多分層煤層煤層氣增產技術優選分析

王偉東 李 濱 王 理

（1.沈陽焦煤股份有限公司 紅陽三礦，遼寧 沈陽 110100；2.沈陽焦煤股份有限公司 紅陽二礦，遼寧 沈陽 110100；3.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

煤層氣存儲于煤層中，是煤礦開采的附屬產物，我國已探明的煤層氣儲量36.81萬億m3，居世界第三[1]。煤層氣作為燃氣，具有高熱值、燃燒產物清潔等特點；作為瓦斯，嚴重威脅和制約煤礦的安全高效生產，導致了大量人員傷亡及財產損失。為了發展綠色新能源，促進綠色節能產業鏈發展，加大綠色經濟比，有效預防煤礦瓦斯事故，需要對煤層氣進行抽采。但紅陽二礦煤層氣的抽采受到煤礦復雜的地質條件以及現有施工條件的限制，抽采效果較差，需要對煤層進行增透以提高產量。紅陽二礦現主采煤層為多分層煤層，煤層地質條件復雜，在煤層氣抽采及增產措施的使用上存在一定的盲目性。為了提高煤層氣抽采效果，提高煤層氣抽采效率，急需優選出一套適用于紅陽二礦的煤層氣增產技術。本文通過對紅陽二礦使用過的煤層氣增產技術特點及應用效果進行對比分析，優選出增產技術措施，對類似礦井具有一定的參考價值。

1 常用煤層氣增產技術介紹

1.1 順層鉆孔預抽技術

順層鉆孔預抽煤層氣技術是在煤巷掘進期間或者工作面回采之前，向掘進工作面或者回采工作面前方施工大量足夠控制范圍和距離的順層抽采鉆孔的技術。抽采鉆孔為扇形布置，增加了煤層透氣性和煤層氣涌出通道，能夠在短時間內抽出大量煤層氣[2]。

1.2 穿層密集鉆孔預抽技術

穿層密集鉆孔預抽技術是在煤巷掘進前，從底板巖巷中向煤層施工高密度穿層抽采鉆孔，進行強化煤層氣抽采的一種措施。大量抽采孔能增加煤層透氣性和煤層氣的涌出通道，該技術可用于大面積預抽采煤層氣，也可達到局部預防突出的效果[3-4]。

1.3 水力沖孔技術

水力沖孔技術是在底板巖巷施工穿層鉆孔，后用高壓水射流沖擊鉆孔周圍的煤體，在煤體內形成孔洞的技術。該技術使孔洞附近煤體卸壓，同時釋放大量煤層氣，大幅度增加孔洞周圍煤體的透氣性，有效地提高了抽放效果，起到綜合防突的作用。

1.4 水力割縫技術

水力割縫技術的做法是將高壓水射流噴嘴輸送到煤層，在噴射高壓水射流的同時移動噴嘴，使高壓水射流線性運動，最后組合成面，在煤層中形成一層水射流切割面，從而增大煤層暴露面積，增加煤層氣流通通道。

1.5 水力壓裂技術

水力壓裂增透技術是從巖巷向煤層施工穿層壓裂鉆孔，然后通過壓裂鉆孔向待壓裂煤層內注入大量壓裂液，使煤層中產生大量不規則的裂隙，增大煤體內部暴露面積，同時也能對煤層卸壓，最終達到增加煤層透氣性目的的一種技術。

1.6 增產技術對比

表1 煤層氣常用增產技術優缺點[2-5]

2 紅陽二礦煤層氣增產技術應用介紹

2.1 紅陽二礦及西部采區簡介

沈陽焦煤股份有限公司紅陽二礦設計生產能力150萬t/a。西二下部采區、西三下部采區的主采煤層為12煤和13煤，均為復合煤層。其中12煤平均厚4m，13煤平均厚度2.9m，煤層傾角平均5°。實測該區域瓦斯壓力最大為7.6 MPa，瓦斯含量最高為13.5m3/t。

2.2 煤層氣增產技術措施

針對紅陽二礦的多分層復合煤層的特點，先后采用了穿層鉆孔、穿層密集鉆孔、水力沖孔、水力壓裂四種煤層氣增產技術措施。

順層鉆孔技術是紅陽二礦最先使用的煤層氣增產技術，主要應用在掘進期間和工作面的區域煤層氣增產。典型應用是西三采區1201工作面前掘期間順層預抽和回采前順層預抽，如圖1所示。

圖1 1201工作面煤巷前掘期間順層鉆孔竣工平面示意圖

穿層密集鉆孔技術在紅陽二礦的典型應用地點是西二區1205運順瓦斯巷，穿層鉆孔布置方式為“5*5”布置方式，即：每5m施工一組穿層鉆孔，單組相鄰鉆孔孔底間距5m，如圖2所示。

圖2 1205運順穿層鉆孔竣工平面示意圖

水力沖孔技術最先應用于西三下部采區1203運順，設計標準為每隔5m分別布置一組密集鉆孔或水力沖孔鉆孔，密集鉆孔和水力沖孔鉆孔交叉布置，設計密集鉆孔孔底間距為5m，水力沖孔鉆孔孔底間距為10m，如圖3所示。水力沖孔鉆孔沖孔完成之后也進行封孔接抽，一并連入抽采系統。

圖3 1203運順水力沖孔及抽采鉆孔竣工平面示意圖

水力壓裂技術應用于西三下部采區1204中順煤層氣巷，每隔50m布置一個水力壓裂孔，每隔5m布置一組密集鉆孔，設計密集鉆孔孔底間距為5m，如圖4所示。

圖4 1204中順水力壓裂及抽采鉆孔竣工平面示意圖

2.3 煤層氣增產效果對比分析

通過對多個地點施工前后煤層氣含量及壓力進行總結，初步獲得了增產措施的應用效果，如表2所示。在施工之前，煤層氣含量及壓力基本相同，順層鉆孔預抽技術施工地點煤層氣含量及壓力相對稍低，主要因為在煤巷掘進期間產生了卸壓，釋放出了部分煤層氣。

表2 不同增產措施效果對比

為了進一步直觀分析數據，將施工前后的煤層氣含量及壓力求出均值，相減得出抽采出的煤層氣量和煤層氣壓力降幅，并作出效果對比圖，即圖5和圖6。

圖5 煤層氣抽采率效果對比圖

圖6 煤層氣抽采后壓力降幅對比圖

從圖5可看出在實施不同種增產措施后，煤層氣抽采效果最好的為水力壓裂技術，抽采率可達68.8 %，其次是水力沖孔技術（53.5 %）、穿層密集鉆孔技術（52.6 %）、順層鉆孔技術（43.7 %）。主要是因為水力壓裂技術在壓裂期間的高壓水能夠撐開煤層，形成大量水力裂縫，并連通天然裂縫，增加天然裂縫開度，大范圍增加煤層透氣性，同時促進煤層氣解析，最終達到高效抽采煤層氣的目的。而其他增產措施，增透范圍有效，增透效果較差，導致抽采效果并不理想。

從圖6中得出抽采后煤層氣壓力衰減率最大也為水力壓裂施工區域（95.7%），其次是水力沖孔技術（94.9 %）、穿層密集鉆孔技術（95.1 %）、順層鉆孔技術（90.6 %）。因為不同增產技術施工后對煤層產生了卸壓，特別是抽采孔的局部卸壓能夠使周圍的煤層氣壓力大幅降低，所以施工抽采后煤層氣壓力基本相同。由于順層鉆孔技術施工前煤層氣壓力較低，故其壓力衰減率相對較小。

綜上所述，可以對紅陽二礦采用過的煤層氣增產技術進行性能排序，最優為水力壓裂技術，其次是水力沖孔技術、穿層密集鉆孔技術、順層鉆孔技術。

3 多分層煤層氣增產技術總結

紅陽二礦積極采用先進的煤層氣增產措施，并對不同增產措施在紅陽二礦的應用效果進行總結分析，確定了現階段最優的增產技術措施為水力壓裂技術。即先對待抽采區域進行水力壓裂，然后在水力壓裂范圍內布置多組密集鉆孔，最大限度地增加煤層透氣性，提升煤層氣抽采量。