采动条件下瓦斯抽采钻孔有效范围及瓦斯运移规律

苏鹏祥

摘 要：现阶段，在我国能源结构不断调整的过程中，在很多的生产领域，新能源渐渐占据重要地位，人们在各种能源上的开发技术与开采量也日益精进。但事实上，随着国内社会生活水平的提升，人们对于能源的需求量也呈现迅猛的增长态势，因此，在能源供需上一直处于供不应求的状态。为解决矿产资源使用中的供需矛盾，相关企业都在积极扩大生产规模。瓦斯事故是矿井生产中面临的一大安全威胁，在采动条件下的瓦斯运移规律分析有助于降低瓦斯浓度，实现安全生产的目标。基于此，本文重点探析了采动条件下的瓦斯抽采钻孔有效范围和瓦斯运移规律，对于指导实际的开采作业有着重要的意义。

关键词：采动条件;瓦斯抽采;钻孔有效范围;瓦斯运移规律

近年来，我国的矿井产量逐年增长，矿山开采从浅部向深部开采的趋势，使得在矿山开采过程中面临着较大的技术难度。在矿山生产作业中，瓦斯事故频繁发生，不仅影响了正常的开采作业，还导致矿山企业面临着较大的经济与社会损失。瓦斯抽采是矿山开采作业中治理瓦斯的有效手段，在不同的钻孔影响参数下，瓦斯运移存在着一定的规律性特征，通过对这一规律的有效掌握，可以指导实际的瓦斯抽采和开采作业，保障开采作业的顺利进行，为矿山企业赢得更大的发展机遇。

1 含瓦斯矿体的有效应力原理

含瓦斯矿体中的瓦斯以矿体骨架、吸附态和游离态为主，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态存在，而在裂隙中则以游离态存在的。由于在矿山开采作业中存在采动作用，在采动影响之下，含瓦斯矿体应力会重新进行分布，当重新分布以后，裂隙中的游离态瓦斯将会逐步流动，此时，孔隙压力较之原先发生了明显的变化，孔隙中存在部分吸附态瓦斯，采动作用驱使其向裂隙系统移动[1]。如果假设含瓦斯矿体为的介质属性为各向同性、线弹性孔隙裂隙，裂隙中瓦斯气体的存在可以使得其趋于饱和，这种情况下，在含瓦斯矿体的有效应力分析過程中，需要考虑的因素更多，不仅需要进行总应力分析，还需要考虑吸附膨胀用力等作用力的相互关系和作用。

2 瓦斯在矿体中的运移机理

在采动条件下，瓦斯在矿体中会存在一定的运移规律，从当前的理论研究来看，运移是瓦斯的突出特征，包含了渗流、扩散和渗流--扩散。在长期的矿山行业发展过程中，有关人员在这一方面开展了大量的实测和实验研究，这些研究均表明：微孔中的瓦斯多以吸附态为主，这一状态下浓度梯度的形成驱动了瓦斯的扩散运动，在此过程中，瓦斯的状态发生了明显的变化，由吸附态转向游离态，且这些游离态瓦斯会在压力梯度作用下存在渗流运动[2]。从瓦斯渗流--扩散的观点出发，很多学者在瓦斯运移规律的研究中，往往会将瓦斯的渗流--扩散作为研究前提，当渗流系数与扩散系数为已知量时，运移规律的获取可以利用微分方程的构建和求解来获取。

从瓦斯运移的实际过程来看，渗透系数与扩散系数等参数在一些条件下会受到采动条件的影响，尤其是介质应力、多孔介质中瓦斯气体的孔隙压力变化时，渗透系数也将同步变化，而孔隙的孔隙率、孔隙压力是决定扩散系数的关键因素[3]。

3 工程概况

某矿井S2205工作面主采3号矿层，平均的厚度为5.99m，赋存条件稳定，矿层较为简单。直接顶板与泥岩、粉砂质泥岩为主，基本顶为中砂岩。

绘制3号矿层甲烷含量等值线图，经由相应的计算，可以得出：在该矿层中的相对瓦斯涌出量达到了12m3/t，这一含量远远超出了正常值，属于高瓦斯矿井。工作面切眼倾斜达到了265.1m，矿层平均厚度为5.37m，循环进度为0.8m，由于该工作面的特殊性，在通风系统的设计方面，采用的是“两进两回”，也就是的胶带卷和进风巷进风，回风巷和瓦排巷回风，而瓦排巷和回风巷之间，每间隔50m的距离，就需要设置一个贯眼，在工作面推进到贯眼位置时，需及时打开贯眼，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 采空区内风速运移模拟

S2205工作面通风系统设计比较特殊，进风巷与瓦斯巷的连接处理是通过辅助切眼来完成的，运输巷与瓦排巷的连接是通过工作面来实现的。针对这一特殊性，在瓦斯涌出量分析过程中，借助于COMSOL Multiphysics软件开展数值模拟与分析，其模拟过程中，需根据工作面的地质条件、矿层赋存条件、通风方式等来进行[4]。在模拟的过程中，采空冒落区的气体流场方程是模拟的主要依据，专业人员需以此方程进行相应的计算，获得最终的风流矢量图。

在与工作面距离较近的位置，支承作用力使得上方顶板难以随着采动条件保持垮落的及时性，很容易在开采作业中形成支撑空间。在这种情况下，部分新风在此过程中会从进风巷流动到采空区域，由于在采空区域内进入了一定量的新风，对此空间中的瓦斯起到了稀释作用，瓦斯浓度大大降低，再加上存在通风负压作用，这些瓦斯会随着风流逐步流出，整个工作面范围内的瓦斯浓度将处于安全标准内，为作业人员创造了相对安全的环境。在与采空区距离较远的区域内，瓦斯受到了压差作用，一部分瓦斯会与风流同步运移。

4.2 S2205工作面瓦斯涌出量成分估算

S2205工作面采空区的瓦斯涌出非常复杂，这种情况下，瓦斯涌出量无法有效测量出，只能利用间接法来进行预测，在相应的预测下，可以有效进行采空区内瓦斯涌出量的计算。

5 S2205工作面瓦斯涌出规律分析

5.1 开采初期瓦斯浓度变化

在工作面开采时，如果要实现瓦斯运移规律的全过程掌握与分析，就需要从开采初期阶段开始，在此阶段中，相关规律的把握中，需保持回采与初次来压结束时间段内瓦斯浓度信息的全面性与精确性，在这一个时间段内，工作面推进距离为55m，在推进过程中，随着采动工作的进行，其瓦斯浓度变化趋势如图1所示。

工作面初采期间，瓦斯浓度存在高低反复变化，在12月10日～12月13日的时间段内，瓦斯浓度为0.8%，是第一次高峰值，在12月22日，瓦斯浓度基本上接近于1%，从实际的开采工作来看，瓦斯浓度变化与开采作业之间存在着紧密的联系，随着开采工作的进行，工作面顶板垮落、来压现象等都会使得瓦斯浓度无法保持在一个比较稳定的状态下。

5.2 回采期间工作面瓦斯涌出规律

顶板垮落存在着明显的变化规律，通过对瓦斯涌出数据的分析，伴随着回采作业的开展，直接顶初次垮落时，瓦斯涌出量显著上升，这一趋势主要是由于裂隙场中的裂隙张开，瓦斯解吸、渗流更为便捷，在直接顶初次垮落以后，瓦斯涌出量大大降低，随着工作面的不断推进，开采空间范围逐步增大，瓦斯涌出量在此过程中也逐步增大。

6 结束语

现阶段，在矿山行业转型发展的过程中，各个矿山企业都在积极推进生产改革，作为矿山开采中最为突出的安全风险，各个矿山企业在生产过程中都需要加强对瓦斯运移规律的分析，通过这一规律的掌握来降低瓦斯事故风险。

参考文献：

[1]赵文利.某矿采动裂隙“O”型圈中瓦斯运移规律分析及抽放设计[J].现代矿业，2018，34（07）：179-181.

[2]张建利.采动影响下煤层瓦斯运移规律研究[J].能源与环保，2019，041（004）：54-59.

[3]刘阳.采动条件下覆岩裂隙发育规律及其对瓦斯抽采的影响研究[J].内蒙古煤炭经济，2019（007）：130+139.

[4]尹光志.深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律[J].科技资讯，2016，14（6）：171-172.