礦井瓦斯“2-111”高效抽采新理念*

王世斌，吳學明，王 鵬，宋 超

(1.陜西煤業股份有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安710065；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯合工程研究中心，陜西 西安 710065；4.煤炭行業煤炭綠色開采工程研究中心，陜西 西安 710065)

0 引言

瓦斯作為影響礦井安全生產的重要因素，一直是煤礦防治的重點。受煤層埋藏與覆存條件的影響，陜煤集團所屬的韓城、銅川、彬長、黃陵等礦區礦井均為高瓦斯礦井且瓦斯資源存藏豐富。其中，韓城礦區桑樹坪煤礦、下峪口煤礦為煤與瓦斯突出礦井，彬長礦區胡家河煤礦、孟村煤礦為沖擊地壓礦井，黃陵礦區二號煤礦為煤油氣共生礦井，各種災害相互交織，大大增加了礦井瓦斯治理難度，嚴重威脅礦井安全生產。近年來，陜煤集團在瓦斯治理方面做了大量研究工作，采用了開采保護層、CO2爆破—相變致裂[1]、大直徑鉆孔、高位鉆孔等一系列手段，形成了一批代表性成果。但隨著礦井采掘速度的提升，采掘接續矛盾加大，“采—抽”不平衡日益凸顯，急需開發一種瓦斯高效抽采工藝。同時，瓦斯作為一種清潔能源，其熱值高，工業附加值大，但受制于瓦斯抽采濃度低，乏風量大，管路漏氣嚴重，抽采濃度不穩定等一系列因素的影響，礦井瓦斯利用還處在較低水平。

研究表明[2]，要實現瓦斯的高效抽采，其關鍵點是破壞瓦斯存、儲、蓋等大環境，釋放瓦斯煤體周邊應力，通過施加外部動力，克服分子間范德華力，達到卸壓、消突及瓦斯高效抽采的目的。基于上述理念，國內相關學者開展了大量的現場研究工作，并取得了積極的效果。任仲久應用水力沖孔技術實現了低透氣性突出煤層瓦斯的高效抽采[3]，蘇偉等采用變徑高位鉆孔布置技術實現了瓦斯抽采濃度與存量的大幅提升[4]，筆者等采用液態CO2置換驅替CH4技術將桑樹坪二號井抽采體積分數和存量分別提升[5]。上述研究或采用卸壓方式，或采用驅替方式，其中，卸壓方式作用范圍有限，卸壓半徑不大，對煤體大量吸附瓦斯不能有效脫附；驅替方式由于煤體致密，煤體內沒有大量裂隙存在，運移通道不暢，實際效果并不明顯。

基于此，結合高壓水射流割縫和液態CO2驅替的技術特點，提出了“2-111”礦井瓦斯高效抽采新理念，即在單孔內開展2種技術作業，1次割縫卸壓，1次氣相脫附驅替及1次導向擴沖驅氣的瓦斯高效抽采新模式。

1 礦井瓦斯“2-111”高效抽采理念

隨著對瓦斯資源認知的轉變及國家對環境的大力保護，出現了一批以提高瓦斯抽采濃度及高效利用新技術、新工藝。如：以穿層孔、高位(大直徑)鉆孔、隅角埋管等為主的鉆孔卸壓抽采技術[6]；以水力壓裂、水力割縫、深孔爆破、二氧化碳爆破等為主的鉆孔卸壓增透技術；利用N2、CO2等液態惰性氣體對煤層瓦斯進行驅替，降低游離瓦斯及吸附量的注氣技術；采用超聲波激勵、電磁脈沖、人工地震等物理機械方法為主的物理場激勵增透技術。而要實現瓦斯高效抽采，大幅提升瓦斯抽采濃度，就必須考慮瓦斯在煤體中的流動特征和煤體吸附瓦斯快速脫附特性。

“2-111”抽采理念從技術上可有效解決“卸”與“脫”的抽采難題，形成“以割卸壓、以氣驅替、監測監控、高效利用”的新模式，可實現礦井瓦斯高效抽采及高效利用，達到礦井瓦斯“零排放”目標，其技術模式如圖1所示。

圖1 瓦斯煤體“2-111”高效抽采技術理念

1.1 高壓水射流割縫卸壓增透原理

高壓水射流割縫技術是一種充分利用高壓水作為沖擊動力源(如圖2所示)，從抽采鉆孔孔壁至煤體進行掃圈式切割、排渣，最終在煤體中形成縫槽的技術。這種方法是用鉆割一體鉆頭在煤層中先打一定孔徑卸壓鉆孔，然后退鉆時在鉆孔內利用高壓水射流沿孔壁對煤體進行切割，在垂直鉆孔方向形成多條具有一定寬度和深度的扁平縫槽，利用水流將切割下來的煤渣排出孔外。從而達到煤體增透、降溫、降塵、卸壓的目的。

圖2 高壓水射流噴嘴出水現場(出水壓力80 MPa)

采用高壓水射流割縫措施后，扁平縫槽相當于在局部范圍內開采了一層極薄的保護層，達到層內的自我解放，給煤層內部卸壓、瓦斯釋放和流動創造了良好的條件，其結果是縫槽上下的煤體在一定范圍內得到充分卸壓，增大了煤層的透氣性，使縫槽周圍的煤體向縫槽產生一定的位移，擴大了縫槽卸壓和排放瓦斯的范圍，降低預抽時間，減少瓦斯抽采鉆孔數，實現快速高效抽采目的。

1.2 CO2氣相驅替原理

CH4和CO2與煤分子之間作用力的差異，導致煤對CH4和CO2吸附能力有所不同。研究發現，沸點越高，被吸附的能力越強，甲烷沸點-161.49 ℃，CO2沸點-78.48 ℃，因此CO2在煤表面具有更強的吸附能力。通過對單組份氣體的吸附實驗可知，同一煤樣對不同氣體的吸附量大小順序為CO2>CH4，相互間的比值卻隨壓力和煤種的變化而變化，隨壓力的升高，CO2/CH4的吸附量比值逐漸降低。當壓力較高時，吸附量增加幅度為CH4>CO2，所以在低壓下有利于進行CO2驅替煤層瓦斯。

圖3為煤體瓦斯與CO2吸附競爭過程，液態CO2注入煤體后，其迅速轉化為氣體，隨著高壓水射流割縫裂隙圈的形成，儲存在煤層中的CH4會沿裂隙釋放出來，由于煤對CO2的吸附能力大于煤對CH4的吸附能力，而且對CO2的吸附速度也快于對CH4的吸附速度。當煤層中注入CO2后，由于CO2的強吸附力，CO2與煤基質微孔隙中的瓦斯產生了競爭吸附，從而將原來吸附在煤層中的CH4置換出來，達到驅替目的。

a-煤體原始CH4；b-CO2注入中；c-CO2與CH4競爭；d-CO2驅替CH4圖3 煤體瓦斯與CO2吸附競爭過程

2 礦井瓦斯高效抽采工藝

2.1 高壓水射流割縫工藝

高壓水射流割縫系統包括鉆割一體鉆頭、高壓輸水鉆桿、進口高壓旋轉器、獨立轉頭、鉆切轉換器、高壓輸水膠管、高壓泵組等。系統能提供100 MPa的水射流高壓，在進行切割時，配用鉆機作為推進旋轉器，現有鉆機無需進行改動。

其中，鉆割一體化鉆頭是集鉆進和切縫為一體，在正常鉆進時，操作方式不變，高壓鉆桿接旋轉水變，鉆頭前面的軸向水孔正常出水，鉆進至設計深度；鉆孔到位后拆除鉆桿使鉆割一體化鉆頭后退移動至設計切縫位置，高壓鉆桿后加高壓旋轉水變，鉆機勻速轉動帶動鉆割一體化鉆頭轉動，開啟高壓泵鉆頭軸向水道關閉。徑向射流噴嘴開啟，在鉆孔的煤壁上切割。連續割縫10～15 min，采用后退方式逐步卸掉鉆桿，完成割縫頭的分段后退，實現同一鉆孔內煤體分段割縫。

該工藝完整操作流程為：鉆機、高壓泵等設備轉運至鉆場→固定鉆機、高壓泵等設備→確定方位、傾角→開孔→鉆進至終孔→連接高壓管路→開啟高壓泵→鉆機旋轉鉆頭切割→關閉高壓泵→泄壓→拆除規定根數鉆桿→連接高壓管路→開啟高壓泵→鉆機旋轉鉆頭切割→關閉高壓泵→退鉆。

2.2 液態CO2氣相驅替工藝

液態壓注工藝系統如圖4所示，系統主要由液態CO2槽車、柱塞加壓泵、數據采集儀、渦輪流量計、壓力變送器、耐壓輸送管路、控制閥等組成。

圖4 液態CO2壓注試驗設備連接示意圖

液態CO2槽車自身壓力一般為0～2.4 MPa，壓注壓力為2～3 MPa，壓注量根據抽采鉆孔自身體積周邊裂隙影響圈范圍(煤體體積)計算，同時考慮CO2脫附置換量，盡可能留有富余；壓注工藝流程為：采用“兩堵一注”工藝對高壓水射流割縫后的瓦斯抽采鉆孔進行封孔，完成封孔質量檢測；將CO2槽車的排氣口與加壓泵進氣相入口連接，將CO2槽車的排液口與加壓泵進液相入口連接，將加壓泵出液口與出液總管路連接；打開CO2槽車排氣口閥門和封孔器注液閥門1、管路閥門2，建立槽車、加壓泵和鉆孔的氣相平衡；關閉CO2槽車排氣口閥門，打開CO2槽車排液口閥門，并在加壓泵出液口與閥門2連接管路上安裝流量計，開啟加壓泵，向孔內壓注液態CO2；液態CO2經加壓泵持續進入壓注孔，在線監測鉆孔壓力、管路流量，持續觀察檢驗孔的壓差變化；注液結束后，關閉壓注孔口閥門，對鉆孔保壓，放空管路壓力；最后打開抽采系統進行瓦斯抽采及觀測收集單孔和單日瓦斯抽采數據。

為了掌握“2-111”高效抽采工藝全過程中CO2壓注及瓦斯抽采變化過程，及早發現注入過程中的安全隱患，可采用改進型瓦斯抽采實時監控系統。該系統能夠自動、連續、實時采集作業施工區域CH4與CO2濃度、壓注孔口壓力、壓注流量、瓦斯抽采量等，實現數據自動接收、自動分析處理，實時判斷注入CO2量達標及瓦斯抽采狀態，及時發出指令，防止事故發生，確保壓注安全可控。當系統檢測到抽采管路中CO2濃度升高時，即可轉動截止閥，調整或關閉液態CO2注入量。

3 高效抽采相關案例分析

3.1 案例分析

山西焦煤西山煤電集團公司屯蘭礦采取高壓水射流割縫增透技術后，瓦斯抽采平均濃度為常規鉆孔的2.86倍，支管瓦斯抽采純流量是未割縫前的2.6倍，煤層殘余瓦斯含量下降了3.618 m3/t[8]。平寶煤業公司首山一礦采取高壓水射流割縫增透技術后，單孔瓦斯抽放量提高3～4倍，最高達到5倍以上，瓦斯抽放濃度基本穩定在60%～80%，提高2～3倍[9]。義馬煤業集團新安礦采取高壓水射流割縫增透技術后，比未割縫前瓦斯抽采濃度增加了2～3倍，鉆孔瓦斯涌出初速度最大值由割縫前的20 L/min降到割縫后的4 L/min，下降80%左右，有效消除了突出危險[10]。韓城礦區桑樹坪二號井采用液態CO2驅替技術后，抽采瓦斯體積分數是原始體積分數的2.5倍，抽采純量為原始純量的3.5倍，液態CO2驅替CH4試驗的有效影響半徑達到18 m，效果顯著，消除了突出危險[5]。

由表1可知，高壓水射流割縫增透技術和液態CO2驅替技術均能有效提高煤層瓦斯抽采效率，根據事件概率加法原理，提出的“2-111”瓦斯高效抽采技術理念可大幅度提升瓦斯抽采效率。

3.2 技術優勢

與傳統抽采方法相比，礦井瓦斯“2-111”高效抽采技術模式具有以下優勢：

表1 高效抽采前后瓦斯參數數據對比

(1)提前弱化煤體結構，增大驅氣范圍，同時增加煤體濕潤半徑，有效降低開采過程中煤塵和煤體溫度。

(2)可大幅減少抽采鉆孔數，實現一孔復用，降低瓦斯治理費用，高壓水射流割縫鉆孔相比傳統瓦斯抽放鉆孔，可減少一半以上工程量，相應的施工時間減少50%。

(3)對煤與瓦斯突出煤層、沖擊地壓煤層等嚴重災害礦井，能達到煤(巖)體卸壓目的，能有效降低沖擊造成的大面積瓦斯超限及事故發生概率。

(4)礦井瓦斯“2-111”高效抽采技術縮短了抽采達標時間，大大緩解回采工作面接續緊張的局面。

(5)通過高壓水射流割縫與液態CO2氣相驅替2種技術作業及特點的融合，增加了瓦斯抽放孔周邊煤體的裂隙通道，煤體應力重新分布，達到均衡狀態，煤體瓦斯抽采效率大大提升。

(6)壓注的液態CO2(可多次壓注)能有效降低煤體和采空區的溫度，鈍化了煤的自由基，可減緩煤自燃災害的發生，有效降低防滅火的費用。

(7)可有效提升瓦斯抽采濃度，實現乏風瓦斯大幅度降低，可解決高瓦斯低滲透煤層瓦斯抽采難題，實現瓦斯高質量抽采。

(8)抽采出的高濃度瓦斯可實現高附加值的轉換，可實現高效清潔利用，大幅減少礦區碳排放量。

(9)礦井瓦斯“2-111”高效抽采可替代高抽巷(及高位鉆孔)的留設，減少巖巷掘進量(及打鉆)費用，避免因留設高抽巷而衍生的采空區漏風及煤自燃風險。

4 結論

(1)礦井瓦斯“2-111”高效抽采技術理念是結合了高壓水射流割縫技術與液態低溫CO2驅替技術的特點、優勢，實現在單孔內開展2種技術作業，1次割縫卸壓，1次氣相脫附驅替及1次導向驅氣的“2-111”瓦斯高效抽采新模式，同時也為瓦斯“零排放”及高效利用提供了新方法。

(2)礦井瓦斯“2-111”高效抽采方法可大幅度降低抽采費用，提升抽采系統瓦斯流量及濃度，減少乏風瓦斯量，減少瓦斯鉆孔數，節省抽采時間，同時可有效緩解煤自然發火難題，遏制沖擊造成的大面積瓦斯超限及事故發生概率，甚至可代替高抽巷及高位鉆孔功能。經濟效益顯著，技術優勢突出，具有廣闊的推廣應用前景。