯抽采是礦山開(kāi)采作業(yè)中治理瓦斯的有效手段，在不同的鉆孔影響參數(shù)下，瓦斯運(yùn)移存在著一定的規(guī)律性特征，通過(guò)對(duì)這一規(guī)律的有效掌握，可以指導(dǎo)實(shí)際的瓦斯抽采和開(kāi)采作業(yè)，保障開(kāi)采作業(yè)的順利進(jìn)行，為礦山企業(yè)贏得更大的發(fā)展機(jī)遇。

1 含瓦斯礦體的有效應(yīng)力原理

含瓦斯礦體中的瓦斯以礦體骨架、吸附態(tài)和游離態(tài)為主，其中的微孔隙和裂隙分布非常多。在微孔中的瓦斯大多以吸附態(tài)存在，而在裂隙中則以游離態(tài)存在的。由于在礦山開(kāi)采作業(yè)中存在采動(dòng)作用，在采動(dòng)影響之下，含瓦斯礦體應(yīng)力會(huì)重新進(jìn)行分布，當(dāng)重新分布以后，裂隙中的游離態(tài)瓦斯將會(huì)逐步流動(dòng)，此時(shí)，孔隙壓力較之原先發(fā)生了明顯的變化，孔隙中存在部分吸附態(tài)瓦斯，采動(dòng)作用驅(qū)使其向裂隙系統(tǒng)移動(dòng)[1]。如果假設(shè)含瓦斯礦體為的介質(zhì)屬性為各向同性、線彈性孔隙裂隙，裂隙中瓦斯氣體的存在可以使得其趨于飽和，這種情況下，在含瓦斯礦體的有效應(yīng)力分析過(guò)程中，需要考慮的因素更多，不僅需要進(jìn)行總應(yīng)力分析，還需要考慮吸附膨脹用力等作用力的相互關(guān)系和作用。

2 瓦斯在礦體中的運(yùn)移機(jī)理

在采動(dòng)條件下，瓦斯在礦體中會(huì)存在一定的運(yùn)移規(guī)律，從當(dāng)前的理論研究來(lái)看，運(yùn)移是瓦斯的突出特征，包含了滲流、擴(kuò)散和滲流--擴(kuò)散。在長(zhǎng)期的礦山行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，有關(guān)人員在這一方面開(kāi)展了大量的實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究，這些研究均表明：微孔中的瓦斯多以吸附態(tài)為主，這一狀態(tài)下濃度梯度的形成驅(qū)動(dòng)了瓦斯的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，瓦斯的狀態(tài)發(fā)生了明顯的變化，由吸附態(tài)轉(zhuǎn)向游離態(tài)，且這些游離態(tài)瓦斯會(huì)在壓力梯度作用下存在滲流運(yùn)動(dòng)[2]。從瓦斯?jié)B流--擴(kuò)散的觀點(diǎn)出發(fā)，很多學(xué)者在瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究中，往往會(huì)將瓦斯的滲流--擴(kuò)散作為研究前提，當(dāng)滲流系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)為已知量時(shí)，運(yùn)移規(guī)律的獲取可以利用微分方程的構(gòu)建和求解來(lái)獲取。

從瓦斯運(yùn)移的實(shí)際過(guò)程來(lái)看，滲透系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)在一些條件下會(huì)受到采動(dòng)條件的影響，尤其是介質(zhì)應(yīng)力、多孔介質(zhì)中瓦斯氣體的孔隙壓力變化時(shí)，滲透系數(shù)也將同步變化，而孔隙的孔隙率、孔隙壓力是決定擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)鍵因素[3]。

3 工程概況

某礦井S2205工作面主采3號(hào)礦層，平均的厚度為5.99m，賦存條件穩(wěn)定，礦層較為簡(jiǎn)單。直接頂板與泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，基本頂為中砂巖。

繪制3號(hào)礦層甲烷含量等值線圖，經(jīng)由相應(yīng)的計(jì)算，可以得出：在該礦層中的相對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到了12m3/t，這一含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常值，屬于高瓦斯礦井。工作面切眼傾斜達(dá)到了265.1m，礦層平均厚度為5.37m，循環(huán)進(jìn)度為0.8m，由于該工作面的特殊性，在通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，采用的是“兩進(jìn)兩回”，也就是的膠帶卷和進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷和瓦排巷回風(fēng)，而瓦排巷和回風(fēng)巷之間，每間隔50m的距離，就需要設(shè)置一個(gè)貫眼，在工作面推進(jìn)到貫眼位置時(shí)，需及時(shí)打開(kāi)貫眼，以提升瓦斯的排放能力。

4 S2205工作面瓦斯涌出量成分分析

4.1 采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速運(yùn)移模擬

S2205工作面通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較特殊，進(jìn)風(fēng)巷與瓦斯巷的連接處理是通過(guò)輔助切眼來(lái)完成的，運(yùn)輸巷與瓦排巷的連接是通過(guò)工作面來(lái)實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)這一特殊性，在瓦斯涌出量分析過(guò)程中，借助于COMSOL Multiphysics軟件開(kāi)展數(shù)值模擬與分析，其模擬過(guò)程中，需根據(jù)工作面的地質(zhì)條件、礦層賦存條件、通風(fēng)方式等來(lái)進(jìn)行[4]。在模擬的過(guò)程中，采空冒落區(qū)的氣體流場(chǎng)方程是模擬的主要依據(jù)，專業(yè)人員需以此方程進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，獲得最終的風(fēng)流矢量圖。

在與工作面距離較近的位置，支承作用力使得上方頂板難以隨著采動(dòng)條件保持垮落的及時(shí)性，很容易在開(kāi)采作業(yè)中形成支撐空間。在這種情況下，部分新風(fēng)在此過(guò)程中會(huì)從進(jìn)風(fēng)巷流動(dòng)到采空區(qū)域，由于在采空區(qū)域內(nèi)進(jìn)入了一定量的新風(fēng)，對(duì)此空間中的瓦斯起到了稀釋作用，瓦斯?jié)舛却蟠蠼档?，再加上存在通風(fēng)負(fù)壓作用，這些瓦斯會(huì)隨著風(fēng)流逐步流出，整個(gè)工作面范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛葘⑻幱诎踩珮?biāo)準(zhǔn)內(nèi)，為作業(yè)人員創(chuàng)造了相對(duì)安全的環(huán)境。在與采空區(qū)距離較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，瓦斯受到了壓差作用，一部分瓦斯會(huì)與風(fēng)流同步運(yùn)移。

4.2 S2205工作面瓦斯涌出量成分估算

S2205工作面采空區(qū)的瓦斯涌出非常復(fù)雜，這種情況下，瓦斯涌出量無(wú)法有效測(cè)量出，只能利用間接法來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在相應(yīng)的預(yù)測(cè)下，可以有效進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出量的計(jì)算。

5 S2205工作面瓦斯涌出規(guī)律分析

5.1 開(kāi)采初期瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

在工作面開(kāi)采時(shí)，如果要實(shí)現(xiàn)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的全過(guò)程掌握與分析，就需要從開(kāi)采初期階段開(kāi)始，在此階段中，相關(guān)規(guī)律的把握中，需保持回采與初次來(lái)壓結(jié)束時(shí)間段內(nèi)瓦斯?jié)舛刃畔⒌娜嫘耘c精確性，在這一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，工作面推進(jìn)距離為55m，在推進(jìn)過(guò)程中，隨著采動(dòng)工作的進(jìn)行，其瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)如圖1所示。

工作面初采期間，瓦斯?jié)舛却嬖诟叩头磸?fù)變化，在12月10日～12月13日的時(shí)間段內(nèi)，瓦斯?jié)舛葹?.8%，是第一次高峰值，在12月22日，瓦斯?jié)舛然旧辖咏?%，從實(shí)際的開(kāi)采工作來(lái)看，瓦斯?jié)舛茸兓c開(kāi)采作業(yè)之間存在著緊密的聯(lián)系，隨著開(kāi)采工作的進(jìn)行，工作面頂板垮落、來(lái)壓現(xiàn)象等都會(huì)使得瓦斯?jié)舛葻o(wú)法保持在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)下。

5.2 回采期間工作面瓦斯涌出規(guī)律

頂板垮落存在著明顯的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)瓦斯涌出數(shù)據(jù)的分析，伴隨著回采作業(yè)的開(kāi)展，直接頂初次垮落時(shí)，瓦斯涌出量顯著上升，這一趨勢(shì)主要是由于裂隙場(chǎng)中的裂隙張開(kāi)，瓦斯解吸、滲流更為便捷，在直接頂初次垮落以后，瓦斯涌出量大大降低，隨著工作面的不斷推進(jìn)，開(kāi)采空間范圍逐步增大，瓦斯涌出量在此過(guò)程中也逐步增大。

6 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，在礦山行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的過(guò)程中，各個(gè)礦山企業(yè)都在積極推進(jìn)生產(chǎn)改革，作為礦山開(kāi)采中最為突出的安全風(fēng)險(xiǎn)，各個(gè)礦山企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中都需要加強(qiáng)對(duì)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的分析，通過(guò)這一規(guī)律的掌握來(lái)降低瓦斯事故風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張建利.采動(dòng)影響下煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究[J].能源與環(huán)保，2019，041（004）：54-59.

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[4]尹光志.深部采動(dòng)破斷煤巖體中瓦斯運(yùn)移與富集機(jī)理及規(guī)律[J].科技資訊，2016，14（6）：171-172.