低滲透性煤層強(qiáng)化抽采瓦斯的研究現(xiàn)狀

摘 要：我國煤礦普遍進(jìn)入深部開采，煤層透氣性也隨著開采深度增加而變小，礦井瓦斯嚴(yán)重影響和制約了煤礦安全高效生產(chǎn)，尤其低滲透性難抽煤層，利用常規(guī)的瓦斯布孔方式及抽采參數(shù)進(jìn)行抽采，往往很難達(dá)到想要的抽采效果；本文總結(jié)和論述目前大多數(shù)煤礦進(jìn)行的強(qiáng)化抽采瓦斯的方法，對(duì)其適用性進(jìn)行分析，并對(duì)強(qiáng)化抽采瓦斯的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：煤層透氣性；低滲煤層；強(qiáng)化抽采；抽采效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.073

0 概述

目前我國的煤炭開采普遍進(jìn)入了深部開采，地應(yīng)力增大，瓦斯含量及壓力大，且深部受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，煤層的瓦斯含量較高，煤層透氣性較小，為煤礦的安全高效開采帶來一定的困難[1]。目前我國的礦井瓦斯抽采效率普遍較低，對(duì)其原因分析主要如下：煤層瓦斯含量較高、瓦斯壓力低、煤體滲透性低、瓦斯的煤體吸附量不飽和程度高，煤層中低瓦斯壓力難以形成瓦斯運(yùn)移的動(dòng)力，煤層的低滲透性不能為為瓦斯運(yùn)移提供有效的運(yùn)移路徑，受到溫度、壓力、煤的吸附特性等因素使飽和度高使游離瓦斯量較少，瓦斯抽采效果較差。

1 煤層透氣性現(xiàn)狀分析

我國95%以上高瓦斯和突出礦井屬于低透氣性煤層，滲透率只10-3～10-4 md，瓦斯抽放困難、瓦斯抽放效率低是國內(nèi)突出礦井普遍存在的技術(shù)難題。尤其隨著開采深度的加深，地應(yīng)力增大，煤體中裂隙閉合，使煤層透氣性很小，且瓦斯在煤層小孔及微孔以擴(kuò)散的形式流動(dòng)，晝夜流動(dòng)僅幾厘米到幾米之間，煤層形成后，受到地層的地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)，煤體中原巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，煤體是以塑性破壞為主的低滲透性的結(jié)構(gòu)。如何將煤層瓦斯高效抽出是亟待解決的問題，因此，我們有必要對(duì)煤層瓦斯采取強(qiáng)化抽采的方法，我們一方面提高煤層透氣性的同時(shí)還要充分對(duì)抽采參數(shù)進(jìn)行合理的選取，這樣會(huì)有效的降低瓦斯壓力及含量，提高抽采效率[2]。

2 強(qiáng)化抽采瓦斯的技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 高壓水?dāng)U孔技術(shù)

我國煤礦在深部開采過程中，煤體有彈性煤體進(jìn)入塑性煤體，對(duì)于彈性煤體而言，鉆孔成孔率高，出現(xiàn)塌孔可能性小，瓦斯抽采相對(duì)容易，對(duì)于目前我國大多數(shù)煤礦都進(jìn)入例如深井開采，尤其煤體由彈性煤體變?yōu)樗苄悦后w，軟煤層厚度增加，打鉆過程中排渣困難，尤其是在煤層中水力化鉆進(jìn)過程中，容易出現(xiàn)煤泥，導(dǎo)致鉆機(jī)扭矩增大而卡鉆，鉆桿切斷等現(xiàn)象，高壓水?dāng)U孔技術(shù)先在煤層打小直徑鉆孔，利用高壓水將鉆孔周圍煤體旋轉(zhuǎn)切割下來，形成更大的空洞和扁平縫隙，煤層由于煤體被切割和沖洗出來后。一方面煤體厚度變薄，煤體卸壓，煤體的地應(yīng)力釋放，煤層的透氣性增大；另外一方面，煤體的孔隙裂隙增大，增加了瓦斯在煤體中的流動(dòng)通道。高壓水射流擴(kuò)孔技術(shù)噴出高壓細(xì)射流、又能自行旋轉(zhuǎn)的噴嘴對(duì)鉆孔周圍媒體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，同時(shí)通過鉆桿沿鉆孔軸向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成對(duì)鉆孔的徑向連續(xù)擴(kuò)孔，從而擴(kuò)大了鉆孔直徑，增大了鉆孔的卸壓范圍及抽采有效半徑，增加了鉆孔的抽放量[3]。高壓水射流破巖的優(yōu)點(diǎn)是：在軟煤體中，煤體強(qiáng)度低，由水力沖孔可以將松軟煤體切割下來并由高壓水帶出鉆孔，存在缺點(diǎn)：在施工過程當(dāng)中，瓦斯涌出量大，為保證工人的安全作業(yè)，需要加大風(fēng)量。

2.2 地面水力壓裂技術(shù)

地面水力壓裂技術(shù)是石油及煤層氣行業(yè)目前應(yīng)用廣泛的技術(shù)，通過地面高壓泵體將高壓水作業(yè)動(dòng)力，使煤體孔隙-裂隙導(dǎo)通的一種增透措施，在煤層氣開發(fā)中應(yīng)用廣泛。通過地面打井向壓裂區(qū)域注入高壓水流體，高壓水的水壓力會(huì)因受到阻力增加，當(dāng)高壓水壓力超過阻力的強(qiáng)度后，會(huì)將阻礙高壓水進(jìn)入裂縫的煤巖體破碎或?qū)⒘芽p增大，由于該技術(shù)主要用于地面，且地面壓裂會(huì)給煤巖體沖入支撐介質(zhì)物體，對(duì)煤體的煤質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，且煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，勘探不精確可能導(dǎo)致壓裂的失敗，地面水力壓裂技術(shù)施工工藝復(fù)雜，因此存在一定的局限性，對(duì)于極薄煤層，地面水力壓裂也是發(fā)展的方向。

2.3 水力割縫技術(shù)

水力割縫技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用技術(shù)是將高壓水作為動(dòng)力能源，利用高壓水對(duì)水力割縫技術(shù)在20世紀(jì)70年代在鶴壁四礦、六礦進(jìn)行了鉆孔水力割縫強(qiáng)化抽采瓦斯試驗(yàn)，最初水力割縫設(shè)備比較簡單，當(dāng)鉆孔達(dá)到指定的深度，退出鉆桿取下鉆頭換下高壓割縫鉆頭，再次送到孔底位置，割縫工藝不是連續(xù)的，在退鉆過程中往往會(huì)對(duì)鉆孔周圍卸壓帶的破壞煤造成二次破壞，可能會(huì)導(dǎo)致鉆孔塌孔；20世紀(jì)80年代，隨著割縫工藝的不斷改進(jìn)，水力割縫已形成連續(xù)割縫，鉆進(jìn)后利用特別設(shè)備在退鉆時(shí)候，割縫器工作進(jìn)行割縫。

鉆孔周圍破碎煤體進(jìn)行切割和破碎，最終在鉆孔周圍形成一個(gè)具有一定深度和寬度的裂縫，使煤體厚度變小，煤體卸壓，增大透氣性，和保護(hù)層開采卸壓增透原理類似，適用性：目前煤礦突出危險(xiǎn)性煤體則適用水力割縫，但是存在一定的局限性，高壓水水壓有限，由于人為在工作面操作原因，形成的裂縫寬度和厚度有限，只能進(jìn)行局部的消除突出危險(xiǎn)性，對(duì)于區(qū)域性消除突出危險(xiǎn)性，目前還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2.4 長深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)

從20世紀(jì)50年代開始，國內(nèi)就采用了鉆孔松動(dòng)爆破方法來提高開采層的瓦斯抽放效果，深孔松動(dòng)預(yù)裂爆破是通過在工作面打爆破孔和空眼，空眼作用相當(dāng)于自由面起到定向和導(dǎo)向作用，在爆破孔中裝上炸藥，通過爆破產(chǎn)生的裂縫連通爆破孔和空眼，每隔一定距離進(jìn)行預(yù)裂爆破，從而消除突出危險(xiǎn)性，優(yōu)點(diǎn)：工人對(duì)于打眼爆破程序相對(duì)熟悉，施工相對(duì)方便，工人可接受能力和主觀能動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)；同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)存在以下問題：①鉆孔成孔難以保證；②出現(xiàn)瞎炮因?yàn)檠b藥位置深，難以排除瞎炮；③炸藥爆炸的能力大部分消耗在破碎煤的過度粉碎上[4]，提高突出煤層透氣性井下瓦斯抽采的有效工藝技術(shù)迫在眉睫。

2.5 高能氣體強(qiáng)化抽采技術(shù)

將不同的壓裂藥品進(jìn)行配置，反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生高溫高壓氣體作為動(dòng)力，通過特定的程序來控制壓裂藥品的能量釋放，形成系統(tǒng)的動(dòng)力對(duì)煤層進(jìn)行壓裂增透。在煤礦應(yīng)用方面河南理工大學(xué)王兆豐將氮?dú)饧岸趸加脕眚?qū)替[5]甲烷增加抽采效果進(jìn)行了試驗(yàn)。其主要的作用機(jī)理為驅(qū)替效應(yīng)、稀釋擴(kuò)散效應(yīng)、壓力梯度抬升效應(yīng)、置換效應(yīng)及膨脹增透效應(yīng)。其中主要為由于煤層對(duì)甲烷的吸附能力小于二氧化碳，利用煤層注入二氧化碳會(huì)使強(qiáng)化置換出甲烷分子，從而降低煤層吸附的瓦斯量。當(dāng)注入氮?dú)獾膲毫_(dá)到一定值后會(huì)對(duì)煤層產(chǎn)生拉伸破壞，從而增大其透氣性。endprint

2.6 井下鉆孔水力壓裂強(qiáng)化抽采瓦斯

井下水力壓裂技術(shù)是由地面水力壓裂技術(shù)引入井下，主要原理是通過高壓水進(jìn)入煤體后，水壓力逐漸增高，大于煤巖體的破碎壓力后，會(huì)使煤巖體裂縫增大或者產(chǎn)生新的裂縫，這樣的過程重復(fù)進(jìn)行，最終形成大量的裂縫和裂隙網(wǎng)絡(luò)，增大透氣性，使煤層由難以抽采變?yōu)槿菀壮椴伞?/p>

對(duì)壓裂試驗(yàn)的封孔問題，主要有以下幾方面：裂隙破壞區(qū)及塑性區(qū)內(nèi)部裂隙、封孔材料與鉆孔孔壁之間密閉及封孔材料凝固后產(chǎn)生的裂縫。尤其在軟煤層中[6]，封孔一方面難以將裂隙全部封堵，另一方面難以將封孔材料下放到指定的位置。

井下鉆孔水力壓裂可根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)不同，選擇不同的工藝。對(duì)于突出煤層（碎粒煤、糜棱煤）可將地面虛擬儲(chǔ)層強(qiáng)化工藝引入，對(duì)于原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤可將地面本煤層壓裂工藝引入。

3 結(jié)語

（1）對(duì)于有保護(hù)層開采條件的礦井，首先優(yōu)先選擇保護(hù)層開采，保護(hù)層開采效果明顯且瓦斯治理成本相對(duì)較低；

（2）研究和更新鉆機(jī)設(shè)備，提高在松軟煤層的成孔概率，松軟煤層瓦斯鉆孔的成孔很大程度決定強(qiáng)化抽采技術(shù)的實(shí)施；

（3）水力化增透技術(shù)目前仍然是強(qiáng)化增透的主要技術(shù)措施，進(jìn)一步完善壓力泵及配套的水力化設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮增朝.低滲透煤層瓦斯強(qiáng)化抽采理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]王魁軍，張興華.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J]. 中國煤層氣，1999，3（01）：13-16.

[3]劉磊.淺談孔中壓水割縫與交叉鉆孔抽放瓦斯綜合防突技術(shù)[J]. 煤礦開采，2007，12（03）：83-85.

[4]石必明，俞啟香.低透氣性煤層深孔預(yù)裂控制松動(dòng)爆破防突作用分析[J].建井技術(shù)，2002，23（05）：27-30.

[5]楊宏民，張鐵崗，王兆豐等.煤層注氮驅(qū)替甲烷促排瓦斯的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（05）：792-796.

[6]李國旗，葉青，李新建等.煤層水力壓裂合理參數(shù)分析與工程實(shí)踐[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，20（12）：73-78.

作者簡介：周玉軍（1988-），男，河南洛陽人，碩士研究生，從事煤礦開采和礦井瓦斯治理的教學(xué)和科研等工作。endprint