低透氣性煤層瓦斯抽采正壓氣體置換增透研究

李爭元

(山西晉煤 太鋼能源有限責任公司，山西　呂梁　033000)

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·試驗研究·

低透氣性煤層瓦斯抽采正壓氣體置換增透研究

李爭元

(山西晉煤 太鋼能源有限責任公司，山西呂梁033000)

通過對比分析國內目前煤層增透技術現狀，理論上研究了瓦斯抽采鉆孔周圍瓦斯流動狀態，針對高瓦斯、低透氣性煤層瓦斯抽采困難的情況，提出了鉆孔正壓置換增透方案。該方案具有設備投入少，現場操作簡單，增透效果明顯等特點。通過工業性試驗可知，鉆孔瓦斯濃度和流量相比都有大幅度提高，抽采的穩定性有所增加且該技術不受鉆孔角度影響，為煤礦瓦斯安全抽采起到積極作用。

低透氣性煤層；瓦斯抽采；正壓氣體置換增透技術；工業性試驗；濃度；流量

我國是煤炭能源的消費大國，煤炭在我國一次性能源結構中一直占50%以上，未來幾十年煤炭在能源消費中占比將保持在50%以上，隨著我國煤炭產量逐年提升，我國煤礦已經開始向深部區域開采。隨著開采深度的增加，煤層的透氣性降低，煤層內瓦斯含量增大，瓦斯越來越制約礦井煤炭安全生產。按照國家先抽后采的原則，瓦斯預抽是防止煤炭生產發生重大事故的關鍵措施。

我國70%左右的國有重點煤礦都為高瓦斯礦井，隨著開采的進行，大部分煤層均為低透氣性煤層，其滲透率一般在 0.1×10-6～1.0×10-6μm2，即便是水城、沁水、霍崗、江西等滲透率較好的礦區也僅為0.1×10-3～1.8×10-3μm2，與國外同等埋深煤層相比，其滲透率還低2～3個數量級[1].國內煤礦現狀決定了我國礦井在開采沒有保護層的情況下，必須增加煤層透氣性才能快速預抽煤層瓦斯,實現煤炭安全、高效生產。

1　低透氣性煤層增透技術現狀

影響煤層透氣性的主要因素有瓦斯壓力、地應力、孔隙裂隙結構等因素。為了增加煤層的透氣性系數，國內外科研人員從卸壓、改變應力狀態、增加孔裂隙率等方面進行了研究。目前，高瓦斯低透氣性煤層增透技術主要有采動卸壓增透技術、鉆孔增透技術、高壓液體射流增透技術、深孔爆破增透技術和超聲激勵增透開采技術等。

相關實驗研究表明，當開采深度超過500 m時，水力壓裂等高壓射流增透法的增透效果就開始逐漸減弱；水力割縫增透法也有其局限性，多適合在煤層順層抽采水平孔和上行孔瓦斯鉆孔內使用；深孔爆破法要用炸藥或者CO2等高壓氣體對煤孔進行沖擊，此項工藝對爆破的操作和工藝要求較高。現有這些增透技術操作較復雜，或經濟不合理，因此，研究一種現場可操作性強、增透效果好、安全性高，易普及的增透方法尤為重要[2].

2　正壓氣體置換增透技術

2.1鉆孔瓦斯流動分析

當瓦斯抽采鉆孔垂直貫穿煤層時，煤層中將形成同心圓狀的瓦斯壓力等值線，瓦斯將向鉆孔呈現二維流動，其流動符合達西定律。由達西定律、鉆孔瓦斯流動的連續性方程、鉆孔瓦斯流動的運動方程、鉆孔瓦斯流動氣體狀態方程[3],在煤層的透氣性差,煤層瓦斯壓力變化緩慢的條件下,根據P.M.克里欽夫斯基近似法,將式中變系數項代換為常數項，得出以下公式:

(1)

(2)

式中：λ=k/2μpn為煤層透氣性系數，m2/(MPa2·d).

2.2正壓氣體置換增透技術方案

正壓氣體置換增透技術的主要原理是在原先布置的抽采鉆孔方位上封孔后，間隔使用正壓氣體壓入和負壓氣體抽出鉆孔來布置瓦斯抽采鉆孔，用正壓空氣來置換鉆孔周圍煤層中的瓦斯，盡可能地增大瓦斯抽采鉆孔和正壓鉆孔之間的壓力差[4-5].達到增加煤層瓦斯透氣性作用。具體方案見圖1.

圖1　正壓氣體置換增透技術方案圖

該方案試驗首先在煤層中布置鉆孔，按照低透氣性煤層的鉆孔布置經驗，瓦斯抽采鉆孔間距設定為800 mm，鉆孔采用75 mm鉆頭開孔施工，正壓鉆孔在鉆孔施工完成后擴孔鉆頭擴孔到130 mm，施工120 m水平定向鉆孔。采用囊袋式注漿封孔器進行封孔，封孔深度必須進入鉆孔原始應力區域，封孔后1號鉆孔和3號鉆孔采用連接負壓為15 kPa的瓦斯抽采管路。2號鉆孔接入井下風管，保持風壓在0.5～1 MPa.其原理圖見圖2.

圖2　正壓空氣置換瓦斯鉆孔增透原理圖

2.3技術方案考察方法

在同一巷道對應相同底板高度施工36個瓦斯抽采鉆孔，3個鉆孔為1組，共計6組鉆孔，其中3組為上行孔，3組為下行孔，一組全部為瓦斯抽采鉆孔，進行瓦斯抽采，另外一組為試驗組，選擇中間鉆孔進行正壓輸入。每隔1 h記錄2組瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度和混合流量，并計算出鉆孔純流量。

如果加壓鉆孔周圍考察鉆孔的瓦斯濃度和流量相比對照組的鉆孔提高5%，可以說明鉆孔抽采半徑選取合理，如果相比對照鉆孔瓦斯濃度和流量大幅度提高，說明正壓空氣置換低透氣性煤層增透效果明顯。

3　工業性試驗

該試驗選取地點的煤層參數為：滲透率0.32×10-6μm2，瓦斯壓力為0.76 MPa,瓦斯含量為12.5 m3/t,煤層厚度為3.54 m，煤層條件為低滲透率，高瓦斯煤層。

根據試驗方案，分6組進行瓦斯抽采鉆孔正壓氣體置換試驗，試驗材料為：36個瓦斯抽采鉆孔(6組)、防爆空壓機(出口氣壓0～2 MPa)、氣源處理器、變面積式瓦斯流量傳感器(DN50)、瓦斯濃度傳感器(0～100%)等。

3.1抽采濃度對比

根據井下試驗情況，觀察瓦斯濃度得出了濃度對比曲線，見圖3，圖4.

圖3　正壓置換觀察組濃度圖

圖4　正壓置換對照組濃度圖

根據試驗情況可知，正壓置換觀察組平均瓦斯抽采濃度相比原始抽采濃度提高40%，且瓦斯濃度衰減比較慢，瓦斯濃度穩定性高。試驗表明，瓦斯抽采鉆孔正壓置換可以提高瓦斯抽采濃度。

3.2鉆孔流量對比

根據井下試驗情況，觀察流量計顯示，得出了瓦斯流量對比曲線，見圖5，圖6.

根據試驗情況記錄參數可知，正壓置換觀察組平均瓦斯鉆孔流量相比原始抽采鉆孔流量提高18.9%，且普遍鉆孔瓦斯抽采流量比較高，鉆孔瓦斯流量計較穩定。試驗表明，瓦斯抽采鉆孔正壓置換可以提高鉆孔瓦斯流量。

4　結　論

通過現場工業性試驗分析，在低透氣性煤層鉆孔瓦斯抽采情況下，利用瓦斯抽采鉆孔正壓置換增透技術，相比原始瓦斯抽采鉆孔平均濃度提高40%，鉆孔瓦斯抽采平均流量提高18.9%. 該技術方案的應用可以提高瓦斯抽采濃度和瓦斯流量，減緩鉆孔瓦斯濃度的衰減，穩定瓦斯抽采濃度和鉆孔瓦斯流量，使用不受鉆孔角度影響，為煤礦瓦斯及時安全抽采起到積極作用。

圖5　正壓置換觀察組流量圖

圖6　正壓置換對照組流量圖

[1]程遠平，付建華，俞啟香．中國煤礦瓦斯抽采技術的發展[J].采礦與安全工程學報，2009，26(2):137-139.

[2]高坤.高壓空氣沖擊煤體增透技術實驗研究[J].礦業安全與環保，2011，38(6):9-10.

[3]周世寧,林伯泉.瓦斯賦存與流動理論[M].北京：機械出版社，1999:57-66.

[4]馬宏宇，楊宏民，王兆豐.煤層低壓注氣有效影響半徑測定[J].煤礦安全，2011，42(4):93-95.

[5]夏會輝，楊宏民，陳進朝，等.注氣配合順層鉆孔強化預抽煤巷條帶瓦斯技術[J].煤礦安全，2012，43(6)：36-37.

Research on Positive Pressure Air Antireflection Technology of Gas Extraction in Low Permeability Coal Seam

LI Zhengyuan

Through comparative analysis of current situation of coal seam antireflection technology, gas flow state around gas extraction drilling is studied by theory. Aiming at gas extraction difficult in high gas and low permeability coal seam, drilling positive pressure air antireflection scheme is put forward. The project has the characteristics of less equipment investment, simple operation and obvious antireflection effect. Through industrial experiments, it is known that the gas concentration and flow rate of drilling holes are greatly improved, the stability of extraction is increased and the technology is not affected by drilling angle. It plays a positive role for coal mine gas safety extraction.

Low permeability coal seam; Gas extraction; Positive pressure air antireflection technology; Industrial test; Concentration; Flow

2016-05-19

李爭元(1971—)，男，山西運城人，1994年畢業于中國礦業大學，工程師，主要從事技術管理工作

(E-mail)409922061@qq.com

TD712

A

1672-0652(2016)06-0037-03