（安全技术及工程专业论文）回采工作面边采边抽瓦斯抽放技术研究.pdf

塞墼里王查兰堡主兰堡堡皇 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e so nt h ea p p l i c a t i o o ft h eb o r e h o l ec o n t r o lb l a s ti s o l v i n gt h e c o n u n d r u mo fm e t h a n ee x c e s sa n dt h er a n d o md a n g e ro fc o a l - a n d - g a so u t b u f s tw h e n e x c a v a t i n gc o a lo nt h el o wp e 珊e a b i l i t ya n dh i g hg a s s ys i n g l ec o a ls e a m t h ea r t i c l e e n t i r e l y r e s e a r c h e si t s b l a s t i n g m e c h a i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ea r t i c l e d e t a i l e d l ya n a l y s e si t sp r o c e s sd u r i n gd y n a m i t eb l a s t si n c o a l t h em a t h e m a t i c a l p a t t e m0 fn u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o n0 fd e e pb o r e h o l ec o n t r o lb l a s tw a se s t a b l i s h e d a n dt h ea r t i c l es i m u l a t e sa n da n a l y s e sr e s u l t sb ya n s y s ，t h e o r e t i c a l l yr e s e a r c h e s m e c h a n i s mo fs t r e s sd i s c h a r g i n ga n dp e r m e a b i l i t yi n c f e a s i n ga f t e ru s i n gb o r e h o l e c o n t r o lb l a s ta n dh o wt h es p a c eb e t w e e b l a s t i n gh o l e ，g u i d i n gh o l e ，c o u p l i n gq u o t i e t y a n db l a s t i n gh o l ed i a m e t e re f f e c tt h ep o s t - b l a s t i n gr e s u l t t h ep a p e rg i v e st h el o c a t i o n o fi n c r e a s i n gp e r m e a b i l i t yz o n e ，r e d u c i n gp e r m e a b i l i t yz o n ea n do r i g i n a lp e r m e a b n i t y z o n e ，a n dp r e s e n tt h ef u n c t i o nd e s c r i b i n gt h ev a r i e t yo fp e r m e a b i l i t y a tt h es a m et i m e ， e q u a t i o no fg a sn o w f i e l da r o u n db o r e h o l ew h i c hd r a i n i n ga n de x c a v a t i n gf o rd f a i n i n g g a si n c o n s t a n ta n dv a r i a t i o n a lp e r m e a b i l i t yc o a ls e a mw a se d u c e da c c o r d i n gt o p e r m e a b i l i t y t h e o r y o f p o r o u s m e d i a c o m p u t e rp r o g r a m sw e r ed e v e l o p e da n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg a sn o wf i e l da r o u n db o r e h o l ew a si m p l e m e n t e d m o r e o v e r ， i n d u s t r i a lt e s tw a sc a r r i e do u ti nt h em i n i n go fq i n n a n ，l a y o u tp a r a m e t e r sa n d o p t i m u mp o s i t i o no fb o r e h o l e sw h i c hd r a i n i n ga n de x c a v a t i n gf o rd r a i n i n gg a sw e r e d e t e r m i n e d ，a n dt h er e l a t i o n so fa m o u n to fd r a i n a g ep o w e ra d n u m b e ro fb o r e h o l e s w e r ea l s os e t t h et e x tw a ss u c c e s s f u l t h er e s e a r c hs h o w st h a tb o f e h o l ec o n t r o lb l a s tc a nr e d u c et e r r as t r e s sa n dg a sp r e s s u r e e f f e c t i v e l y ，w h i c hc a nw i d e l yu s e dt 0i n c r e a s eg a s d r a i n i n gq u a n t i t ya n da v o i dc o a l a n dg a so u t b u r s t c h a r t 【3 5 】t a b l e 【1 3 】c o n s u l t i n g1 i t e r a t u r e 【3 7 】 k e yw o r d s ： g a sd r a i n a g ew h i l em i n i n g ；g a sd r a i n a g e ：b 1 a s t ； d e e pb 0 r e h o l ec o n t r o lb l a s t i n g ； n u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o n l i 独创性声明 本人声明鼹量交麓学位论文楚本人农导痔指导下遘行曲研究工 作及取得蛉研究成果。妊我麝知，狳了文中特别加淡标注和致谢酌地 方以外，论文中不包含其他入已经发袭或撰蜀过的研究成果，也不包 含为获褥塞皴堡王太堂或葵德教育桃兹的学位或谖书瓤靛惩 过的材料。与我一同工作的同志对本磷究所傲的任何贡献均已在论文 中佟了捐确戆说明并表示瀑意。 学位论文作糟签名：谴日期：碰争冀j 珏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者竞全了熊塞擞壅墨态堂凑保瞽、旋耀学位论文戆规 定，帮：研究盎在校敬读学位期闻论文工作酌知识产权单位属于立 熊夔至太鲎。学校有权保馨并商国家有关部门或帆鞠送黛论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以搀学位论文鲍全部或部分凑容绽入煮关数据簿进行检索，可以采 髑影印、缩印或毒曩搓等赛剁手段保存、汇编学位论文。( 保密骢学位 论文在解密后适埔本授权书) 学位论文作者签名：1 碱 导烙挠刮吁 签字汉期p 静。辞6 月旧 签字瑟熬。辞5 月f 鬻 缝宦 l 。l 嚣款疑嚣欺攀艘 王绪言 我国煤炭资源丰寓，分稚地域广阔，煤炭产量腮世界蓠位。煤炭楚我国国魁 经济和牡会发疑的基旗。煤炭在我国一次能源生产葶爨浸费续构串始终占7 0 铬左舞； 预测到2 0 1 0 年煤炭占6 0 左右，2 0 5 0 年将占5 0 以上，因此，。煤炭程相豢长灼时期 内仍将是我国的主要黢源。毒蘸，快速增长豹经济，对煤炭工效发展撼蹬了矍糍 的要求。为此，必须确保煤炭工业持续、稳定、健康地发展。我国煤矿主要是井 下开采，生产环境条 拳复杂，与其它霉亍数耀魄，煤矿安全戈为重要。 对高瓦斯矿井而言，煤矿生产过摆中的最大安垒隐患就是瓦凝事故，表l 搀我 国1 9 9 0 颦到2 o 年一次死亡3 人以上蘩大琵絮事故毂死亡人数及占憨甄亡人数懿 比例。 表 1 9 0 霉到2 0 0 0 年次毙亡3 人以上藏夹鬣新事靛酾张亡人数敬占慧死亡人数的忱例i l j t a b l e l 疑a i oo ft h ed e a 攮滚搬e 娶a sa e c i d e 摊 o fw h i 娃宓o f e 也鑫珏3 聱e o p l ed e 8 t o 如el o t 舔d 搴鲁撩 蠹o m1 9 9 9 t o2 e 年傍1 9 9 2 1 9 9 31 9 9 | 毒羔9 9 5l 努9 6圭多擘71 9 9 81 9 9 9 2 8 0 0 三夫以上琵糍 事故死亡人数 1 3 5 81 6 7 52 1 5 7 2 1 6 22 5 8 53 0 8 02 4 7 02 4 8 92 6 0 0 占鼹死亡人数 的比侧，妫 2 7 4 83 i 。1 73 0 ，43 3 8 s 4 0 ；3 7 4 5 6 1 4 0 2 74 5 1 i4 4 9 l 滏上表哥激鞠撼看出：一次死亡3 久绫上蘩大税新事t 放所占纯饲逐年上升，最 高遮到4 5 6 l ，1 9 9 6 年戳籍一赢保持在4 0 以上。因此，瓦新事故婕我国煤矿安 全事故耪高不下豹主蘩矛_ 蓊，有效控涮瓦衔攀故的发生麓解决我国煤矿蜜龛问题 的关键。 国予瓦麓攀故静筑窖极大，清除琵新搴馥隐患鬻要花赞较多的对闻、空间鞠 费用，辩高瓦斯突出矿并，机械纯采籀设备很难发挥效用。因此，瓦斯灾害事敞 豹藏耪瞧裰大黻翻了漾矿象产蕊模、生产效率和经济效益的提商。瓦籁灾害靛有 效控制髭保证藐淘煤凝工业可持续发展的个关键性问磁。 然褥，瓦颓又疑一种饶穗资源，时媒犷瓦斯迸行抽旅并加敛利用，可阻给煤 矿带来较好的经济效益。我国埋藏2 0 0 0 小以内浅瓦斯资源量( 煤层气) 约3 0 肭3 ， 相当予麴4 0 国标稚媒，按撬濑埂裔麓耗称礁。福警予我醚约曛穗2 7 年滟髓源。 瓦斯还怒一种潞鲞气体，温室效麻是= ：二氧纯碱的2 1 倍，拔生产吨煤排熊】o 脚3 窒墼里三奎兰堡主堂垡堡塞 瓦斯估算，近年在煤炭生产过程中涌出的瓦斯量约1 4 0 亿聊3 ，其中抽放量约1 2 亿小3 ，利用量不足5 0 ；因此年排入大气中的瓦斯产生的温室效应约相当于排放 2 亿tc 0 2 。过去2 0 0 3 0 0 年来，大气中甲烷浓度己增加一倍。据测算，大气中甲 烷浓度每增加1 1 0 4 瞎珊3 ，可导致地球表面温度增加1 。 1 2 瓦斯灾害的治理对策【2 】 总体而言，瓦斯眙理的方法有两类：一是加强矿井通风，稀释并排放矿井涌 出的瓦斯：二是加大瓦斯抽放力度，弥补矿井通风能力不足。 ( 1 ) 煤矿安全规程严格规定了“每一矿井必须建立完整的独立通风系统” 和“每一矿井都必须采用机械通风”。尤其对高瓦斯矿井重点加强和改善矿井通 风技术与管理水平，包括矿井通风系统改造，更新通风设备并增大通风能力，建 立有效的通风工作管理制度，安装矿井环境监测系统，加强以掘进工作面通风为 重点的井下局部通风系统的管理。 ( 2 ) 对于瓦斯涌出或突出严重的矿井，为了保证安全生产不受影响，单纯依靠 通风的方法来解决瓦斯问题，往往技术上不可行、经济上不合理。因此必须采取 根治矿井瓦斯源的有效方法，即瓦斯抽放。瓦斯抽放的作用有：一是减少煤炭开 采过程中的瓦斯涌出，避免发生瓦斯爆炸事故，预防煤与瓦斯突出，以保证矿井 安全生产；二是便于瓦斯能源的利用，变害为宝，创造良好的经济效益；三是减 少矿井瓦斯向大气排放量，防止环境污染，以产生良好的社会效应。我国从5 0 年 代初开始，首先在我国抚顺矿区开展抽放本煤层瓦斯，此后又相继研究并成功推 广应用了邻近层抽放瓦斯、采空区抽放瓦斯、低透气煤层强化抽放瓦斯等技术， 以及包括瓦斯泵、钻机钻具、抽放系统配套装置和瓦斯抽放动态监测系统等设备。 1 3国内外瓦斯抽放的现状与存在的问题 1 3 1 我国煤矿瓦斯抽放的发展及现状 我国工业抽放瓦斯始于1 9 3 8 年的抚顺龙风矿，但系统地连续抽放瓦斯是1 9 5 2 年在龙凤矿建抽放瓦斯泵站开始的。经过几十年的发展，无论瓦斯抽放方法，还 是抽放瓦斯装备等均具有较先进的水平。到2 0 0 1 年底，全国已有1 8 5 个煤矿建立了 井下瓦斯抽放系统和地面输气系统，2 0 0 2 年全国瓦斯抽放量达1 1 4 6 亿m3 ，其中 阳泉和抚顺矿区连续多年抽放量均超过1 亿胁3 ，阳泉为1 9 9 亿m 3 ，抚顺为1 3 1 亿 肌3 。晋城、淮南和盘江的瓦斯抽放量也都迅速增加。据1 9 9 5 年各类矿井瓦斯抽放 率统计见表2 ： 稿 袭2 我豳矿井瓦斯抽放草统计衰1 1 l 瓦斯抽放率 3 0 2 0 一3 0 1 0 2 0 1 0 矿势数 2 7圣l3 5l 占统计资料总数的 比例 2 2 13 3 62 8 71 5 6 | 9 9 8 年戳来，港南矿藏集韬公蠲逶过改避撞放方法、惩薪改造瓦斯 蠡敖系统 及添谶新的打钻装备等措施，瓦斯抽放量迅速提高，1 9 9 7 年为1 0 4 5 砌3 ，1 9 9 8 年 鸯2 2 6 0 玉箨3 ，1 9 鳃年蠢3 7 5 2 赫”3 ，2 0 0 转年为4 9 4 3 磊翻3 ，2 1 年为7 1 3 3j i 锄3 ， 2 0 0 2 年已达到1 0 9 7 0 枷3 。矿井瓦斯抽放率由1 9 9 7 年的4 提高到2 0 0 2 年的3 3 ， 冀中8 窿矿井瓦薪插敖率这掰3 5 篱疆主， 鸯 一矿矿井瓦额赫旅率这蓟4 3 篱。黼着瓦靳 抽放墩和矿井瓦斯抽放率的提高，采掘面的通风状况得到改善。龛矿区瓦斯超限 次数l 8 年为1 3 3 3 次，1 9 年为8 9 6 次，2 0 年为3 8 次，2 0 0 i 年为2 7 6 次。2 0 0 2 年 仅为2 2 2 次。 1 3 2国外禚瓦斯灾害防治方面的研究成槊及现状 剃嚣静为止，毽界上有1 7 个采煤蟹家滋行了鬣新撞放，其串淼苏联、德国、 英国、中西、法国、茨国、波兰、e i l 本、澳大利亚蒋国家年抽放甄斯总量都超过l 亿搬s ，其中磁苏联翮放量最多。据统诗资籽，整莽主要产潆国家的煤矿瓦斯摘放 发展情况见表3 ： 表3 璧券主要产豢国家描教磊蓊鬟 1 h b l e 3o u a n t i t yo ft b ee x t r a c t i n gg a si ni h em a i n l yc o u n t r yw h i c he x c a v a t ec o a l 8o ft b e w o 霸莲 序 图 年份 号象 1 9 7 转 圭登7 51 9 瓣1 9 8 51 9 8 5 1 9 8 7i 9 8 8王9 8 争1 9 9 01 9 9 21 9 9 5 l中国1 7 0 0 2 0 0 02 7 6 03 2 9 13 2 2 1 3 2 7 7 3 5 7 7 3 8 1 64 2 2 95 3 4 16 0 0 4 2苏联7 5 8 。21 2 9 l 。3l ? 2 0 5 2 1 2 82 潞52 甜l 3波兰2 2 1 2 2 s2 5 83 2 43 2 4 ，3 03 3 03 3 0 4荑零5 l6 0l 孵2 2 02 矗o 4 5 0 5 德园 s 7 7 46 1 3 2 6 9 0 66 9 76 3 7 4s 6 6 56 1 8 ，45 3 4 9 6美薅5 0 蓐 4 3 24 9 s4 3 6 0 3 9 03 5 9 。o 7珐阁 2 7 02 8 92 6 8 1 8 01 8 11 7 8 这些酱象繇把瓦斯籀敬王释佟为淹瑗巍麓静生产工旁，楚麓甄新台耋l = 煤层开 采中，个必一i j 可少的工萎j ：= 诲。采用j ，总体综合瓦斯抽放协系二即采荫坝抽，觚 安徽理工大学硕士学位论文 地面钻孔及井巷水平钻孔等，采掘过程中边采边抽，如巷道抽放和钻孔抽放方法 等；采后老空区瓦斯抽放，如地面向采空区打垂直钻孔、采空区水平钻孔和采空 区密闭抽放等。他们主要采取大力发展抽放技术及方法和研制与之相关的抽放设 备等措施，千方百计的加大瓦斯抽放量。据资料记载，英国、原苏联、日本、德 国都有着较早的瓦斯抽放历史，但抽放量都较小，世界各国正规的抽放瓦斯工作 是从4 0 年代末至5 0 年代初开始的；随后，抽放方法不断增加，瓦斯抽放技术也逐 渐提高，抽放规模日益扩大。自1 9 5 1 年以来，煤矿瓦斯抽放工作得到了迅猛的发 展，据有关资料统计表明：在1 9 5 1 1 9 8 7 年间，世界煤矿瓦斯抽放量基本上是呈线 性增加，自1 9 5 1 年的1 3 4 1 0 6 棚3 增至1 9 8 7 年的5 4 3 0 1 0 6 ，增加了3 9 倍。这种 瓦斯抽放量的迅速增加，一方面是由于瓦斯抽放技术和设备性能的提高，使单个 抽放矿井平均年抽放量增大；另一方面则是由于随着煤炭产量的增大和矿井向深 部的延伸，高瓦斯矿井增多，导致了抽放瓦斯矿井数增加。 1 3 3 我国煤矿瓦斯抽放工作存在的问题 我国煤矿瓦斯抽放工作虽然己得到很大发展，但是由于认识、资金、生产的 影响，还存在很多问题，集中反映在： ( 1 ) 抽放瓦斯总量少；矿井瓦斯抽放率低；吨煤瓦斯抽放量( 相对瓦斯抽放 量) 少，吨煤钻孔量少；综合抽放工作不足，装备和管理水平有待加强和提高。 ( 2 ) 煤层的透气性差。改善特厚低透气性煤层透气性，提高矿井瓦斯抽放率 是瓦斯抽放工作中值得深入研究和急待解决的问题。合理选择抽放方法、改进抽 放巷道布置、优化抽放参数、提高封孔质量、扩大抽放范围等技术对策是提高瓦 斯抽放率的几种有效途径。 1 4 提出问题 1 4 1 深孑l 控制预裂爆破【1 】 针对高瓦斯低透气性煤层透气性系数低的特点，可以在工作面前方的煤体中， 打深5 0 小以上的炮眼，装药爆破，使炮跟周围的煤体在炸药产生的爆压作用下， 产生破裂和松动，从炮眼沿径向由内向外形成三环分布：破碎圈、松动圈和裂隙 圈。 这种方法的特点是在爆破孔的周围增加了辅助自由面( 控制孔) ，爆破后不仅 在相邻孔边线方向产生贯通裂隙，而且能在其它方向产生裂隙。预裂爆破的作用 机理可概括为：炸药在钻孔内爆炸后产生的应力波和大量高温高压爆生气体在爆 4 绪。裔 破近区形成聪缩粉碎区，使煤体固体骨架发生变形破坏，形成爆炸空腔：在爆破 中区，应力液过君，爆生气俸产生准静态成力场，并楔入空腔壁上己经张开的裂 隙中，使裂隙进一步扩展，进而在钻孔周围形成径向“之”字形的交叉裂隙网； 在瀑破远嚣，宙予控制孔的作用，形成反射拉律波与径商襞隙灸端处豹疲力场相 互叠加，促使径向裂隙和环向裂隙进一步扩展，大大地增加了裂隙区的范围。蠼 看，德煤体内形成强爆破琵为中心豹影响藏围为5 1 5 倍钻孔煮饺的连邋裂隙嘲。 1 4 。2 谤究妻冬主要内套 ( 1 ) 实验矿区地质考察，收集相关资料。包括突出煤层瓦斯鹾力、透气性系数、 煤层瓦斯含激系数等基础参数测定； ( 2 ) 确定淞北矿区煤层赋存条件“f 合理的爆破孔署n 抽放孔的位爨，回采工作碾 边采遮插时静抽放瓦斯工艺及技术参数( 甑括钻我的有效摘放瓦斯半径、钻孔畿 径、钻孔长发、有效抽放时间、钻张间距及数量秘抽放时间) 3 ) 爆破孔和抽放瓦斯钻孔掏围爆破后煤体瓦新流动的计算机模拟，分析煤艨 赋存参数、抽放参数对钻孔抽放瓦斯效果的影响；模拟比较不同时间段的瓦斯流 场，分析抽放的效莱。 ( 4 l 现场实验研究。现场实测数搬与模拟结果进行比较分析，分析误麓原因。 现场实际对钻孔抽放瓦斯的适用条件以及佟用静效果迸弦合理性研究分析。考察 采用边采边抽抽放瓦期措施前后的煤层突出危险性指标，避一步宪善设计。 5 安徽理工大学硕士学位论文 2 煤层瓦斯流动规律研究【3 】【4 】 2 1 煤层瓦斯压力 煤层瓦靳压力是指煤孔隙中所禽游离瓦斯的气体压力，即气体作用予孔隙髓 的压力。它怒煤层瓦欺含量的一个主要因素，当煤的吸隧嚣努能力橱周孵，煤屡 瓦斯聪力越裔，煤中所含瓦斯量也就越大。 瓦斯压力的大小取决于煤生成以后，煤层瓦囊的搀赦条l 牛。覆琵簸的羲 放又 与覆盏层厚度、透气性能、潮甄质构造条件以及覆盏层的含水性密切相关。在煤层 赋存祭件和地质构造条件变化不大时，同深度鍪煤层或阉一煤朦在噻一深度熬 各个地点，煤层瓦斯愿力是栩近的。 柱地质条馋不变的情况下，煤艨瓦豢压力随涕嶷的变能援律珥鼹下式( 2 1 。1 ) 表示： p ；p 。+ 拼( 一日o ) 2 1 1 式中， p 一在深度芹处嚣矮压力，舷阪i 一一瓦斯风化带深度的瓦斯压力，取为o 1 5 o 5 m 黜； 王 。一一距地袭垂深、瓦额鼹f 化带深度，班； m 一瓦斯压力梯度，腻妇m ；资料显示，我圈瓦斯压力梯度一般谯 o 。0 0 7 o 0 1 2 撼p 窿加变化。 测定煤层瓦斯聪力时，通常是从围岩祷道( 材门或围岩钻场) 向煤艨打孔径 为5 0 7 5 掇埘的链魏，孔中敖测压餐，姆镳强密封爱，震压力表嶷接进褥测定。 为了测定煤层的原始瓦斯压力。测定地点的煤层应为未受采动影响的原始煤体。 测定熬方法分填料法髑越空器法薅炎。 2 2 煤层瓦斯含量【1 】【扪 煤层的瓦斯含量是指单能质量域体积的煤体中所含有的瓦斯嫩，是吸附和游 褰强耱状态嚣凝量躲憋和，攀位斌髟g 袋嫩3 矗，帮： x tt 十z ，( 2 2 1 ) 式中， 卜一煤的瓦斯含爨，m 3 a ； 盖，一一煤的吸隆瓦簸会量，掰3 矗； z ，一一煤的游离瓦斯含量，朋3 f 。 煤层脱斯流动删律研巍 ( 1 ) 煤的吸附瓦期禽量计算 煤静暇辩瓦斯禽量目前一般按朗格缪j l 方程计算，在计算串同时考虑煤中水 分、w 燃物酉分比以及温度的影响，即： 邑= 老抄f ) 矗啬警( z 舢)1 + 幻1 + o 3 埘1 0 0 式中， 晨。一一煤的吸附瓦斯禽量，卅3 ； f 。一一实验室溯定煤的吸辩常数靖的实验室溢度，； f 一一煤层温度，： 椎一一经验系数，一般可按下式计算： 丢一霆葫秀罴赢罅t 2 3 p 一一煤层瓦巅压力，贬 疗一一系数，m p 口，取值为1 ； a ，6 一一吸附常数，坍3 a ，越陬； 爿，膨一一煤中灰分与水分，。 ( 2 ) 煤的游离瓦羝含量 一般情况下，煤的游离瓦斯含缀是按气体状态方程进行计算的，即： x 一鳖7 劢。亭 式中， z 。一一煤的游离瓦斯含量，小3 fi y 一单位矮量煤瓣窆溅容积，麟3 矗； p 一瓦斯压力， 砌； 嚣、热一一标准状态下的绝对瀵发、 丁一瓦斯的绝对温度，鬣； f 嚣鼙黪摄茨湛度，； 车一一瓦斯压缩系数。 在实际计算中，为了筠纯诗箨， 和瓦斯压力来计算游离瓦斯摄，即： 压力，2 7 3 鬈、0 1 0 1 3 2 5 溅& ； 在濂是工纛要求豹藤途等，霉粟惩建溱攀 菇。= 两妒( 2 2 5 7 安徽瑾工夫学硕士学位论文 式中， 雌一一煤的孔除率； 嚣一一系数，m 3 摩- 托阮) ，敬德为l ； p 一瓦斯雁力，倒翰。 将( 2 2 2 ) 和( 2 2 4 ) 代入式( 2 2 1 ) 中，褥到煤层瓦斯含藿为： 羔一器+ 志，确0 _ f ) 志等c z 删勋。亭1 + o 3 n 5 r l + o 3 饼1 0 0 。 则煤中瓦斯含量与温度和厩力的关系觅下闰f 4 l 所永： 1 8 1 2 咖f 缸8 糠 豫 4 ! x ，_ ，! ! 兰一 f 钐多 | 、钐多 一 p 一 彩 。 _ 0 1 234 56 瓦氟鼹如 妒| m p 曲 豳1瓦斯客量事n 温度、压力的关系 c h a f t lr e l a t i o no fl h eg a sc a p a c “y ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e 奴强中可以凑文：农瓦疑压力比较低时，吸跗瓦羝量占绝大部分；随着嚣欺 压力钓增大，吸瓣琵袈爨濒趋锪和，恧游聪瓦熳所占媳比捌则逐濒提裹。在深部 遗层巾，当嚣疑难力较建时，煤层翻岩层魏踩中魇含有的游凑瓦颊爨往往可以达 到耀强大约数藿。 2 3 煤层透气性系数f l l f 4 】 煤屡透气性是煤层对予嚣颧滚动静阻力，递常用透气牲系数表录。遴气性系 数越大，瓦耨在煤鼷孛滚动越容易。爨层透气性系数熙竞表示，我困黄遍用豹单 像是搬2 勰2 蠢，箕物理意义楚在l 米长豹煤髂上，当嚣力警方差秀l 五纳2 时， 遥过l 掰2 煤甏断疆，每翻流过黪瓦精立方数。l 搬2 届鳓2 蠢翊当予o 。0 2 5 柚。 中国矿照大学在实验室用榴镁模拟试验懿方法送行试验，并戳樱似准数表达 麒菇如鳓嚣：动撬律磷巍 了试验黪结粱。 径商不稳定流动的计算公式为； y 一肆瑶。( 2 3 1 式中， y 流曩壤数，恶缀次； 焉一一鞋阕难数，无蜀次； 8 、务一一无困次鬃数。 h 獗署。轰。，a ( p j p ? ) ”“ 蜀一等( 2 3 圆僦 式中， 热一一煤层艨始绝对馘斯压力，耐黜； a 一一钛孑l 中嚣裁聪力，般趣o 。l 贬阮； 蠢一一煤层透气校系数，掰2 膨阮2 矗； r l 一一钴孔半径，撼； 窖一一在撑放对溜为瓣，键强潆壁攀键嚣羧戆瓦鬻滚爨，辫3 国2 - 矗) ； g m 彘罐a 4 ) q 一一在艇闻为i 辩溅遨的链我溅量，掇3 弦； 玉一铺瓿觅媒长液，一般为煤鼷厚度，辫； t 献铬孔卸压剿测定链孑l 瓦颧流量斡避瓣，矗； d 一一煤爆瓦颧食爨系数，m ，融s 。 帆) 弼) 舭( 2 。5 ) x 一媒的瓦新含詹，m 3 锄34 p 一一确定瓦斯禽爨辩的瓦麓聪力，越黝e 为了篱化计舅，根据嚣出如下计算透气性的公式： y ，拿，一。仁3 的 安徽理工大学硕士学位论文 r 一曰a ( 2 3 7 ) 式中， 爿。击曰；萼( 2 3 8 ) p i p i 半i 。 由于流量准数和时间准数的关系难以用简单的公式表示，故按时间准数，0 分 段表示，得出下表计算透气性系数的公式【1 】【4 】： 表4煤层透气性系数计算公式 t a b l e 4f o r m u l a so fc o u n t i n gg a sp e r m e a b i l i t yo ft h ec o a ls e a m s 公式 民a 计算公式 4曰 f o = 1 0 一1 a 昝4 16 1 8 0 6 11一o 3 8 加p 南i p j r 一1 1 0 a ，爿13 9 b o “10 2 8 曰：蜂 r = 1 0 1 0 2 1 埘1 ”b 0 2 5o 9 3一o 2 f 0 1 0 2 1 0 3 a 一1 8 3 4 1 1 4 曰o 1 3 7 o 5 8 8一o 1 2 f 0 ；1 0 3 1 0 5 a 。2 埘“1 口0 1 “ 0 5 1 2 0 1 f n = b 九 f 0 = 1 0 5 1 0 7 a 。3 1 4 爿1 ”b ” o 3 4 40 0 6 5 由于计算透气性系数的公式较多，须采用试算法来确定选取的计算式，即先 选一个式子计算出a 值，然后将算出的a 值代入式( 2 3 7 ) 中，校验f n 值是否在 选用公式的适用范围内。如果是，则选式正确，算出的a 即为煤层透气性系数； 如不是，则需重新选公式计算值，重新校验r 值是否在选用公式的适用范围内。 以上方法确定的透气性系数，一般为煤层原始透气性系数。由于在煤体中打 钻、开掘巷道等影响，使得靠近钻孔及巷道边缘煤体的透气系数大大高于原始透 气系数，这样一来，如果按等透气系数进行解算，所得结果可能和实际有所差异， 为了改变这种状况，可以采用变透气系数。 变透气系数的确定方法是，假定钻孔或巷道影响范围以外煤体为原始透气系 数，而影响范围以内煤体的透气系数按负指数规律变化。其变化的计算公式【6 】为： 式中， 1 0 l 、， xv 1 0 u l舱 a 旷 一a = 矗 a a 煤层瓦斯巍爿j 规佯研艽 兄煤壁暴露面处的透气性系数，肌2 砌2 d ： a 一一煤层原始透气性系数，m 2 胁2 d ； 爿一一系数 其变化规律如图2 f 5 】所示。 图2 煤壁附近透气性系数的变化 c h a r t 2c h a n g eo fg a sp e r m e a b i 】i t yn e a rt h ec o a ic l i f f a 一般由模拟方程确定，首先假定a 代入方程进行解算，把解算结果与实测 结果对比，从而确定符合要求的 值。 2 4 瓦斯在煤层中的运移规律 煤层是孔隙一裂隙介质，其中充满微小的孔隙和裂隙，煤体是孔隙和裂隙的 集合体。瓦斯在中孔以上的孔隙或裂隙内的运移可能有层流和紊流两种形式，而 层流运移又可分为线性和非线性渗流，紊流一般只有发生在瓦斯喷出和煤与瓦斯 突出的瓦斯流动，在原始煤层中瓦斯的运移是层流运动。 2 4 1线性渗透 当瓦斯在煤层中的流动为线性渗透时，即瓦斯流速与煤层中瓦斯压力梯度成 正比时，呈线性规律，符合达西定律，即： gta ( 只一冀) l f 2 4 1 ) 式中， 旷一一比流量，m 3 ( 卅2 - d ) ： a 透气性系数，2 2 d ) ； 只一入口处瓦斯压力平力，朋如2 ： p 一一出口处瓦斯压力乎一0 m m 。； 安徽壤：大学壤士举健谂交 一燃样长度，勰。 2 4 2 j 线憔渗透 当髯诺数大予一定夔以震，嚣焱褒漂爨中鹣滚动即娃子薛线性渗流褥举黢默 达器定律。在嚣线性渗流条份下，魄流量与蘧力差之间酶关系可粥攒数方程表示； 驴一a ”一+ 4 国级一 i t 叫。) 戴中， 吼一一程点韵魄流羹，撒3 觏2 西) ； 磁一一渗透指数，黻m 1 2 ； 艚琵簸聪力警方的差，趔黝2 ； 踟与瓦新流动方翻一致的莱一掇小长度，m ； a 一一煤层透气性系数，搬2 膨黜2 矗) 。 警a = l 时，( 2 。4 2 ) 式萄达西定律藕黼；当m ，1 时，表明随着雷诺数增大， 流体流动对在转弯、扩大、续小等髑部缀力处弓l 起靛匿力攫失增大致使毙浚壁致辫 低，诧时流体在多孔介质中韵流动就表现为稚线性渗流。 2 ，5嚣斯在煤层中的流霸麓簿鞠f 7 ( 1 ) 按时闼因素分，滚动类燮霹分热稳宠溅魂鞠棼稳定滚旗强耪类墅，辩者滚 韵场不随时间衙变化，厩者流动场剃随时间而改变。 f 2 ) 按滚场浆空阏浚波分类 警篁拳i 豳3 煤屡瓦斯单向流动示意豳 一一嚣辩流线2 一锋瓦精蓬舞线 c h a r t 3s k e t c hm a po f8 i n g l ed i f e c t i o nf l o wo fg a si nt h ec o 蚰s 妊m s 盖一一髓e | l 。硼 i e 醒垂s2 一一l b 鑫 o fg a s 单向流动猩鼽y ，z 三维空间内，只有一个方向有流速，冀余两个方向 、；kj 燥层优斯流动规棒研究 流速为零。如图3 所示。 球向流场一一在x 、y 、z 三维空间内，一般在三个方向都有分速度，如在矿 井厚煤层中，煤巷的掘进工作面煤壁内，钻孔或石门刚进入煤层时从其中涌出的 瓦斯流动基本上都属于球向流动。球向流动的特点在于，在煤体中形成近似同心 球状的等压线，而流线一般呈放射网状。 径向流场一一在工、y 、z 三维空间内，一般在两个方向有分速度，而第三个 方向的分速度为零。例如钻孔垂直穿透煤层时，在煤壁内的瓦斯流动基本上就属 于径向流场。一般情况下，其瓦斯压力线平行煤壁呈近似同心圆形，如下图4 所 示。由于径向流动一般是平面流动，可采用x 、y 两向直角坐标表示，也可采用极 坐标r 、口表示。 图4 煤层瓦斯径向流动示意图 1 一一瓦斯流线 2 一一等瓦斯压力线 c h a r t 4s k e t c hm a po ff a d i a lf l o wo fg a si nt h es e a m s 1 一一t l l en o w nl i n eo fg a s 2 一一i s o b a ro fg a s 实际煤层是非均质的，因此，瓦斯在实际煤层中的流动属于非均质层中的径 向流动。 丌 i蚓 z 矽衫钐钐殄勿彭嬲黝 tr l r 一 d r 图5 瓦斯在煤层中径向流动瓦斯压力分布 c h 8 r 1 5s t r e s sd i s p o s a lo fr a d i a ln o wo fg a si nc o a ls c a m s 在非均质煤层中，煤层的流动仍遵循质量守恒和连续性方程，故瓦斯在非均 质煤层中的径向流动有： 枷望+ 堕：o ( 2 烈) 安徽理工大学硕士学位论文 坌。飙糯移，芒( 2 羔2 ) 式中， q 一一钻孔的瓦期涌出量，卅3 加； 臌一一煤层霪瘦，掰； 一一煤层透气性系数，卅2 m p 口2 d ； x 一一煤的瓦斯含量，m 3 m 3 ； 尹一一爨震中嚣袈压力懿平方，跹& 2 。 令a = ，( ，f ) 一a o r ( f p “，又豳前面：盖m 掰p ，则得到瓦斯在非均质煤层 中的径向流动时的微分方程： 詈一等竽言r 8 詈卜2 置s ， 出r 毋静i 、7 其初始条件为：f - o ，p - r p ；( 2 5 4 ) 其边界条件为： ：4 二p ：置f p 乏： 。( 2 s 1 5 ) l r 一，p - 瑞- p j 、。 尽前，一般无法得到解板式，只艇借助予计嚣机进行计箨求得数值解。 2 6 瓦斯渗流数学横型的建立 建立煤层中瓦斯流动的数学模型，实际上就是要找一个描述它的合邋的偏微 分方程并辘定其定解条耱。一令正确霹靠瓣嚣袋渗漉数学摸熬疲当是实鼯蟪下潆 层中瓦斯流动系统的复制品，也就魑说，当施加人为豹或自然的影晌对，数学模 型的响应与实际渗流系统的反应应当究全一致或非常接近，傻实际上要做到这一 点缀嚣鼹。簧先是选用静方程类鍪攀一定舍逶，其次蹩送入方程孛豹系数靼煤层、 岩石的性溪参数无论在现场或实验蜜都难戳准确获得，就是边界条件、源汇项等 也往往缺麓可靠的资料。因此，我们只能根据对地下静态地质资料的认识，初步 确定一个横燃，然最利用动态鼹察资料对这一模溅进行校互e ，或称识别，葵任务 是： ( 1 ) 研究所选取f f 勺方程是否邋当； ( 2 ) 确定方程的系数； ( 3 ) 检验定察祭 孛。 】4 煤燕鼠疑蕊确窥津讲究 2 。6 ，l 渗溅模型戆基本舞糕f ”l 煤蓑嚣凝渗滚熬数攀搂墼，麓遴涟臻述潆鬃鬣瑟漉漤懿鞠个基本穷爨来建立 的。这四个簇本方程是：煤层瓦斯流动的连续性方程、煤层瓦斯运动方稷、瓦斯 气舔蟾状态方程窝瓦繁含鬣方程。 2 。6 ，1 1 煤藤瓦斯流动的连续性方程 警瑚( p 矿) 吨亿6 1 ) 式中， p 一一当瓦斯篷力为p 时的密度，k 3 ； 垂一一孔豫搴，弼 v 一瓦蘩运移濂发，拱3 泐2 痞) 。 2 。8 1 2 煤释瓦鬻瓣运魂方程 对于不同瓦斯渗流横魁的运动方程的表述也不同； ( 1 ) 线性渗遂摸鍪 矿啡卜0 誓卜 6 固 ( 2 ) 非线性渗透( 1 ) 模型 办m “( 警) 8 2 赢s ， 式串，毒* 露氏2 妒。 。 ( 3 ) 嚣线性渗透2 ) 模型 矽* m 一叫蓑) ”( 2 腻4 ) 式中，嘏轰嚣绫瞧系数， 2 。 2 ，6 1 3 蠛爆瓦斯的状态方程 p 一譬p ( 2 敲s ) 式中， p 邕嚣斯聪力为p 时豹密度，姆m 3 ； 凡一一当夏斯压力蠢冀时盼惑菠，酶加3 ； 跫豁礁凝怨。f 豹琵赣聪力，掰豫； 安徽理工大学硕士学位论文 p 一一瓦斯压力，腻p 口。 2 6 1 4 煤层瓦斯含量方程 在本文2 2 中提到的煤层瓦斯含量方程为： x 吐蝎= 筹+ 嵩肌( 2 6 6 ) 式中， 卜一煤的瓦斯含量，m3 ； x 。一一煤的吸附瓦斯含量，m3 ； x 。一一煤的游离瓦斯含量，m 3 f ； n 一一煤的最大吸附瓦斯量，g 删3 ； 6 一一煤的吸附常数，1 m 砌； n 一一煤的孔隙率，； p 一一煤层瓦斯压力， z 心； 晶一一标准大气压，昂一o 鼢； p 一一瓦斯密度，培m 3 ； 一一煤的容重，g 洲3 。 2 6 2 各种模型的数学控制方程 不同模型满足的微分方程。经过数学推导得出不同煤层瓦斯流动模型满足的微分 方程。 ( 1 ) 线性渗透模型 等= 譬咧a 等卜亿s 刀 十v l f ， ， 以口 、 a ，l 。 、7 ( 2 ) 非线性渗透( 1 ) 模型 警一和v m 矧仁a 固 一d z v l l li， r 、 a f口 iid ，ljl 、。7 ( 3 ) 非线性渗透( 2 ) 模型 詈= 咎v 卜p “ c z s 以 a l胁ji i 7 i 胺。h 州瓤嘲“津研究 2 6 3 初始条件和边界条件 当一个物理问题能被几个变量描述时，如要得到完整的解，必须有同样数闷 斡方羧。这麟震要是解条l 孛( 翅始条肄帮途雾条传等) 采蛰充，求褥疆一懿方程 的解。 建立数学模型爱，微分方程只莛对这类物理瑷象箨定缝秘爨达，势不惫接宠 量数据，所以它可能有无穷多个解。如果羧从中得到我们所需要的解就必须根据 窦嚣条俘羚炎定鼹象传，这魑条 孛一般毽耩： 发生这一物理现象的区域和几何形状； 影凝遮令裙毽现象豹勃理参数霸系数； 描述所研究系统的初始状态的条件； 阚瑟嚣域的逡器条转。 上面提到的微分方程都是描述某一流场，且流动是限制在某一特定的空间发 尘戆。沿着这些滚臻边雾越支髭撂臻黪象转逶常威必边器条簿；褥试验绫诗霎开 始时流场内熬个状态或流动支配条件则称之为初始条件。 式中， 一一裂陈扩畿壤间长度，掰。 一一地应力，m 阮； 螺一一孔壁压力，腻阮。 随着地威力的增大，应力强度因予k ，星线性下降趋势。在躐炮孔中心较远的 健置，爆生气体准静态驻力已大大降低，弼榉爱，邈大大降低。当爱，衰减到一定德 时，爆破裂隙停止扩展。裂缝失稳扩展条件为： 定，麓挺耐( 3 ，2 1 3 ) 鼠中，一一劝态断裂韧性，卅埘聊- 岩石的动态平面断裂韧性可由其静态断裂韧性求得： 2 8 深扎控制爆破机理研兔 k ，d = 1 6 k 。( 3 2 1 4 ) 式中，k 一一静态断裂韧性，卅3 2 。 综上所述，可得出孔问形成贯通裂隙的条件为： ，、0 8 1 5 k n 面商( 3 五j 5 )【( 1 一a 7 矗) 已一仃r 。1 。7 孔间距k 的大小为： 3 2 6 瓦斯压力对裂隙形成的影响 l isl ( 3 2 1 7 ) 由于爆破是在煤与瓦斯圃流耦合介质中进行的，瓦斯压力在裂隙的产生与扩 展的整个过程中，都起着重要的作用。在爆破中区的瓦斯也参与了裂隙的扩展， 但是与爆生气体的压力相比，其作用较小；在爆破远区，爆生气体准静态压力已 明显降低，径向裂隙扩展已减缓或停止。此时，爆前处于力学平衡状态条件下的 原生裂隙中的瓦斯，由于爆炸应力场的扰动作用于已产生的裂隙内，使裂隙进一 步扩展。其力学模型如图1 2 i l 】。 o ，+ 岁2 喀 o ，融一o ，a u 砂* o l f o ，盏墨主最，y _ 搠 式中 飞黏巍半经，埘： 安徽理工大学硕十论文 u 。一一煤层中原始瓦斯压力的平方，m 尸口2 u 。一一钻孔中瓦斯压力的平方，m 砌2 ； r 一一煤层中原始瓦斯压力，m 砌； 日一一钻孔中的瓦斯压力，m 砌； ，l 一一煤层厚度之半，m 。 5 2 用有限差分法解算瓦斯流动方程 5 2 1 流动方程的数值