高瓦斯低透氣性煤層強化增透抽采技術的現(xiàn)狀及發(fā)展

趙文清　李文輝　潘孝康

摘要：中國大多數(shù)高瓦斯礦井煤層的透氣性都比較低，普通的瓦斯抽采措施短時間內(nèi)很難達到規(guī)范要求。要治理礦井瓦斯災害，并且充分利用瓦斯能源，就必須研究促使煤層卸壓增透的有效措施。本文從高瓦斯低透氣性煤層增透常用技術的原理以及使用條件的角度進行了重點闡述，總結(jié)了高瓦斯低透氣性的煤層在瓦斯抽采增透措施方面的新發(fā)展，得出了合理開發(fā)增透抽采新技術是高瓦斯礦井治理瓦斯災害的主要發(fā)展道路的結(jié)論。

關鍵詞：高瓦斯礦井；透氣性；增透措施；瓦斯抽采

隨著煤礦開采深度的增加，礦井災害日益復雜多樣，煤礦安全生產(chǎn)的壓力也與日俱增。由于我國大多數(shù)高瓦斯礦井煤層都存在透氣性較低的問題，通常采用的瓦斯抽采技術有效性較差，由于抽放鉆孔對煤層的有效作用范圍較小，而在工作面進行鉆孔施工難度較大，煤層抽放效率低下，是造成礦山很難根治瓦斯災害的主要原因。因此，對煤層進行卸壓增透的研究已經(jīng)成為國內(nèi)學者的重點研究對象。增加鉆孔的有效作用范圍，結(jié)合瓦斯運移規(guī)律與卸壓增透的特性，促進卸壓后裂隙區(qū)的高濃度瓦斯快速釋放，達到有效抽采的目的，以期在突出煤層的“卸壓、增透、消突”方面有所突破[1—2]。

1. 高瓦斯低透氣性煤層增透常用技術

1.1 深孔爆破增透技術

1.1.1 深孔控制預裂爆破增透技術

劉健、楊永生等[3-4]系統(tǒng)研究了深孔預裂爆破對低透氣性高瓦斯煤層增透的作用機理，對煤體進行爆破后，爆破孔周邊的煤體發(fā)生破裂與松動形成卸壓區(qū)域，煤體原始應力集中帶和高壓瓦斯區(qū)域向煤體深部移動，一定程度上消除了應力集中，形成了較大的安全區(qū)域和防護區(qū)域。同時造成工作面前方煤體裂隙增多，滲流通道增大，透氣性增強，有益于煤層瓦斯抽采，從而降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量。

采用深孔預裂爆破增透技術是一種可以提高瓦斯抽采率，防治礦井瓦斯災害的可行思路。該技術為通過對煤層注水來降塵和抑制瓦斯涌出的方法提供了基礎，也為治理低透氣性高瓦斯煤層的瓦斯災害提供了有效的方案。但是，如果抽采鉆孔封孔效果不好，也會對深孔預裂爆破的效果造成影響[3、5]。

1.1.2 深孔聚能爆破增透技術

深孔聚能爆破增透機理可概括為：在聚能爆破作用下，爆破孔周邊煤體產(chǎn)生了較大范圍的連通裂隙網(wǎng)絡，在爆破近區(qū)、中區(qū)和遠區(qū)形成了粉碎區(qū)、徑向和環(huán)向裂隙橫縱交錯的裂隙發(fā)育區(qū)以及徑向裂隙存在的裂隙擴展區(qū)。由于聚能裝藥結(jié)構(gòu)不同，與非聚能方向相比，聚能方向的聚能效應導致煤體粉碎區(qū)范圍偏小而裂隙區(qū)范圍較大[6-10]。隨著煤體裂隙增加，透氣性逐漸增大，有利于煤體瓦斯抽采，使煤體瓦斯壓力降低、瓦斯含量減少。聚能爆破作用下的煤體裂隙分區(qū)示意圖如圖1所示[11]。

圖1 聚能爆破作用下的煤體裂隙分區(qū)

深孔聚能爆破增透技術采用聚能裝藥結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮聚能射流侵徹和爆炸能量的疊加作用，克服了普通爆破作用下煤體的過度粉碎，增加了聚能方向煤體裂隙的數(shù)量和深度，形成較大范圍的徑向和環(huán)向裂隙網(wǎng)絡[11]。

1.2 水力增透技術

隨著治理瓦斯災害工作的深入開展，瓦斯抽采技術也不斷發(fā)展，水力增透技術作為瓦斯增透抽采技術中的一大類，主要是用水作為處理煤層瓦斯的手段，如水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等。水力化增透技術按動力源可分為以下兩類[12]：水力割縫、水力壓裂等技術把高壓水作為主要動力源；水力沖孔等將水作為部分動力源。

1.2.1 水力壓裂增透技術

水力壓裂主要分為普通水力壓裂和脈動水力壓裂兩種[13]。

采用注水壓裂破壞煤層是借助水在煤層各種軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)起到的支撐作用。由于水的存在，造成弱面的張開和擴展，從而增加了裂隙的空間體積，裂隙的擴展會使多個裂隙之間連通，從而形成一個橫縱交錯的裂隙網(wǎng)絡。形成的這種網(wǎng)絡化裂隙，會大幅度提高煤層的透氣性[14]。

當采用有較高壓力的脈沖水對煤層進行壓裂時，具有高壓脈動特點的壓力水對煤層不斷的作用，導致煤層中的原生裂隙不斷擴展、貫通，同時產(chǎn)生新的裂隙，大大提高了煤層滲透率[15]。

由文獻[2]知，在鶴壁十礦進行的水力壓裂試驗中，煤層滲透性顯著增加；進行水力壓裂后試驗后，煤層中的瓦斯含量和瓦斯壓力均小于防突規(guī)范里規(guī)定的臨界值，起到了較好的增透消突作用；而壓裂后煤層最大瓦斯抽采濃度提高了6.33倍，單孔平均抽采量提高了17.7倍，卸壓增透效果明顯[2]；在大興煤礦進行的水力壓裂試驗中，水力壓裂后鉆孔最大抽采濃度為80%，平均抽采純流量為0.218m3/min，相對于通孔瓦斯抽采量提高了7.6倍，煤層透氣性系數(shù)提高79～272倍[16]。

林柏泉等[15]為了改進現(xiàn)有卸壓增透技術，解決目前礦井瓦斯治理存在的難題，結(jié)合原有水力壓裂技術，提出了高壓脈動水力壓裂卸壓增透技術。通過理論分析和現(xiàn)場試驗結(jié)合，對脈動壓力在裂隙中的傳播特性以及卸壓增透效果進行了分析。發(fā)現(xiàn)高壓脈動水力壓裂可以使煤體的一些物理參數(shù)發(fā)生反復交變，造成疲勞破壞，進而連通孔隙，提高滲透率。

1.2.2 水力割縫增透技術

水力割縫增透技術主要用于低透氣性、高瓦斯含量、有突出危險性煤層的增透。該技術主要是在煤層鉆孔時借助高壓水射流在孔內(nèi)對煤體進行切割，最終在鉆孔兩側(cè)形成具有一定寬度和深度的扁平縫槽，而水流則將切割下來的煤體通過鉆孔排出，煤層在地應力作用下發(fā)生變形和破壞，使鉆孔之間相互連通，提高了煤層的透氣性，為瓦斯的滲流提供通道[17-19]。

1.2.3 水力沖孔

水力沖孔主要是依靠高壓水的沖擊能力，對煤體造成破壞，最終生產(chǎn)了一個較大的水力掏槽孔。其周邊煤體向孔內(nèi)發(fā)生較大位移，造成煤體發(fā)生膨脹變形，使孔道作用范圍內(nèi)的地應力降低，從而煤層充分卸壓，裂隙增多，煤層透氣性大幅度提高，促進瓦斯?jié)B流。在采用水力沖孔時，水的作用體現(xiàn)在，高壓水作用煤壁，產(chǎn)生了一個較大的掏槽孔，導致周邊煤體充分卸壓，瓦斯大量排放；對煤體的濕潤，減小了煤體的脆性，降低了煤體內(nèi)部的應力集中，從一定程度上抑制了煤和瓦斯突出，達到了綜合防突的效果[20]。

2. 高瓦斯低透氣性煤層增透新技術

2.1 液態(tài)CO2深孔爆破增透技術

溫度低于31℃，壓力為7.2MPa的CO2是液態(tài)的，而當溫度高于31℃時液態(tài)的CO2瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，在這個過程中，CO2的體積發(fā)生快速膨脹，可以對周圍事物造成巨大破壞[21]。將液態(tài)CO2裝在特制的容器內(nèi)（爆破器），在工作面完成鉆孔工作后，依次放入炮管，將爆破管的起爆頭連通引爆電流后，活化器內(nèi)的低壓保險絲發(fā)生快速反應，較高的溫度使容器內(nèi)的CO2在四十毫秒內(nèi)由液體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，體積瞬間膨脹高達600多倍，容器內(nèi)壓力可增大到270MPa[22]。當壓力超過設定值，釋放頭內(nèi)的爆裂盤被打開，高壓CO2氣體瞬間從爆破器內(nèi)發(fā)生爆炸，對鉆孔附近的煤體作用，起到物理爆破的效果。

在滲透性較低且瓦斯壓力較高的煤層中實施CO2預裂爆破，可以充分合理利用氣體爆炸產(chǎn)生的應力波。高壓氣體的瞬間膨脹和巨大的體積變化使煤層中形成了粉碎區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、裂隙區(qū)，給增加煤層滲透性提供了基礎條件[23]。

2.2 高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫增透技術

該技術融合了鉆機鉆進與水射流割縫兩種技術，利用鉆機鉆孔，當鉆頭到達煤層目標位置后，改變鉆頭的工作狀態(tài)，從鉆孔功能切換到割縫功能，然后退鉆，在此過程中進行螺旋切割煤體，形成的卸壓空間形狀近似圓柱狀，在擴孔方面達到了很好的效果，更大范圍的釋放了地應力和瓦斯?jié)撃躘24]。

如果只是采用鉆孔進行卸壓，起到的效果有限，主要原因是鉆孔周圍的應力集中會使部分煤體再次被壓密，從而透氣性降低，阻礙了氣體的滲流；而采用射流割縫生成的縫槽，可以破壞鉆孔周邊的應力集中區(qū)域，從而提高煤體的滲透性。在一定的區(qū)域內(nèi)，進行多個鉆孔割縫，煤體發(fā)生卸壓、變形和膨脹，鄰近鉆孔的影響范圍相互重疊，煤體中就會形成裂隙網(wǎng)絡，實現(xiàn)區(qū)域性整體卸壓增透[24]。

2.3 多重水力卸壓增透技術[25]

從水力壓裂到水力沖孔再經(jīng)過孔間壓裂最后進行二次水力沖孔的一系列卸壓技術稱為多重水力卸壓增透技術。

首先實施高壓水力壓裂，然后在該區(qū)域內(nèi)采用水力沖孔技術，進行水力壓裂后的煤體內(nèi)部裂隙發(fā)生擴展，逐漸形成了裂隙網(wǎng)絡，再采用水力沖孔會增加瓦斯涌出量，由于孔內(nèi)鄰近煤體瓦斯壓力梯度較小，鉆孔周邊的煤體發(fā)生層狀剝離趨勢變緩，因而實施水力沖孔誘發(fā)孔內(nèi)突出的概率便會大大降低。

在水力沖孔后進行孔間煤體壓裂的主要方式是對部分鉆孔采用高壓注水壓裂，把注水孔的鄰近孔當作自由孔，自由孔內(nèi)的空間可以作為鉆孔間煤體壓裂并產(chǎn)生位移的自由面。再次進行高壓注水壓裂使鉆孔之間的煤體向水平方向發(fā)生膨脹變形，起到卸壓增透的作用。

二次水力沖孔是該技術的最后一個環(huán)節(jié)，即對部分鉆孔進行水力沖刷，而需要進行沖孔的鉆孔是自由鉆場鉆孔和一次水力沖孔時沖出煤量較少的鉆孔。

對突出煤層采用多重水力卸壓增透技術，可以達到很好的卸壓效果，與單獨的卸壓技術相比，主要優(yōu)勢在于：可以用同一套高壓供水系統(tǒng)，不用增加額外的設備經(jīng)費；此外，該技術并不影響瓦斯抽采，在實施水力沖孔和孔間壓裂工藝時，經(jīng)過煤水氣分離裝置的分離后，瓦斯便進入了瓦斯抽采管道，鉆孔施工完畢即可進行瓦斯抽采。

2.4 穿層鉆孔孔群增透技術[26]

穿層鉆孔孔群增透瓦斯抽采技術[28]是在確保安全生產(chǎn)的前提下，對鉆孔施工順序進行優(yōu)化的增透技術；在打鉆過程中采用高壓水力誘導噴孔，排出煤渣，促使孔群范圍內(nèi)形成多個噴孔孔洞；孔群范圍內(nèi)的煤體卸壓，煤體的透氣性增大，從而提升瓦斯抽采率。

在底板巷道進行網(wǎng)格式的上向穿層打鉆過程中，利用高壓水誘發(fā)鉆孔噴孔，在孔群范圍內(nèi)形成多個噴孔孔洞；孔群范圍內(nèi)煤體所受應力重新分布，集中應力對煤體造成破壞，并轉(zhuǎn)移到孔群作用范圍以外的煤體中；孔群范圍煤體裂隙經(jīng)過萌生、擴展、貫通，向鄰近的噴孔孔洞發(fā)生膨脹變形，裂隙張開，瓦斯?jié)B流有效通道增大，孔群有效作用范圍內(nèi)煤體的滲透性增大。

由于煤層的非均質(zhì)性和應力作用，孔群的增透效果在均勻性方面相對較差，一般情況下，噴孔孔洞附近煤體的增透效果較好，離噴孔孔洞較遠的區(qū)域的增透效果相對較差。而所有未噴孔的鉆孔都離噴孔孔洞較遠，增透效果也隨之變差，對這些鉆孔進行強化抽采，有針對性地降低這部分煤體瓦斯含量，從而降低增透的不均勻性，通過一段時間的預抽后，煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量會大幅度降低。通過穿層鉆孔形成的孔群增透瓦斯抽采技術是以原鉆孔布置為基礎的，在施工工作量上并沒有減少，但瓦斯抽采效率得到了大幅度的提高，瓦斯預抽時間也大大減少。

3. 增透措施發(fā)展方向

煤礦開采深度越大，煤層賦存特性越復雜，高瓦斯壓力、低透氣性、高地應力、破碎松軟的煤巖等特點越來越顯著。瓦斯抽采增透措施在一定程度上提高了低透高瓦斯煤層的抽采率，但技術設備落后、適用性不強等問題仍需解決，對不同的強化抽采增透措施的適用性還需要進一步的研究。今后的研究重點應該放在以下幾個方面。

（1）強化增透措施的基礎理論研究，理論推導、實驗室實驗和數(shù)值模擬是常見的理論研究方法，也可以跨學科共同研究。

（2）通過大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)合現(xiàn)場實際，適當整合和改進現(xiàn)有的增透措施，綜合利用，形成集成化、多元化的增透措施，分階段、分區(qū)域合理布置，提升增透效果。

（3）針對高瓦斯低透氣性煤層的地質(zhì)特征，（下轉(zhuǎn)29頁）（上接07頁）以集成化、多元化的增透措施為基礎，研發(fā)出信息化和智能化的增透裝備。

（4）采用多學科共同發(fā)展研究的方法，充分學習其他學科已成熟的技術，有針對性地在煤礦采掘、瓦斯治理和煤層增透等方面加強應用。

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