低透氣性煤層蠕變預裂增透技術應用

劉威鋒

(山西忻州神達能源集團有限公司，山西 忻州 034000)

0 引言

我國煤炭資源的賦存條件普遍具有煤層透氣性低、瓦斯吸附性強、解吸速度慢等特點，使得瓦斯解吸及其在煤層中的運移十分困難，給煤礦瓦斯抽采工作帶來很大的困難[1-3]。因此低透氣性煤層增透技術研究，一直是煤礦行業研究課題的熱點與難點，且意義重大。目前強化增透技術主要包括保護層開采、密集鉆孔、深孔預裂爆破、水力沖孔(割縫)、水力壓裂等措施，但各有其適用性和局限性[4-6]。國電貴州煤業大灣煤礦地質條件復雜，煤層透氣性差，目前所采取密集順層鉆孔瓦斯抽采的方式抽采率低，瓦斯抽放效果較差。為此，該礦與北京天地聚能采礦工程技術有限公司進行技術合作，首次采用高壓脈動空氣量子植入蠕變預裂增透技術進行煤層預裂，取得了較好成效，為瓦斯治理提供了一項新技術和新思路。

1 瓦斯概況及技術原理

1.1 瓦斯概況

大灣煤礦隸屬國電貴州煤業投資有限公司，位于貴州省西部，設計生產能力90萬t/a，經鑒定為煤與瓦斯突出礦井。目前主要開采11號煤層，其為突出煤層，煤的破壞類型為Ⅳ類，瓦斯含量13.73 m3/t，瓦斯壓力1.8 MPa，堅固性系數0.36，透氣性系數(均值)0.084 2 m2/(MPa2·d)，鉆孔流量衰減系數(均值)0.060 4 d，屬于較難抽采煤層。該煤層目前采取利用沿空留巷的順槽布置密集順層抽放鉆孔抽采瓦斯。

1.2 技術原理

高壓脈動空氣量子植入蠕變預裂增透技術主要是以外力改變煤層內部物理結構、增加煤層裂隙為基本原理。首先向目標煤體施工預裂鉆孔，然后利用地面空壓機將空氣壓入鉆孔，再利用高壓脈動空氣泵增壓和減壓，沿著煤層的裂隙和節理壓迫煤體。膨脹的高壓空氣體作用在鉆孔壁煤體上，煤體受力蠕變破碎[7-9]，原始裂隙得到擴展，為瓦斯流動創造通道，使煤層在高壓脈動空氣量子植入蠕變預裂范圍內的煤層透氣性系數明顯提高，起到增加煤層透氣性和滲透性的作用。該技術不僅利用壓力間歇釋放破碎貫穿煤層裂隙，還利用預留空孔釋放壓力置換瓦斯和誘發瓦斯溢出[10-12]，從而實現突出危險區域應力集中緩解，瓦斯抽放量大幅度提高，煤體松軟度增加，達到煤礦安全快速抽采瓦斯和快速掘進的目的。

2 應用實例

2.1 現場應用

施工位置：2018年6月，國電貴州煤業大灣煤礦與北京天地聚能采礦工程技術有限公司進行技術合作，在21110綜采工作面回風順槽選取100 m長的一段進行現場施工試驗。總計施工10個預裂鉆孔，孔徑均為110 mm，孔深65 m，分2組施工，第1組5個孔間距10 m，第2組5個孔間距15 m，鉆孔傾角均為5°，方位角與煤壁垂直。每施工完一個預裂孔先臨時封孔，待所有鉆孔施工結束后按既定措施實施高壓脈動空氣量子植入蠕變預裂增透技術。

施工工藝：①首先準備好需要用的材料、設備，然后進行封孔。封孔管采用DN40的鍍鋅鋼管，每節長3 m，里端頭使用堵頭密封，花管長度不小于3 m，用單層紗網包裹，便于防止煤顆粒進入。封孔長度不小于15 m，封孔材料使用具有彈性橡膠囊袋封孔器，確保嚴密不漏氣；②封孔結束后通過連接頭把封孔管和壓力控制器使用高壓膠管連接，然后依次連接各設備，具體是空氣壓縮機和壓力控制器之間，高壓脈動泵和壓力控制器之間，空氣壓縮機和高壓脈動泵之間，瓦斯抽放泵和壓力控制器之間，都通過高壓連接管連接，具體裝備結構如圖1所示。所有設備通過高壓連接管連接好后，打開井下風管閥門，開啟高壓脈動泵，確保鉆孔內空氣壓力維持在80～100 MPa之間；③每個孔預裂時間不低于4 h，待所有孔預裂結束后，第1組預裂孔之間按抽放半徑1 m、2 m、3 m、4 m施工4個孔徑為89 mm的抽采孔，并及時封孔抽放，第2組預裂孔按抽放半徑2 m、4 m、6 m、8 m施工4個孔徑為89 mm的抽采孔，同樣封孔抽放；④抽放時間不少于10 d，然后通過計量裝置記錄瓦斯抽放量和瓦斯抽放濃度；通過數據分析與運輸巷抽采半徑為1 m的瓦斯抽采鉆孔進行比較。瓦斯抽采示意如圖2所示。

1-空氣壓縮機；2-高壓脈動泵；3-瓦斯抽放泵；4-壓力控制器；5-連接頭；6-高壓連接管封孔器；7-封孔器；8-鉆孔；9-高壓空氣

圖2 高壓脈動空氣蠕變致裂強化瓦斯抽采示意

2.2 應用效果

瓦斯抽采效果：高壓脈動空氣量子植入蠕變預裂增透技術現場施工結束后，安排專人連續10 d觀察并記錄數據。通過數據結果分析，實施預裂增透技術后的21110回風順槽比21110運輸順槽的瓦斯抽放濃度和抽采率分別提高52%和37%，且實施地點的瓦斯抽采濃度衰減速度慢。同時實施地點通過采取瓦斯壓力壓降法確定瓦斯抽采半徑在6 m時的抽采效果同樣達到標準，且抽采半徑在6 m時的單孔瓦斯抽放量和瓦斯濃度與運輸巷抽采半徑為1m的抽采鉆孔相比較，分別高出32%和41%。現場實際運用表明，該技術應用效果顯著，對于低透氣性煤層有著極佳的增透作用；該煤礦隨后在各采掘工作面全部推廣該技術，徹底改變了原有瓦斯防治的被動局面。

創新和節能效果：在施工過程中還首次利用彈性橡膠囊袋封孔器封孔，不僅在高壓外力下取得較好的封孔效果還易于操作。同時，利用文丘里原理解決了通風輸送過程中瓦斯發生噴孔問題[13-15]，且通過預孔置換瓦斯降低機電設備功率，起到節能的目的。

2.3 應用優勢及技術優點

應用優勢：①該技術對抽采過程中瓦斯濃度衰減快，抽放濃度低，抽放不達標，受瓦斯災害嚴重制約煤礦生產和機械化推廣的礦井有著重要作用；②可有效增加煤層透氣性，延長鉆孔瓦斯流量衰減周期，有效減少預抽時間，增大抽放半徑，減少鉆孔工程量，提高抽采濃度和抽采效率，節省資金、減少投資、采掘接替見效快，具有較高經濟效益；③通過改變煤層內部結構可以有效釋放地應力，消除煤與瓦斯突出能量，從本源上消除瓦斯產生的壓力，極大降低了煤與瓦斯突出的危險性，從而保證煤礦安全生產，具有較大安全效益。

技術優點：該技術應用優點主要表現在2個方面。①在實際施工方面，不僅施工操作安全簡單，工人易于掌握，而且所需新增加設備、材料較少，基本都是利用井下原有條件實施；②在推廣應用方面，該技術原理科學，技術成熟，所需材料、設備都較經濟實惠，且便于制造。

3 結語

高壓脈動空氣量子植入蠕變預裂增透技術在國電貴州煤業大灣煤礦實際運用，有效解決了低透氣性煤層瓦斯抽采的難題，證明了該技術獨特的優越性和實用性。不僅是一種創新的瓦斯治理技術，還為解決礦井瓦斯抽放問題帶來了新思路、新方法，對于提高礦井防治煤與瓦斯突出能力建設具有重要的現實意義，該技術包含的新理念、新裝備、新工藝的推廣應用，可以為瓦斯治理工作發揮積極作用。