松軟煤層瓦斯抽采鉆孔高壓氣體循環修復增透技術研究

覃木廣

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

鉆孔瓦斯抽采是煤礦瓦斯災害治理的根本措施，其抽采效果與礦井的安全生產狀況密切相關。我國煤層受多期構造影響，煤層煤質松軟、地應力高、瓦斯含量高、瓦斯壓力大和煤層透氣性差，鉆孔的瓦斯抽采效率低下、瓦斯抽采不理想，嚴重影響了煤炭供給能力的提升[1]。

為了增加煤層滲透性和改善鉆孔瓦斯抽采效果，煤礦科技工作者對水力化措施[2]、二氧化碳爆破[3]、高壓空氣爆破[4]、電脈沖沖擊波[5-6]、聚能爆破[7]和微波輻射[8]等增透技術進行了探索和嘗試，有效提升了煤礦瓦斯治理能力和水平。

由于我國煤層瓦斯賦存條件復雜多變，低滲煤層實施完增透措施后容易進入到低瓦斯流量階段；另一方面，我國煤礦瓦斯抽采中存在著重“生”不“養”的現象，造成了抽采鉆孔數目眾多、抽采純量有限的尷尬局面。根據煤礦瓦斯抽采經驗，影響瓦斯濃度衰減的因素包括瓦斯流動通道不暢、封孔質量差和瓦斯自然衰減等，其中瓦斯流動通道不暢因素尚未得到煤礦技術人員的重視，嚴重影響了瓦斯抽采效果的提升。研究人員以水為介質對塌堵孔進行修復[9-10]，相對水而言氣體更易獲得并且不產生二次污染。為此，本文以高壓氣體為介質，針對煤粉堵塞煤層裂隙、鉆孔和抽采管路等瓦斯運移通道堵塞問題，分析高壓氣體循環修復增透機理，優化確定氣體壓力等參數，改進高壓氣體循環修復增透裝置并進行現場試驗，以期為延長瓦斯抽采鉆孔的使用周期和提高瓦斯抽采效率提供一種新途徑。

1 鉆孔瓦斯抽采衰減影響因素分析

煤層鉆孔瓦斯抽采是通過煤層鉆孔中負壓破壞煤體中原有的“固態瓦斯煤溶液—自由瓦斯—原始水分”三相平衡體系，使煤層瓦斯以解吸、擴散和滲流的方式從煤層中向鉆孔中運移，從而降低煤層中瓦斯含量的一種技術方法。

煤層瓦斯抽采實踐表明，瓦斯濃度和單位時間的鉆孔瓦斯流量隨抽采時間均呈指數下降規律，瓦斯抽采衰減的程度與煤層瓦斯賦存條件、瓦斯抽采方式有關，瓦斯自然衰減、鉆孔封孔質量和瓦斯流動通道堵塞是影響鉆孔瓦斯抽采的主要因素，其中瓦斯流動通道堵塞包含煤層裂隙堵塞和抽采管路堵塞等。在目前煤層的初次增透和封孔質量均獲重視的前提下，瓦斯流動通道暢通成為影響鉆孔瓦斯抽采效果的關鍵因素。

2 高壓氣體循環修復增透機理

2.1 高壓氣體循環修復增透過程

高壓氣體循環修復增透是當抽采鉆孔瓦斯濃度衰減之后，將其與抽采系統斷開，將其抽采管與空氣增壓裝置連接，壓縮氣體注入到抽采鉆孔中，使鉆孔周圍煤體瓦斯達到吸附再平衡，然后突然打開閥門釋放氣體壓力，此時鉆孔周圍的煤體瓦斯便會發生解吸，煤粉、煤渣在高壓氣體的攜帶下沖出鉆孔，從而實現鉆孔修復增透。該方法依靠高壓氣體的循環修復作用，在抽采鉆孔內建立“增壓—卸壓—沖刷”的空氣動力場、使鉆孔周圍煤體瓦斯發生“吸附—解吸”的相位變化場、鉆孔周圍煤體經受“膨脹—收縮—破壞”的交變應力場，這樣“三場”之間相互影響、相互促進，共同實現抽采鉆孔高壓氣體循環修復。

2.2 高壓氣體循環修復增透機理

高壓氣體循環修復過程是向抽采鉆孔及抽采鉆孔周圍煤體內注入高壓氣體，然后再突然打開孔口閥門，使抽采鉆孔內的高壓氣體突然釋放的過程?？梢詮奈浇馕⒂^破壞作用、膨脹收縮宏觀破壞作用和氣體膨脹的破壁沖刷作用3個方面對高壓氣體循環修復增透機理進行分析。

(1)氣體吸附解吸的破壞作用。微觀上瓦斯以3種形式存在煤體中，即以固體瓦斯煤溶液的形式存在于煤基質塊內部或者煤分子中，以吸附態的形式存在于煤孔隙、裂隙的表面，以自由態的形式存在于煤孔隙、裂隙中。抽采鉆孔高壓氣體循環修復過程中，抽采鉆孔周圍煤體反復經受吸附—解吸作用，氣體分子不斷楔入煤基質中，然后又離開煤基質，使得煤基質中出現微空穴，煤基質在此過程中反復發生膨脹和收縮現象，煤基質膨脹和收縮交替發生使煤基質產生變形，并可能發生塑性破壞，進而增大煤體滲透性。

(2)煤體膨脹收縮的破壞條件。高壓氣體循環修復增透過程中，煤體瓦斯發生吸附解吸作用，煤體遭受膨脹和收縮變形，宏觀上煤的應力應變狀態也發生明顯變化。

假設甲烷從煤中解吸時，釋放出的煤的初始容積在分子力作用下將被碳原子充滿，此時煤的結構將發生收縮。據此煤體收縮或者膨脹過程中其體積應變為[11]：

(1)

式中，θc為煤體收縮或膨脹過程中的體積；η為分子容積被煤微粒子的置換程度；ΔG為在煤結構中甲烷分子體積吸附或者解吸的相對值(ΔG=G0-G，G0為煤的初始瓦斯含量)；G為煤的現有瓦斯含量；ρCH4為T=20 ℃條件下甲烷的密度；μCH4和μc分別為甲烷和煤的分子質量。

考慮礦山壓力的作用，則煤在吸附解吸過程中的平均應變可表示為[12-13]：

εcp=(εcp)Γ+θc/3

(2)

當煤為均質體時，煤在吸附膨脹(解吸收縮)情況下的相對線性變形為：

Δε1=Δε2=Δε3=θc/3

(3)

式中，Δε1、Δε2、Δε3分別為煤在各方向上的線應變。

煤的吸附膨脹(解吸收縮)系數可用吸附膨脹(解吸收縮)條件下相對體積應變的導數表示：

(4)

式中，αcp為煤的吸附膨脹(解吸收縮)系數；P為氣體壓力；a、b為吸附常數；ρc為煤的密度；μCH4為甲烷的摩爾質量，μC為碳的摩爾質量。

式(4)反映了煤在高氣體壓力情況下的吸附變形穩定特性，當煤被氣體完全充滿時，其膨脹停止，吸附收縮系數趨于0。

當氣體壓力變化較小時，煤吸附膨脹(解吸收縮)過程中受到的應力可根據式(5)近似計算[14]：

(5)

式中，ΔP為氣體壓力變化量；σcp為由于煤吸附膨脹(解吸收縮)產生的應力，與氣體壓力增大或者減小時的方向一致，表現為煤體受到相應的壓縮或者拉伸。根據式(5)，當氣體壓力減小時，煤體表現為受到拉伸應力，在拉伸應力的作用下煤體將產生大量的微裂紋，從而使得煤體透氣性增加。

(3)高壓氣體的循環修復的破壁沖刷作用。高壓氣體循環修復過程是抽采管路、抽采鉆孔及其周圍煤體組成的封閉空間注氣和高壓氣體突然卸壓的過程。當封閉空間注滿的高壓氣體突然卸壓時，高壓氣體膨脹做功，煤層裂隙中的煤粉會被高壓氣流沖出裂隙進入抽采鉆孔，同時抽采管路、抽采鉆孔中的煤渣發生破裂松動，在高壓氣流的攜帶下煤渣、煤粉被沖出鉆孔，隨著煤渣、煤粉的排出，瓦斯流動通道被打通，瓦斯抽采濃度增加，瓦斯抽采效果提升。

利用高壓氣體對煤壁的沖擊破壞作用和卸壓氣體對孔隙材料的撕裂拉伸破壞作用以及高壓氣體對散料物質的搬運作用，將煤層裂隙堵塞物破碎運出鉆孔，打開瓦斯流動通道，提高抽采鉆孔的抽采效果。

2.3 高壓氣體循環修復增透氣體壓力的確定

抽采鉆孔高壓氣體循環作用過程中，煤體的膨脹收縮產生的拉應力對煤體微裂隙的發育具有重要作用。根據巖石破壞的最大拉應力準則[15]，拉應力應超過煤體的抗拉強度，才能起到促進煤體微裂隙發育發展、提高煤層透氣性的作用。根據煤體膨脹收縮的宏觀破壞作用分析，吸附解吸的氣體壓力差是吸附收縮拉應力的主要決定因素。

為了實現煤體微裂隙產生，高壓氣體循環修復增透氣體壓力的大小應滿足式(6)[16-18]：

|σcp|≥σt

(6)

式中，σt為煤的最大抗拉強度；σcp為由于煤解吸收縮產生的拉應力。

3 高壓氣體循環修復增透試驗

3.1 試驗地點概況

趙家寨煤礦隸屬于河南省新鄭煤電有限責任公司，井田位于河南省新鄭市西側。該礦設計生產能力為300萬t/a，為煤與瓦斯突出礦井。

試驗地點選擇在14205工作面，該工作面主采山西組底部二1煤層，平均厚度4.6 m，煤層堅固性系數0.26，煤層瓦斯含量11.46 m3/t。采用底板穿層鉆孔抽采作為主要區域預抽措施，區域預抽措施的效果對工作面的接替有重要影響，14205上底抽巷是該工作面底板穿層巷道中的一個。14205上底抽巷為全巖巷道，掘進范圍內上距二1煤層底板法距不小于10 m，沿二1煤層走向布置，巷道長度848 m。鉆場布置為中對中，同側約每70 m布置一個抽放鉆場。

3.2 高壓氣體循環修復增透裝置

高壓氣體循環修復增透裝置由空氣增壓泵、自動卸壓閥門、單向閥、控制閥門、壓力表、主機箱體及附件箱組成[19-21]。附件箱內有不銹鋼編織軟管、一體式專用快速接頭、力矩扳手、不銹鋼探測桿等附件、工具。一體式專用快速接頭緊固在抽采鉆孔的抽采管上，通過不銹鋼編織軟管與主機相連。高壓氣體循環修復增透裝置與抽采鉆孔的連接如圖1所示。

圖1 抽采鉆孔高壓氣體循環修復增透裝置結構

高壓氣體循環修復增透裝置依靠壓縮空氣作為動力，通過空氣增壓泵在抽采鉆孔內建立高壓氣源，然后突然卸壓，利用高壓氣體對多孔介質邊壁的拉伸破壞作用和對散料物質的搬運作用，將鉆孔抽采管內堵塞物粉碎成細粉狀并沖出鉆孔，利用煤體增壓吸附膨脹—卸壓解吸收縮作用產生的拉應力形成新的裂隙，增加鉆孔周圍煤體透氣性，從而實現對瓦斯抽采鉆孔的修復增透，提高瓦斯抽采效果。

3.3 高壓氣體循環修復增透氣體壓力的確定

根據趙家寨煤礦二1煤層瓦斯基礎參數測試結果，吸附常數a=29.216 m3/t，b=0.805×10-6Pa-1，瓦斯和煤的分子質量分別為μCH4=16 g/mol、μc=12 g/mol，瓦斯和煤的密度分別為ρCH4=0.67 kg/m3、ρc=1 410 kg/m3，二1煤層的彈性模量E0=0.534×109Pa，瓦斯的動力黏度μ=0.22，修正系數η=0.6，煤的最大抗拉強度σt=0.58 MPa。

將上述參數代入式(5)可計算出，能夠使煤體產生裂隙的最小氣體壓力為0.255 MPa，高壓氣體循環修復增透裝置設計的最高氣體壓力為0.8 MPa，滿足使用要求。

3.4 試驗過程

2019年8月—9月，利用高壓氣體循環修復增透裝置在趙家寨煤礦14205工作面上底抽巷的補47號、補41號、產4號、H19號、取5號、產5號、取4號、H17號、補1號鉆場進行了底板穿層抽采鉆孔的修復增透工業性試驗，試驗鉆孔數量為20個。此次修復增透的鉆孔中，瓦斯抽采時間短的3個月，長的在1年以上，經過一段時間的抽采，瓦斯濃度大多在3%左右，亟須再次進行修復增透措施。修復增透鉆孔的基本參數見表1。

表1 修復增透鉆孔基本參數

試驗方法為在瓦斯抽采鉆孔修復增透前后，分別對鉆孔孔口瓦斯濃度、孔底瓦斯濃度和鉆孔瓦斯純流量進行測定。其中，為了綜合評價修復增透效果，修復增透試驗后鉆孔孔口瓦斯濃度、孔底瓦斯濃度和鉆孔瓦斯純流量的觀測時間為一周，每天觀測1次。

3.5 試驗結果及分析

(1)修復增透前后瓦斯濃度變化分析。利用光學瓦斯濃度測定儀對抽采鉆孔修復增透前后孔口和孔底瓦斯濃度進行了測試，測試結果如圖2和圖3所示。

圖2 抽采鉆孔修復增透前后孔口瓦斯濃度對比

從圖2和圖3可以看出：實施修復增透措施后，抽采鉆孔孔口和孔底瓦斯濃度均有明顯提升。①修復增透前，抽采鉆孔孔口瓦斯濃度為3%～7%，平均3.9%；修復增透后，抽采鉆孔孔口瓦斯濃度為5%～13%，平均7.5%，修復增透后，抽采鉆孔孔口瓦斯濃度為修復增透前的1.92倍。②修復增透前，抽采鉆孔孔底瓦斯濃度為17%～45%，平均27.8%；修復增透后，抽采鉆孔孔底瓦斯濃度為35%～70%，平均49.5%。修復增透后抽采鉆孔孔底瓦斯濃度為修復增透前的1.77倍。

圖3 抽采鉆孔修復增透前后孔底瓦斯濃度對比

(2)修復增透前后瓦斯流量變化分析。在修復增透前后，利用孔板流量計、壓差表及光學瓦斯濃度測定儀等對抽采鉆孔修復增透前后瓦斯流量進行了測試，測試結果如圖4和圖5所示。

圖4 抽采鉆孔修復增透前后瓦斯流量對比

圖5 抽采鉆孔修復增透前后瓦斯純流量關系散點

從圖4、圖5可以看出：實施修復增透措施后，抽采鉆孔瓦斯純流量提升效果顯著。修復增透前，抽采鉆孔瓦斯純流量為0.16～0.67 L/min，平均值為0.29 L/min；修復增透后，抽采鉆孔瓦斯純流量為0.57～1.98 L/min，平均值為0.94 L/min。修復增透后抽采鉆孔瓦斯純流量為修復增透前的3.24倍。

通過分析修復增透前后瓦斯濃度變化和瓦斯純流量變化可以得出，高壓氣體循環修復技術提升瓦斯抽采效果明顯；修復增透措施實施后，由抽采鉆孔孔底向抽采鉆孔孔口，瓦斯濃度沿孔深的分布呈衰減趨勢，特別是在抽采管實管與篩管交界處瓦斯濃度出現衰減拐點，表明修復增透措施對鉆孔的密封有一定的影響。當使用的氣體壓力較大時，應采用二次注漿封孔技術加強對鉆孔的密封，以提升抽采效果。此外，現場監測表明修復增透措施實施后鉆孔瓦斯純流量在1周后仍然會出現較大的衰減，因此可對鉆孔再次實施修復增透措施，以提升煤層瓦斯抽采量。

4 結論

(1)抽采鉆孔抽采后期，瓦斯流動通道堵塞是影響瓦斯抽采效果的關鍵因素之一；高壓氣體循環修復增透作用下，煤體膨脹收縮可使煤體產生大量微裂紋，并且利用高壓氣體的破壁沖刷作用將煤層裂隙堵塞物沖出鉆孔，打開瓦斯流動通道，增加煤層滲透性，延長瓦斯抽采鉆孔生命周期，提高瓦斯抽采效果。

(2)煤體膨脹收縮產生的拉應力大于煤體的最大抗拉強度是煤體微裂隙再發育的基本條件，而吸附解吸的氣體壓力差是吸附收縮拉應力的主要決定因素。

(3)實施修復增透措施后，抽采鉆孔孔口瓦斯濃度為修復增透前的1.92倍，瓦斯純流量為修復增透前的3.24倍，抽采鉆孔瓦斯濃度和瓦斯純流量均有明顯提升，有效解決了松軟煤層瓦斯抽采難題。