低透煤層瓦斯治理技術的研究

摘要：礦井瓦斯是危害煤礦安全生產的重要因素之一，頻發的瓦斯災害嚴重地威脅著井下工人的人身安全，制約礦井發展。瓦斯治理的有效性成為高瓦斯礦井安全高效開采的前提和基礎，本文將就低透煤層瓦斯的治理結束進行相關探討。

關鍵詞：低透煤層瓦斯;卸壓增透;整體卸壓

（一）低透煤層瓦斯現狀

煤層氣俗稱“瓦斯”，是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分，以吸附在煤基質顆粒表面為主，部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。一方面，煤礦開采是瓦斯涌出威脅著煤礦安全生產;另一方面，煤層氣燃燒能產生大量的熱，并且幾乎不產生任何有毒有害的氣體，是清潔能源。其熱值與天然氣相當，可以與天然氣混輸混用，所以它是非常好的燃料，可以用作工業燃料、生活燃料等，不論是從煤礦開采安全的角度還是從能源利用的角度，都應在開采前或開采的同時對瓦斯進行抽采利用。但是我國95%以上的高瓦斯礦井所開采的煤層都屬于低透氣性煤層，煤層的低透氣性導致大部分煤層抽采困難，嚴重影響了瓦斯的抽采利用率，制約著這個清潔能源的開發利用的發展。所以，研究增加煤層的透氣性的技術，從而加大瓦斯抽采率是非常有必要的。

（二）低透氣煤層瓦斯處理現狀

煤體透氣性的影響因素主要有地應力、瓦斯壓力、孔隙裂隙結構等因素。為了增加煤層的透氣性系數，國內外的許多研究人員從改變應力狀態、卸壓、增加孔裂隙發育程度等方面進行了不少探索，常用的有：

（1）高瓦斯低透氣性煤層增透傳統技術;采動卸壓增透技術主要是指利用臨近煤層或臨近區域開采、保護層開采，使本區域煤巖體或位于被保護層上、下層位的煤巖體受到采動的影響，煤巖體中應力應變狀態和瓦斯壓力參數發生變化，使煤體的滲透系數、煤體內瓦斯滲流速度、瓦斯涌出量劇增，導致瓦斯解吸，在孔裂隙中擴散滲流，從而為瓦斯抽采提供有利條件。保護層開采結合被保護層卸壓瓦斯抽采已成為優先采用的區域性瓦斯治理技術。

（2）利用采空區卸壓增透，其原理都是煤體受采動擾動，造成應力重新分布，卸壓，以達到增透的效果。鉆孔或造穴增透技術：利用鉆孔等方法使煤巖體的某些區域形成一定的空洞，從而改變煤體應力狀態，造成媒體內裂隙、孔隙的重新分布，使原有裂隙擴大、貫通或形成新的裂縫，以此提高媒體的透氣性系數。

（3）鉆孔卸壓增透法，各項研究或工程實踐根據實際開采和地質情況，采用不同的布孔方式，常采用的是密集布孔、網格式抽采、立體交叉、斜交與垂直工作面結合等方法。在鉆孔的基礎上進行掏穴或者稱為造穴，對周圍媒體進行再一次擾動，使卸壓更加充分，增透效果更加顯著。在底板巷穿層鉆孔中進行了掏穴增透強化抽采技術試驗。實踐證明掏穴后鉆孔中瓦斯濃度可以增長5～6倍，瓦斯抽采量明顯增長。掏穴增透強化抽采技術施工簡單，不需要過多的儀器設備，但是效果很顯著，值得推廣應用。

（4）高能液體擾動致裂增透技術;此增透技術主要是利用注入高能液體擾動媒體，使應力場重新分布，煤體內的裂縫和裂隙的數量、長度、張開度均得到增加，增大了煤層內裂隙、裂縫和孔隙的連通面積，達到卸壓進而改變煤層的透氣性系數的目的。有關高能流體擾動卸壓增透技術主要包括水力割縫、水力壓裂、煤層注水、水力掏槽、水力擴孔、水力擠出以及后來興起的高壓磨料射流割縫等。水力壓裂是以水作為動力，使煤體裂隙暢通的一種措施。煤體整體均勻卸壓，吸附瓦斯快速解吸，致使煤體滲透率大大提高。煤體卸壓后，小部分瓦斯解吸隨水流出煤體，大部分瓦斯通過鉆孔抽出。水力致裂在井下保護煤層、單一突出危險煤層中大量使用，實踐證明這種技術在這種煤層中提高儲層滲透率效果顯著，并且由于水力致裂技術的經濟性和易操作性，使它成為在井下保護煤層、單一突出危險煤層中最常用的增透技術措施。水力割縫是在減少鉆孔數量的同時，在煤體中切割一定長度的扁平的裂縫，煤體內應力重新分布，使煤層達到較好的卸壓和增透效果。

（5）整體卸壓理念，在煤層開采過程中，利用高壓磨料水射流對兩側的實體煤進行沖蝕、切割，隨著切割的深入，在兩側煤體內形成一條扁平槽縫，被切割下來的煤體隨水流帶出鉆孔外。通過射流割縫，鉆孔內煤體的暴露面積增加，從層內自我解放，內部卸壓，為煤體內瓦斯流動和釋放創造條件，增加了煤層的透氣性。該技術可用于具有突出或沖擊危險的煤層，使煤體得到充分和快速卸壓、增透，提高抽采瓦斯的能力;同時還能將掘進面前方的更大區域的媒體中瓦斯和地應力進行快速釋放，減少了掘進工作的危險性，使掘進工作環境更為安全;再次是它用水量相對較少、工藝簡單、操作方便等;另外還可以減少用于消突的瓦斯排放鉆孔的個數。所以它在技術上、安全上和經濟上都具有實際應用價值。

（6）控制爆破增透技術;利用深孔控制爆破技術使爆炸產生的爆生氣體對煤體擾動，利用爆炸沖擊波和爆炸應力波的動態沖擊使煤體應力場重新分布，在爆破震裂、高壓爆生氣體和煤層原始瓦斯壓力的尖劈致裂的共同作用下，克服煤體強度及煤層地應力，使煤體內的裂縫和裂隙的數量、長度和張開度均得到增加，增大了煤體內裂縫、裂隙和孔隙的連通面積，從而改變煤體的透氣性系數。如深孔聚能爆破增透技術、深孔松動爆破卸壓增透技術、預裂爆破增透技術及水壓爆破技術等。

（7）深孔預裂爆破技術是除普通深孔以外，輔助以控制孔，實現爆炸孔之間、爆炸孔與控制孔之間及其周圍煤體的定向預裂，從而達到卸壓增透的效果。在實際應用和研究中，發現一般深孔爆破粉碎圈范圍大而斷裂帶半徑小，增透效果不足，目前也有用深孔聚能爆破和水壓爆破，利用有聚能穴的裝藥方法和在聚能穴上安裝聚能罩，或者在藥柱和炮孔壁之間裝水的方法，進一步增加徑向裂隙個數和煤層滲透性。

（三）低透性煤層瓦斯治理的發展

可控的煤與瓦斯突出開采技術，煤與瓦斯突出時會大量噴出瓦斯和粉煤流，雖然煤與瓦斯突出對煤礦開采來說是災難，但是煤與瓦斯突出時的巨大能量其實是可以利用的，煤與瓦斯突出的過程中瓦斯能粉碎煤體，使煤巖體發生破壞失穩和拋出，同時瞬間大量噴出瓦斯。煤與瓦斯突出的動力主要是煤體受地應力作用產生的彈性變形能和煤體內游離瓦斯的瓦斯膨脹能。在低透氣性高瓦斯煤層內瓦斯處于封閉狀態，應力集中區的高壓瓦斯是具備對外做功的瓦斯膨脹能，如果瞬間改變煤層內外的瓦斯壓力差就可以使煤與瓦斯突出;而注入氣體保持煤層內外的壓力差，使煤與瓦斯盡可能地連續發生突出，就可以連續拋出更為破碎的粉煤流，形成很大區域的卸壓。如果這一過程能夠得到很好控制，可以利用這個煤層中瓦斯自有能力實現煤與瓦斯共采，但仍需要我們不斷努力。

超聲激勵增透開采技術;超聲激勵煤層增透技術是一種不受甲烷儲層地質條件和氣源特性限制，具有普遍應用價值的增采技術，但由于煤巖致密和裂隙、孔隙度存在多尺度效應，甲烷解吸、滲流規律受儲層介質尺度效應影響的增透促吸機理尚不明確。所以探尋超聲波增透機理，分析超聲激勵低滲透煤層前后變化規律，建立超聲激勵低滲儲層煤層氣運移理論，為設計適合工程現場的超聲激勵技術提供理論依據和實驗基礎，將是此技術將來的研究方向。

結語

在取得的這些基礎上，我們仍需要不斷探索煤與瓦斯共采的技術，合理整合和改進現有增透技術，多種方法綜合使用，分階段、分區域合理布置，控制瓦斯災害，采用新技術新方法實現安全和效益的雙贏。

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