煤層瓦斯強(qiáng)化抽采水力增透技術(shù)綜述

郭孟志 許要濤 文要飛

摘要：由于我國(guó)大多數(shù)煤礦煤層透氣性都比較差，利用常規(guī)的瓦斯抽采技術(shù)，抽采純量和濃度偏低，嚴(yán)重影響了礦井正常生產(chǎn)，本文采用水力強(qiáng)化增透技術(shù)，增加煤體中的裂隙和孔隙，提高抽采濃度和抽采純量，使瓦斯抽采成本大大降低，保護(hù)了礦井的安全高效生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采；水力壓裂；強(qiáng)化抽采

引言

煤礦是我國(guó)主要能源之一。隨著煤礦的大量開采，礦井災(zāi)害也日益增加，煤礦安全生產(chǎn)的壓力也與日俱增。其中瓦斯事故是礦井災(zāi)害的主要事故之一。當(dāng)煤礦瓦斯與空氣混合并達(dá)到一定濃度時(shí)，容易發(fā)生爆炸事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，煤礦瓦斯也是一種可利用的清潔能源，其熱值是煤的2～5倍，可用于工業(yè)生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面。因此，進(jìn)行瓦斯抽采、降低煤礦瓦斯?jié)舛仁潜ＷC煤礦井下作業(yè)人員生命安全和煤礦安全生產(chǎn)的必要要求，也是開發(fā)利用新能源的需要。近年來(lái)，國(guó)家十分重視煤礦瓦斯的抽采利用，出臺(tái)了多項(xiàng)政策，鼓勵(lì)支持煤礦瓦斯的抽采利用工作。

一、我國(guó)煤層瓦斯抽采現(xiàn)狀

穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽煤體瓦斯是原始突出煤層

煤巷掘進(jìn)的主要防突措施，這些措施的應(yīng)用起到了一定的防突和綜合治理瓦斯效果。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于我國(guó)高瓦斯突出煤層透氣性低，原始煤層預(yù)抽瓦斯抽采半徑小，需采用密集鉆孔強(qiáng)化抽采才能達(dá)到防治煤與瓦斯突出規(guī)定的要求。煤層的透氣性是影響鉆孔抽采瓦斯效果的主要因素之一，對(duì)于低透氣性的高瓦斯煤層，采取切實(shí)有效的技術(shù)手段提高煤層的透氣性，是提高煤層瓦斯預(yù)抽效果的最佳途徑。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)層內(nèi)增大煤體透氣性進(jìn)行了大量的研究，如深孔預(yù)裂控制爆破，在爆破孔周圍形成壓縮粉碎圈和連通裂隙網(wǎng)；水力割縫，利用高壓水射流在煤層中切割水平裂縫，使原始煤層產(chǎn)生不均勻變形和破壞；水力沖孔，通過(guò)高壓水射流在煤體中沖出較大直徑的孔洞過(guò)程中排出大量瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，形成卸壓排放瓦斯區(qū)域；水力壓裂，通過(guò)鉆孔向煤層壓入水，使煤體裂隙暢通，以增大煤體透氣性，增加瓦斯排放量。目前被各礦區(qū)廣泛推廣應(yīng)用的卸壓增透措施有水力沖孔技術(shù)和水力壓裂技術(shù)，這兩項(xiàng)措施在不同煤層均取得較好的應(yīng)用效果，通過(guò)實(shí)施水力沖孔和水力壓裂措施，引起鉆孔周邊煤巖體應(yīng)力降低，卸壓增透，強(qiáng)化抽放效果。

二、強(qiáng)化抽采水力增透技術(shù)原理及應(yīng)用

（一）水力壓裂增透技術(shù)原理

水力壓裂通過(guò)以大于濾失速率向煤層中注入高壓水，最終在一定的范圍煤層內(nèi)形成大量裂縫，并溝通煤層原生和次生裂縫，提高煤層透氣性。在煤礦井下，受到設(shè)備排量限制，不能像地面水力壓裂實(shí)現(xiàn)大面積增透。多數(shù)情況下，水力壓裂的結(jié)果往往僅沿著最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生一條主裂縫，在垂直于最大主應(yīng)力方向的煤層通常得不到有效改造。這一點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)得到驗(yàn)證，主要表現(xiàn)為，壓裂鉆孔和最大主應(yīng)力方向附近鉆孔壓裂后抽采量有明顯提高，其余鉆孔抽采量提高幅度不大，甚至較壓裂前減小。水力沖孔利用高壓水射流的沖擊力，破壞、剝離作用范圍內(nèi)的煤體，在鉆孔周圍形成大的孔洞，孔洞周圍煤體在地應(yīng)力作用下向孔洞移動(dòng)，煤體膨脹變形，煤體得到充分卸壓，煤層透氣性大幅度增高，促進(jìn)瓦斯解吸和排放。然而，對(duì)于硬煤或者軟硬互層的煤層，水力沖孔往往不能有效破碎煤層致使增透效果大打折扣。水力壓沖將兩者結(jié)合起來(lái)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，通過(guò)水力壓裂在煤層中形成主裂縫，形成瓦斯運(yùn)移高速通道，形成單元增透，并降低煤體強(qiáng)度。通過(guò)水力沖孔出煤卸壓，造成孔洞周圍煤體膨脹變形，增加裂縫數(shù)目；并借助水力沖孔誘導(dǎo)鉆孔噴孔，其周圍裂隙在高壓瓦斯作用下產(chǎn)生以拉伸為主的破壞，同時(shí)形成徑向引張裂隙、周緣引張裂隙、剪切裂隙和轉(zhuǎn)向裂隙。水力壓沖最終通過(guò)“水力壓裂單元增透，水力沖孔出煤卸壓”，在作用范圍內(nèi)形成多級(jí)裂隙體系，使煤層中縫網(wǎng)分布更加均勻，煤層透氣性得到最大程度的提高。

（二）穿層鉆孔孔群增透技術(shù)

穿層鉆孔孔群增透瓦斯抽采技術(shù)是在確保安全生產(chǎn)的前提下，對(duì)鉆孔施工順序進(jìn)行優(yōu)化的增透技術(shù)；在打鉆過(guò)程中采用高壓水力誘導(dǎo)噴孔，排出煤渣，促使孔群范圍內(nèi)形成多個(gè)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(jìn)行網(wǎng)格式的上向穿層打鉆過(guò)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(gè)噴孔孔洞；孔群范圍內(nèi)煤體所受應(yīng)力重新分布，集中應(yīng)力對(duì)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(guò)萌生、擴(kuò)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。

（三）多重水力卸壓增透技術(shù)

從水力壓裂到水力沖孔再經(jīng)過(guò)孔間壓裂最后進(jìn)行二次水力沖孔的一系列卸壓技術(shù)稱為多重水力卸壓增透技術(shù)。首先實(shí)施高壓水力壓裂，然后在該區(qū)域內(nèi)采用水力沖孔技術(shù)，進(jìn)行水力壓裂后的煤體內(nèi)部裂隙發(fā)生擴(kuò)展，逐漸形成了裂隙網(wǎng)絡(luò)，再采用水力沖孔會(huì)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(shì)變緩，因而實(shí)施水力沖孔誘發(fā)孔內(nèi)突出的概率便會(huì)大大降低。在水力沖孔后進(jìn)行孔間煤體壓裂的主要方式是對(duì)部分鉆孔采用高壓注水壓裂，把注水孔的鄰近孔當(dāng)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(jìn)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。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于高瓦斯、低滲透性、構(gòu)造復(fù)雜的突出煤層，運(yùn)用傳統(tǒng)穿層鉆孔抽采瓦斯，存在孔徑變小、塌孔、抽采時(shí)間長(zhǎng)、抽采效率低的缺點(diǎn)，而穿層鉆孔水力噴射壓裂—沖洗卸壓強(qiáng)化技術(shù)能夠有效解決此類煤層的增透問(wèn)題。通過(guò)高壓水射流切割煤體、高壓水力封堵壓裂和沖出煤粉卸壓等多種增透措施，可以在較大的影響范圍內(nèi)提高鉆孔的抽采瓦斯效果。對(duì)煤礦已經(jīng)聯(lián)抽但抽采量低下的穿層鉆孔進(jìn)行水力沖洗卸壓強(qiáng)化改造，提高抽采量。此類鉆孔強(qiáng)化作業(yè)需要根據(jù)已有鉆孔的情況設(shè)計(jì)合理的強(qiáng)化鉆孔布置和泵注程序，以最大限度地沖出煤粉，充分卸壓和疏通鉆孔為目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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