低滲透性高瓦斯煤層水力強化抽采技術研究

李志剛

低滲透性高瓦斯煤層水力強化抽采技術研究

李志剛

(陽泉煤業集團新大地煤業有限公司，山西 和順 032700)

瓦斯抽采是解決煤礦瓦斯災害事故的主要方法，而煤層瓦斯滲透性是決定瓦斯抽采效果的重要影響因素。對于低滲透性高瓦斯煤層，采用水力強化抽采技術可以有效增加煤層瓦斯滲透性，從而提高瓦斯抽采效率。本文分析了水力割縫、水力壓裂瓦斯強化抽采技術的原理及工藝。探討了利用高壓水流沖擊煤體的水力割縫和水力壓裂強化瓦斯抽采方法的可行性。

瓦斯抽采;水力強化抽采;卸壓增透

我國煤礦90%是井工生產，煤層賦存條件變化復雜，其中，有約51%的礦井屬于高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，而隨著煤礦采深的不斷加大，瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故對煤礦安全生產的威脅越來越大。目前，煤礦為了消除或減少瓦斯災害對礦井安全生產帶來的威脅，常常利用人工卸壓的方式，使用機械設備和專用巷道、鉆孔抽采從煤層中卸壓釋放出來的瓦斯，并將其做為原料和燃料加以利用，“變害為利”、“變廢為寶”，即煤層瓦斯抽采。然而，我國煤層瓦斯賦存具有微孔隙、低滲透率、高吸附的特征，給瓦斯抽采帶來了很大的技術難題。

解決這一問題方法是提高煤層瓦斯的滲透性。影響煤層滲透性的主要因素有：煤的孔隙結構、煤的裂隙、地應力和煤的水分等。在承受載荷時，煤中裂隙及孔隙縮小和閉合，導致煤的瓦斯滲透性降低;反之，對煤層進行卸壓，裂隙和孔隙將張開擴大，煤體伸張變形，同時產生新的裂隙，滲透性將增大。目前，煤礦主要是利用人工卸壓增透的方法來強化煤層瓦斯的抽采效果。局部水力強化瓦斯抽采技術可以有效地提高局部煤層瓦斯滲透性，增加煤層孔隙率，提高瓦斯抽采效率。

1 煤層局部瓦斯水力強化抽采技術

1.1 水力割裂強化瓦斯抽采

水力割縫法的工作原理是在煤層瓦斯卸壓鉆孔內采用高壓水射流對鉆孔內壁進行水力切割，從而起到增加煤層裂隙數，增大瓦斯滲透率，提高瓦斯卸壓程度與范圍的目的。通過鉆頭噴射出的高壓水射流，在鉆孔內壁兩側沖擊出2條一定深度的縫槽，而沖擊出的煤塊被水流帶出鉆孔。鉆孔內切出的縫槽起到了增大煤體暴露面積，提高煤體瓦斯滲透率的作用，從而提高瓦斯的抽采效果，如圖1所示。水力割縫法抽瓦斯的效果，取決于水射流切割煤體的效率。

圖1 水力割縫卸壓瓦斯示意圖

水力割縫強化瓦斯抽采技術使用的高壓水射流割縫設備是由高壓水泵、鉆桿、輸水器、液壓管、高壓水割縫噴頭、噴嘴等組成。割縫前先在煤體內鉆出一定深度的鉆孔，之后將高壓割縫裝置安裝好。高壓水通過高壓泵泵入液壓管，通過鉆桿到達高壓水割縫碰頭，然后從直徑為2.0～3.0 mm的噴嘴向鉆孔內壁兩側噴射高壓水射流，在內壁兩側噴射切割出2條縫槽，達到提高煤層卸壓范圍的目的。煤層鉆孔水力割縫示意圖見圖2。

圖2 水力割縫煤層鉆孔切割示意圖

采用高壓輔助鉆進及割縫時，可以從工作面運輸巷和回風巷內向煤層中打深孔。結合高壓水切割的需要，設計主要參數：鉆孔直徑、鉆孔間距和布置、鉆孔深度及角度、封孔方法、鉆(割)水壓力。

1.2 水力壓裂強化瓦斯抽采

煤層是一種由煤分層組成的地質體，而煤分層具有多微裂隙、多孔隙結構。水力壓裂技術的工作原理就是將水高壓壓入煤層鉆孔內，當水壓入的速度遠遠超過煤層的自然吸水能力時，由于流動阻力的增加，進入煤層的水的壓力就逐漸上升，當水的壓力超過煤層上方的巖壓時，煤層內原來的閉合裂隙就會被壓裂形成新的流通通路，煤層滲透性就會增加;而當壓入的水被排出時，壓開的裂隙就為煤層瓦斯的流動創造了良好條件，從而達到了提高煤體瓦斯滲透性，增大瓦斯卸壓范圍，提高瓦斯抽采效果的目的。

當前為了取得較好的壓裂效果，擴大裂縫范圍，高壓高速、大流量、壓裂液體是水力壓力增透技術的主要發展方向。該技術的卸壓效果取決于壓裂施工設備的能力和管線的摩擦阻力損失。同時對于煤層來說，由于煤體較軟，壓裂結束后煤層應力逐漸恢復時，壓裂裂縫內的支撐砂粒有可能嵌入煤體內失去支撐裂縫的作用，因此，煤體水力壓裂是否需要加砂，需要加什么樣的支撐劑、加多少量，還是一個需要試驗探討的問題。水力壓裂卸壓示意圖見圖3。

圖3 水力壓裂卸壓示意圖

煤層水力壓裂系統的主要組成部分見圖4。

圖4 煤層水力壓裂裝置示意圖

2 結論

煤礦瓦斯抽采，必須充分考慮煤層的賦存特點，采取合理的抽采方式。當煤層瓦斯滲透性低，透氣性差時，應采用必要的人工強化抽采方法，提高煤層瓦斯滲透性，從而提高瓦斯抽采效率。通過分析研究，利用高壓水流沖擊煤體的水力割縫和水力壓裂強化瓦斯抽采是可行的方法，同時這些技術依然存在一些問題需要進行探討研究。

［1］ 林柏泉，呂有廠，李寶玉，等.高壓磨料射流割縫技術及其在防突工程中的應用［J］.煤炭學報，2006(10)：50－56.

［2］ 林柏泉，何學秋.煤體透氣性及其對煤與瓦斯突出的影響［J］.煤炭科學技術，1991(4)：50－53.

［3］ 胡殿明，林柏泉.煤層瓦斯賦存規律及防治技術［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2006：63－65.

［4］ 馮增朝.低滲透性煤層瓦斯強化抽采理論及應用［M］.北京：科學出版社，2008：23－25.

［5］ 孫茂遠，黃盛初，王 璽，等.煤層氣開發利用手冊［M］.北京：煤炭工業出版社，1998：11－14.

［6］ 林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2010：98－99.

［7］ 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術［M］.北京：煤炭工業出版社，2001：56－58.

［8］ 袁 亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術［M］.北京：煤炭工業出版社，2004：41－43.

［9］ 于不凡.王佑安.礦井瓦斯災害防治及利用技術手冊［M］.北京：煤炭工業出版社，2000：32－34.

［10］ 趙 嵐.水力割縫提高低滲透煤層滲透性實驗研究［J］.太原理工大學學報，2001，32(2)：109－111.

［11］ 李同林.水壓致裂煤層裂縫發育特點的研究［J］.地球科學—中國地質大學學報，1994，19(4)：537－545.

Study on Hydraulic Strengthening Extraction Technology in the Coal Seam with Low Permeability and High Gas

Li Zhi－gang

Gas extraction is the main method to solve the gas incidents in the coal mine，and seam gas permeability is important factors that determine the effect of gas extraction.For low permeability and high gas coal seam，using hydraulic strengthening extraction technology can effectively increase the permeability of coal seam gas，thereby enhance the efficiency of gas extraction.This article analyzes the principle and process of gas strengthening extraction technology of hydraulic cutting and hydraulic fracturing.Discusses the feasibility of the strengthening extraction method of hydraulic cutting and hydraulic fracturing which using high pressure water flow impact coal seam.

Gas extraction;Hydraulic strengthening extraction;Pressure relief and permeability improvement

TD712+.6

A

1672－0652(2012)04－0008－02

2012－02－27

李志剛(1987—)，男，寧夏固原人，2010年畢業于華北科技學院，助理工程師，主要從事采煤技術工作(E －mail)veorain1986@163.com