淺析提高瓦斯抽采效果的技術途徑及影響因素
【摘要】瓦斯抽采是防範瓦斯02manbetx.com 的治本之策，必須加大瓦斯抽采力度，提高抽采率和利用率，努力實現抽采達標。通過抽采抽放，降低煤層中的瓦斯含量，從根本上綜合治理瓦斯災害。根據礦山企業瓦斯抽采的實際情況，這篇文章淺析了提高礦山企業瓦斯抽采效果的技術途徑及影響因素。對礦山企業的瓦斯綜合治理工作有著一定的指導和教育意義。
【關鍵詞】瓦斯抽采，抽采達標，抽釆率，抽放鑽孔。
一、引言
瓦斯抽采方法多種多樣，適用條件也各不相同，但瓦斯從煤岩體流入鑽孔的過程卻遵循相同的原理，因此可從以下幾個方麵03manbetx 提高瓦斯抽放量的技術途徑：①增加鑽孔暴露麵;②人為改變瓦斯流動場的邊界條件;③延長鑽孔抽放時間;④改變煤層透氣性係數。
二、增加鑽孔暴露麵
(一)增加鑽孔暴露麵
1.加大鑽孔半徑r0
鑽孔半徑越大，其暴露的自由麵也越大，越有利於瓦斯湧出。按照瓦斯流動理論，在瓦斯抽放期內，鑽孔周圍瓦斯流動基本符合徑向穩定流動場規律，則鑽孔瓦斯湧出量為：
q—鑽孔瓦斯湧出量，m3/min;
m—煤層厚度或鑽孔穿煤厚度，m;
l—煤層透氣性係數，m2/(MPa.d);
P0—煤層原始瓦斯壓力，MPa;
Pr0—鑽孔內瓦斯壓力，MPa;
Pstd—標準狀況下的大氣壓，取0.1Mpa;
R—鑽孔瓦斯流動場的影響半徑，m;
r0—鑽孔半徑，m
假設鑽孔瓦斯流動半徑R=10m
在其他參數不變的情況下，孔徑由r=0.1m增加到r=1m，則鑽孔瓦斯流量的變化率為：
右式說明在鑽孔直徑增大10倍的情況下，鑽孔瓦斯流量僅僅增大2倍。因此單純采用增大鑽孔直徑的方法並不能取得滿意的抽放效果。同時從現場打鑽工藝技術來說，孔徑太大常常會出現塌孔而阻塞鑽孔通道的現象。
(二)增加鑽孔穿煤長度
在鑽孔的設計中，穿煤鑽孔應穿透煤層整個厚度，順層鑽孔應盡可能增加鑽孔長度。但煤層厚度是一個定值，順層鑽孔長度的增加也是有限的，鑽孔愈長打鑽技術難度也愈大，因此通過增加鑽孔穿煤長度來提高瓦斯抽放量的效果也是有限的。當然，實際現場還是盡量使鑽孔盡可能地覆蓋整個煤層區域，才能夠最大限度地發揮抽放的作用。
(三)增加鑽孔密度
增加鑽孔密度是指在一定的鑽場範圍內增加鑽孔數量，即縮短鑽孔間距，從而提高對整個煤層的瓦斯抽放率。
鑽孔密度應依據煤層透氣性係數、鑽孔長度、鑽孔直徑、抽放時間、瓦斯抽放率等各種參數綜合03manbetx ，以確定最佳抽放鑽孔密度。
實踐表明，合理提高鑽孔密度對提高瓦斯抽放率效果顯著，同時由於增加鑽孔密度是一種簡單易行的措施，因此該方法是目前提高開采層瓦斯抽放率的一項主要途徑。但提高鑽孔密度會大大增加抽放工程量，大幅度提高抽放成本。
上圖所示為某礦井一個鑽場內鑽孔數量與抽放量的關係曲線。從圖中可知，當一個鑽場內的鑽孔數達到4個時，瓦斯抽放量已趨於最大，再增加孔數，增加抽放量的作用就不大了。
現場應用中必須考慮的注意事項：
1.對於低透氣性煤層，每個鑽孔所控製的瓦斯流動場的範圍是很小的，隨著時間的增長，流動場的擴展範圍也很小，在這種情況下，增加鑽孔密度對提高瓦斯抽放率效果較顯著;
2.當鑽孔密度達到一定程度時，對煤層還能起到增加卸壓作用，這在網格式預抽瓦斯作為防突的區域性措施試驗中已得到驗證。
3.鑽孔密度應該根據開采煤層要求達到的瓦斯抽放率、采場接替能提供的允許瓦斯抽放時間，以及在該時間內鑽孔能達到的瓦斯流場範圍等綜合因素來確定，以做到抽放效果最佳，經濟上最合理。
三、人為改變瓦斯流動場的邊界條件
(一)提高煤層瓦斯壓力
從鑽孔瓦斯流場右式中可知，在其他參數不變的情況下，鑽孔瓦斯湧出量與煤層原始瓦斯壓力P0正比關係。
如果采取人工方式增大煤層瓦斯壓力則會提高鑽孔的瓦斯湧出量。
目前在該方麵的工作主要有煤層高壓注水和高壓注氣。試驗表明高壓注水並沒有增加鑽孔瓦斯流量，主要原因為注水後瓦斯與水在煤體內呈二相流動，煤體內的孔隙被水浸潤飽和後，氣相流動的滲透係數反而變小，抑製了瓦斯的湧出。
高壓注氣目前還處於試驗階段，在工藝技術和理論研究上還存在一係列問題，如煤對混合氣體的吸附、解吸能力問題，向煤層注氣的均勻性問題，注高壓氣體的安全性問題，混合氣體的爆炸危險性問題等。
(二)提高鑽孔抽放負壓
從右式中可知，鑽孔瓦斯湧出量與鑽孔內瓦斯壓力Pr0成反比，即抽放負壓越大鑽孔瓦斯湧出量越高。從理論上的變化範圍為0.1～0Mpa，其變化對的影響有限。但實際測試表明，煤體受負壓影響，當其內部的瓦斯被排出後會發生收縮變形，如果煤體的各向物理機械性質不同，則在收縮過程中，會導致煤體裂隙分布的變化，因此使得煤層透氣性係數發生改變，從而增加鑽孔瓦斯湧出量。
對於不同的煤層，由於煤的變質程度、煤體成分、原始瓦斯壓力、地應力、堅固性係數等各不相同，因此最佳抽放負壓也各不相同，通常根據實測鑽孔壓力數據而得。
鑽孔A的特性曲線表明，隨著負壓的增高，鑽孔瓦斯流量也增加，但負壓達到pA時，再增加負壓對鑽孔流量的增加作用就不大了;
鑽孔B在負壓增加到pB時，瓦斯流量反而下降，其原因可能是瓦斯供給源貧乏及鑽孔漏氣嚴重，這就需要調整抽放負壓;
鑽孔C當抽放負壓稍有增加時，瓦斯流量即可大幅度增加並達到最大值;
鑽孔D則需要有較高的抽放負壓鑽孔瓦斯流量才能相應增大，並達到最大值。
為了確定有效抽放負壓，應對鑽孔的“負壓—流量”特性曲線進行測定。瓦斯抽放的實踐經驗表明，由於受管路及鑽孔密封性的影響，提高負壓會增加巷道空氣量的漏入;另外由於瓦斯抽放泵所能達到的負壓值也有一定限度，因此要想把抽放負壓提得很高是有困難的。
四、延長鑽孔抽放時間
由於實際鑽孔內的瓦斯流程為非穩定流動，因此根據經驗公式，鑽孔內的瓦斯湧出量隨時間變化的關係為：
q0-鑽孔瓦斯湧出初始強度m3/min.m2;
t-鑽孔內瓦斯流動時間，min
α-鑽孔瓦斯流量衰減係數，d-1.
當鑽孔抽放時間趨於無窮大時，鑽孔瓦斯抽放總量的理論極限值：
因此鑽孔瓦斯抽放瓦斯總量不是無限增加的，據實際現場經驗表明，對透氣性較低的煤層，由於衰減係數較大，一般抽放半年至一年，鑽孔瓦斯抽放總量就已經達到極限抽放量的80%～90%，在此情況下即使再增加抽放時間，已沒有實際意義,況且現場生產過程中，常常沒有太長的瓦斯預抽時間。因此當鑽孔抽放時間達到一定階段時，延長抽放時間對提高瓦斯抽放量的作用已不明顯。
五、改變煤層透氣性係數
(一)地壓
經試驗研究表明，煤樣的透氣性係數與其負荷壓力的關係可用下式表達：
λ-煤樣承受壓力條件下的透氣性係數;
λ-無負荷條件下煤樣的透氣性係數;
-煤樣上的負荷壓力
b-與煤的性質有關的常數
煤層埋藏越深，地壓越大，其透氣性係數越小。因此對煤層卸壓，減小煤層的低層壓力可增加煤層透氣性係數，從而能增加瓦斯抽放量。
當煤樣上負荷為1及10MPa時，代入前式得：λ1≈λ0、λ10=0.67λ0。從上述計算結果可以看出，當煤樣上負荷增加到10MPa，即相當於垂深400m的地層壓力時，煤的透氣性係數比無負荷時減少1/3，這說明煤層埋藏深度愈深、地壓愈大，其透氣性係數愈小，因此減小煤層上麵的地層壓力，即卸壓，能增加煤層透氣性係數，也能很好地增加瓦斯抽放量。所以現場經常采取向煤層卸壓區打鑽、高位巷道、高位鑽場等方法，使鑽孔位置處於卸壓區和裂隙帶範圍進行抽放來增加抽放量。
(二)煤層內的裂隙
煤層內裂隙大小和透氣性係數之間的關係為：
式(4)表明煤層透氣性係數與煤層內裂隙的三次方成正比，因此采用人工方式在煤層內形成較多的裂隙網絡會大大增加煤層透氣性係數，從而改變整個煤層內瓦斯的流動性質，極大地提高鑽孔瓦斯湧出量。
綜合上述03manbetx ，為提高開采層的瓦斯抽放量，可采取增加鑽孔密度、保證鑽孔有效長度、適當增加鑽孔直徑和提高抽放負壓等措施，但由於采取這些措施仍是在煤層原始透氣性不變的情況下進行瓦斯抽放，因此提高瓦斯抽放量的效果是有限的。提高煤層瓦斯抽放量的根本途徑在於增加煤層透氣性，即采用人為的方法擴大、溝通煤層裂隙網絡，這樣才能較好提高的抽放效果。
