低滲透性煤層強化抽采瓦斯的研究現狀

摘 要：我國煤礦普遍進入深部開采，煤層透氣性也隨著開采深度增加而變小，礦井瓦斯嚴重影響和制約了煤礦安全高效生產，尤其低滲透性難抽煤層，利用常規的瓦斯布孔方式及抽采參數進行抽采，往往很難達到想要的抽采效果；本文總結和論述目前大多數煤礦進行的強化抽采瓦斯的方法，對其適用性進行分析，并對強化抽采瓦斯的發展方向進行展望。

關鍵詞：煤層透氣性；低滲煤層；強化抽采；抽采效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.073

0 概述

目前我國的煤炭開采普遍進入了深部開采，地應力增大，瓦斯含量及壓力大，且深部受到地質構造運動影響，煤層的瓦斯含量較高，煤層透氣性較小，為煤礦的安全高效開采帶來一定的困難[1]。目前我國的礦井瓦斯抽采效率普遍較低，對其原因分析主要如下：煤層瓦斯含量較高、瓦斯壓力低、煤體滲透性低、瓦斯的煤體吸附量不飽和程度高，煤層中低瓦斯壓力難以形成瓦斯運移的動力，煤層的低滲透性不能為為瓦斯運移提供有效的運移路徑，受到溫度、壓力、煤的吸附特性等因素使飽和度高使游離瓦斯量較少，瓦斯抽采效果較差。

1 煤層透氣性現狀分析

我國95%以上高瓦斯和突出礦井屬于低透氣性煤層，滲透率只10-3～10-4 md，瓦斯抽放困難、瓦斯抽放效率低是國內突出礦井普遍存在的技術難題。尤其隨著開采深度的加深，地應力增大，煤體中裂隙閉合，使煤層透氣性很小，且瓦斯在煤層小孔及微孔以擴散的形式流動，晝夜流動僅幾厘米到幾米之間，煤層形成后，受到地層的地質構造變動，煤體中原巖結構遭到破壞，煤體是以塑性破壞為主的低滲透性的結構。如何將煤層瓦斯高效抽出是亟待解決的問題，因此，我們有必要對煤層瓦斯采取強化抽采的方法，我們一方面提高煤層透氣性的同時還要充分對抽采參數進行合理的選取，這樣會有效的降低瓦斯壓力及含量，提高抽采效率[2]。

2 強化抽采瓦斯的技術研究現狀

2.1 高壓水擴孔技術

我國煤礦在深部開采過程中，煤體有彈性煤體進入塑性煤體，對于彈性煤體而言，鉆孔成孔率高，出現塌孔可能性小，瓦斯抽采相對容易，對于目前我國大多數煤礦都進入例如深井開采，尤其煤體由彈性煤體變為塑性煤體，軟煤層厚度增加，打鉆過程中排渣困難，尤其是在煤層中水力化鉆進過程中，容易出現煤泥，導致鉆機扭矩增大而卡鉆，鉆桿切斷等現象，高壓水擴孔技術先在煤層打小直徑鉆孔，利用高壓水將鉆孔周圍煤體旋轉切割下來，形成更大的空洞和扁平縫隙，煤層由于煤體被切割和沖洗出來后。一方面煤體厚度變薄，煤體卸壓，煤體的地應力釋放，煤層的透氣性增大；另外一方面，煤體的孔隙裂隙增大，增加了瓦斯在煤體中的流動通道。高壓水射流擴孔技術噴出高壓細射流、又能自行旋轉的噴嘴對鉆孔周圍媒體進行旋轉切割，同時通過鉆桿沿鉆孔軸向做往復運動形成對鉆孔的徑向連續擴孔，從而擴大了鉆孔直徑，增大了鉆孔的卸壓范圍及抽采有效半徑，增加了鉆孔的抽放量[3]。高壓水射流破巖的優點是：在軟煤體中，煤體強度低，由水力沖孔可以將松軟煤體切割下來并由高壓水帶出鉆孔，存在缺點：在施工過程當中，瓦斯涌出量大，為保證工人的安全作業，需要加大風量。

2.2 地面水力壓裂技術

地面水力壓裂技術是石油及煤層氣行業目前應用廣泛的技術，通過地面高壓泵體將高壓水作業動力，使煤體孔隙-裂隙導通的一種增透措施，在煤層氣開發中應用廣泛。通過地面打井向壓裂區域注入高壓水流體，高壓水的水壓力會因受到阻力增加，當高壓水壓力超過阻力的強度后，會將阻礙高壓水進入裂縫的煤巖體破碎或將裂縫增大，由于該技術主要用于地面，且地面壓裂會給煤巖體沖入支撐介質物體，對煤體的煤質產生一定的影響，且煤礦井下地質條件復雜，勘探不精確可能導致壓裂的失敗，地面水力壓裂技術施工工藝復雜，因此存在一定的局限性，對于極薄煤層，地面水力壓裂也是發展的方向。

2.3 水力割縫技術

水力割縫技術在煤礦井下應用技術是將高壓水作為動力能源，利用高壓水對水力割縫技術在20世紀70年代在鶴壁四礦、六礦進行了鉆孔水力割縫強化抽采瓦斯試驗，最初水力割縫設備比較簡單，當鉆孔達到指定的深度，退出鉆桿取下鉆頭換下高壓割縫鉆頭，再次送到孔底位置，割縫工藝不是連續的，在退鉆過程中往往會對鉆孔周圍卸壓帶的破壞煤造成二次破壞，可能會導致鉆孔塌孔；20世紀80年代，隨著割縫工藝的不斷改進，水力割縫已形成連續割縫，鉆進后利用特別設備在退鉆時候，割縫器工作進行割縫。

鉆孔周圍破碎煤體進行切割和破碎，最終在鉆孔周圍形成一個具有一定深度和寬度的裂縫，使煤體厚度變小，煤體卸壓，增大透氣性，和保護層開采卸壓增透原理類似，適用性：目前煤礦突出危險性煤體則適用水力割縫，但是存在一定的局限性，高壓水水壓有限，由于人為在工作面操作原因，形成的裂縫寬度和厚度有限，只能進行局部的消除突出危險性，對于區域性消除突出危險性，目前還需要進一步改進。

2.4 長深孔控制預裂爆破技術

從20世紀50年代開始，國內就采用了鉆孔松動爆破方法來提高開采層的瓦斯抽放效果，深孔松動預裂爆破是通過在工作面打爆破孔和空眼，空眼作用相當于自由面起到定向和導向作用，在爆破孔中裝上炸藥，通過爆破產生的裂縫連通爆破孔和空眼，每隔一定距離進行預裂爆破，從而消除突出危險性，優點：工人對于打眼爆破程序相對熟悉，施工相對方便，工人可接受能力和主觀能動性相對較強；同時該項技術存在以下問題：①鉆孔成孔難以保證；②出現瞎炮因為裝藥位置深，難以排除瞎炮；③炸藥爆炸的能力大部分消耗在破碎煤的過度粉碎上[4]，提高突出煤層透氣性井下瓦斯抽采的有效工藝技術迫在眉睫。

2.5 高能氣體強化抽采技術

將不同的壓裂藥品進行配置，反應后會產生高溫高壓氣體作為動力，通過特定的程序來控制壓裂藥品的能量釋放，形成系統的動力對煤層進行壓裂增透。在煤礦應用方面河南理工大學王兆豐將氮氣及二氧化碳用來驅替[5]甲烷增加抽采效果進行了試驗。其主要的作用機理為驅替效應、稀釋擴散效應、壓力梯度抬升效應、置換效應及膨脹增透效應。其中主要為由于煤層對甲烷的吸附能力小于二氧化碳，利用煤層注入二氧化碳會使強化置換出甲烷分子，從而降低煤層吸附的瓦斯量。當注入氮氣的壓力達到一定值后會對煤層產生拉伸破壞，從而增大其透氣性。endprint

2.6 井下鉆孔水力壓裂強化抽采瓦斯

井下水力壓裂技術是由地面水力壓裂技術引入井下，主要原理是通過高壓水進入煤體后，水壓力逐漸增高，大于煤巖體的破碎壓力后，會使煤巖體裂縫增大或者產生新的裂縫，這樣的過程重復進行，最終形成大量的裂縫和裂隙網絡，增大透氣性，使煤層由難以抽采變為容易抽采。

對壓裂試驗的封孔問題，主要有以下幾方面：裂隙破壞區及塑性區內部裂隙、封孔材料與鉆孔孔壁之間密閉及封孔材料凝固后產生的裂縫。尤其在軟煤層中[6]，封孔一方面難以將裂隙全部封堵，另一方面難以將封孔材料下放到指定的位置。

井下鉆孔水力壓裂可根據煤體結構不同，選擇不同的工藝。對于突出煤層（碎粒煤、糜棱煤）可將地面虛擬儲層強化工藝引入，對于原生結構煤和碎裂煤可將地面本煤層壓裂工藝引入。

3 結語

（1）對于有保護層開采條件的礦井，首先優先選擇保護層開采，保護層開采效果明顯且瓦斯治理成本相對較低；

（2）研究和更新鉆機設備，提高在松軟煤層的成孔概率，松軟煤層瓦斯鉆孔的成孔很大程度決定強化抽采技術的實施；

（3）水力化增透技術目前仍然是強化增透的主要技術措施，進一步完善壓力泵及配套的水力化設備。

參考文獻：

[1]馮增朝.低滲透煤層瓦斯強化抽采理論及應用[M].北京：科學出版社，2008.

[2]王魁軍，張興華.中國煤礦瓦斯抽采技術發展現狀與前景[J]. 中國煤層氣，1999，3（01）：13-16.

[3]劉磊.淺談孔中壓水割縫與交叉鉆孔抽放瓦斯綜合防突技術[J]. 煤礦開采，2007，12（03）：83-85.

[4]石必明，俞啟香.低透氣性煤層深孔預裂控制松動爆破防突作用分析[J].建井技術，2002，23（05）：27-30.

[5]楊宏民，張鐵崗，王兆豐等.煤層注氮驅替甲烷促排瓦斯的試驗研究[J].煤炭學報，2010，35（05）：792-796.

[6]李國旗，葉青，李新建等.煤層水力壓裂合理參數分析與工程實踐[J].中國安全科學學報，2010，20（12）：73-78.

作者簡介：周玉軍（1988-），男，河南洛陽人，碩士研究生，從事煤礦開采和礦井瓦斯治理的教學和科研等工作。endprint