低透氣煤層高壓氣水混壓增透驅替瓦斯技術研究

朱傳杰 劉思遠 伍厚榮 劉 廳 殷紹林成艷英 李連云 王小兵 劉 謙

(1. 中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.四川省煤炭產業集團有限責任公司，四川省成都市，610091；3.四川省華鎣山煤業股份有限公司綠水洞煤礦, 四川省華鎣市，638601；4.龍巖學院資源工程學院，福建省龍巖市，364012)

煤層瓦斯(或稱之為煤層氣)的主要成分是甲烷(CH4)，在過去的幾十年間是煤礦重特大災害事故的主要源頭。隨著全球氣候變暖加劇，CH4也被認為是主要的溫室氣體，其溫室效應是二氧化碳(CO2)的28～34倍[1]，其中煤炭開采是CH4釋放到大氣中的主要途徑之一。當然，CH4也被認為是一種高效的清潔能源[2]，與其他化學能源相比，其燃燒主要產生CO2和水分，其他污染物極少。

通過地面井或井下鉆孔進行抽采，被認為是減少CH4排放和提高其利用率的最主要途徑[3-5]，但煤層的低透氣性導致瓦斯抽采率低，已經成為制約瓦斯高效抽采的瓶頸問題。為此，國內外對煤層瓦斯的強化抽采技術(Enhancement of Coalbed Methane Recovery，ECBM)進行了大量的研究。其中，國內普遍采用的技術措施主要分為高壓水力壓裂(或驅替)[6-7]、水分割縫(或沖孔)[8-13]、煤層預裂爆破(炸藥爆破、CO2相變爆破、高壓電脈沖致裂等)[14-18]三大類。這些技術的共同點是通過在煤層內產生人工裂隙，增加瓦斯運移通道，改善煤層的滲透率，從而提高瓦斯抽采率。但每個技術又有一定的區別和各自的適用條件。

煤層預裂爆破措施主要適用于硬度較大的煤層(例如無煙煤)，在軟煤中難以形成裂隙，起不到增透的目的；相對而言，水分割縫(或沖孔)技術的適用范圍更廣一些，水力沖孔主要用于松軟且具有自噴特征的煤層，為防止高強度的噴孔，通常采用較低的壓力，水力割縫適用于硬度稍大的煤層，對于硬度很高的煤層，近年來又發展出超高壓水力割縫技術；高壓水力壓裂(或驅替)技術可以適用于各種煤層，其注水有效影響半徑大，可以大大節省技術成本，但問題是“水鎖”效應目前還沒有得到有效解決[19]。

CH4主要吸附在煤的納米級孔隙中(具有高吸附性的特征)，以上技術從原理上來講主要是改善煤層的透氣性，難以促進納米級孔隙中瓦斯的解吸，并不能徹底解決煤層瓦斯抽采率低的問題。國外目前采用較多的主要是CO2驅替(CO2-ECBM)技術，其原理是利用CO2吸附能力高于CH4的特點，置換驅替煤層中的CH4[20-21]。該技術以美國應用最為成功，該技術主要用于變質程度不高、開采價值低的低階煤或其他原因不開采的煤層。但該技術在我國很難推廣，主要是CO2注入煤層后，在突出煤層中會誘發突出事故，且后期回采過程中，易造成回風流中CO2超限。

在此背景下，筆者提出了低透氣煤層高壓氣水混壓增透驅替瓦斯技術，即通過向煤層中注入高壓水使其預裂，同時置換驅替納米級孔隙中的CH4，然后注入高壓空氣接觸“水鎖”效應，并驅動多相介質運移。

1 高壓氣水混壓增透驅替瓦斯技術原理

煤孔隙對水的吸附能力要遠高于瓦斯，水分的加入會抑制瓦斯的吸附，或者說，向煤體中注入水分，可以通過競爭吸附置換出部分瓦斯，這一點已經被很多研究者通過試驗或分子模擬結果證實。例如，Krooss等人通過試驗對比了水分對3種不同變質程度煤吸附瓦斯能力的影響，水分的加入確實大大降低了煤孔隙吸附瓦斯的能力[22]。以此為基礎，高壓氣水混壓增透驅替瓦斯的技術原理如圖1所示。

首先，向煤層內注入高壓水，當水的壓力高于煤體的破裂壓力時，會在煤體內部壓裂形成新的人工裂隙，一方面可以加快煤體的潤濕過程，另一方面可以為后期瓦斯運移提供通道。

其次，隨著高壓水在煤體內部的迅速擴散，不斷潤濕煤體，水分子進入煤體納米級孔隙，由于水的吸附能力要高于瓦斯，因此，水分子通過競爭吸附置換出很大一部分瓦斯分子，這些置換出的瓦斯和水分在孔裂隙內形成瓦斯-水兩相介質。

最后，向煤層中注入高壓空氣，瓦斯-水兩相介質及原來煤體孔裂隙中的部分雜質，在高壓空氣的推動下在煤體孔隙和裂隙中運移，高壓空氣在此過程中起到了高壓推動作用，一方面提高了混相介質的運移效率，另一方面間接起到解堵效果。

圖1 低透氣煤層高壓氣水混壓增透驅替瓦斯技術原理

2 高壓氣水混壓增透驅替瓦斯技術裝備及工藝

2.1 裝備組成

根據礦井水力壓裂試驗結果，試驗區域煤層破裂壓力18 MPa；故312北瓦斯抽放巷水力壓裂設備選擇使用額定壓力30 MPa，額定流量315 L/min，壓力可在0～30 MPa間任意調節的乳化泵。空氣壓裂選擇高壓增壓壓縮機，氣量2.0 m3/min，壓力可在0～42 MPa間任意調節，功率55 kW。除乳化泵、增壓機外，水力壓裂混壓系統由壓力表、卸壓閥、單向閥、高壓膠管及相關裝置連接接頭等組成，具體如圖2所示。

圖2 高壓氣水混壓裝備系統

2.2 氣水混壓工藝流程

從以上原理出發，設計了高壓氣水混壓增透驅替瓦斯技術的工藝流程，主要工藝過程如圖3所示，主要步驟如下：

(1)首先在煤層內施工瓦斯抽采鉆孔，并進行聯網抽采，該步驟也可以放在最后，即首先進行高壓氣水混壓，再施工瓦斯抽采鉆孔；

(2)在普通抽采鉆孔之間選取合適的區域施工高壓注入鉆孔，并進行抗高壓密封；

(3)密封完畢后，向高壓注入鉆孔內注入高壓水進行水力壓裂，升壓過程需要逐步加壓，并檢查升壓過程中管路、接頭及鉆孔是否漏水；

(4)開啟空氣壓縮機和高壓增壓機，向先前的高壓水注入鉆孔壓入高壓氣體，觀察增壓機出氣端輸出壓力逐步升壓達到預定值(一般在10～20 MPa之間)，實現煤體孔裂隙中的水分、瓦斯和雜質的驅替；

(5)停止注氣，降壓排采瓦斯。

圖3 低透氣性煤層高壓氣水混壓壓裂驅替瓦斯工藝流程

3 現場試驗及效果

3.1 試驗地點基本情況

試驗地點選取川煤集團綠水洞煤礦K1煤層，煤厚1.30～2.79 m，一般厚2.52 m。采區構造為一單斜構造，煤層傾角比較穩定，變化不大，總體為南較北陡，下較上陡。

該煤層具有煤與瓦斯突出危險性，煤層原始瓦斯含量10.6 m3/t、瓦斯壓力為0.4～3.0 MPa，煤的瓦斯放散初速度△P為7～15、堅固性系數f為0.19～0.36。煤層透氣性系數λ為0.010261～0.022090 m2/(MPa2·d)，均值為0.0161755 m2/(MPa2·d)，屬于單一較難抽放煤層。

以往礦井掘進條帶采用穿層鉆孔預抽煤層瓦斯方法作為區域防突措施，預抽效果差，不僅延長了煤層預抽時間，煤層達不到消突的目的，還直接造成礦井采掘接替緊張，甚至在巷道掘進過程中，時常造成瓦斯濃度超限，給瓦斯管理帶來較大的困難。礦井還先后嘗試各種傳統強化瓦斯抽采措施，都沒有達到效果。為此，在該礦312瓦斯抽放巷(底抽巷)進行穿層高壓氣水混壓增透驅替瓦斯試驗，試驗地點及鉆孔布置如圖4所示。

3.2 煤層殘余瓦斯含量

在煤層內注入高壓水進行壓裂，并注氣驅替后，在多個點取樣測試了煤層的殘余瓦斯含量，殘余瓦斯含量的測試采用直接法(《煤層瓦斯含量井下直接測定方法(GB/T23250-2009)》)。在圖4(a)所示的8號和9號鉆孔之間、12號和13號鉆孔之間及13號和14號鉆孔之間均勻布孔取樣。另外，在試驗區域重新測定了煤層的原始瓦斯含量為9.03 m3/t。取樣點相對比較集中的原因是避免因為瓦斯賦存差異造成的誤差，測試獲得的殘余瓦斯含量如圖5所示。

從圖5可以看出，大部分區域的殘余瓦斯含量降低到了原始瓦斯含量(9.03 m3/t)以下，也都低于7 m3/t，除了一個測點的瓦斯含量為10.51 m3/t(該測點位于12號和13號鉆孔中間)。推測可能是瓦斯在高壓氣水的推動下，集中運移到該位置，使該處的瓦斯含量升高，而在后期降壓排采的過程中，抽采影響半徑未到達該區域，使其殘余瓦斯含量較高。其他幾個鉆孔測試獲得的瓦斯含量都較低，最低的甚至降至1.75 m3/t。煤層瓦斯含量總體降幅在25.14%～80.62%(未考察瓦斯含量升高的異常點)，平均降幅53.17%，這是以往其他單一預抽技術措施都很難達到的效果。

圖4 高壓氣水混壓施工地點及鉆孔剖面示意圖

3.3 瓦斯抽采流量和濃度

(1)年度抽采流量對比。采取高壓氣水混壓措施后，2018年1-12月瓦斯抽采流量和濃度變化情況如圖6所示。312瓦斯抽放巷實施高壓氣水混壓措施后，瓦斯抽放濃度一直穩定在45%以上，最高62%；瓦斯抽放量最高4.9 m3/min，并穩定不衰減。

(2)單孔流量對比。2017年10月和12月采取措施前后平均單孔瓦斯抽采純量對比如圖7所示。2017年10月，在對312瓦斯抽放巷施工的壓裂孔壓裂前，通過膜式煤氣表和高濃度瓦檢器實測，平均單孔抽放量測試為2.43 L/min，平均抽采濃度為31.3%。采取高壓氣水混壓后，2017年12月份測試獲得平均單孔抽放量為13.53 L/min，平均抽采濃度為49.7%。2018年4-6月再次通過膜式煤氣表和高濃度瓦檢器進行檢測，如圖8所示，發現平均單孔抽放量測試為6.45 L/min，抽放濃度為47.6%，比312瓦斯抽放巷高壓氣水混壓前的單孔瓦斯抽采純量增加了2.65倍，抽放濃度增加了16.3%。

圖6 瓦斯抽采流量和濃度演化情況

圖7 采取措施前后平均單孔抽采純量對比(2017年)

圖8 2018年4-6月平均單孔抽采純量變化趨勢

(3)礦井瓦斯抽采總流量。礦井通過實施氣水混壓增透技術后，單孔抽放流量、濃度均得到提升，目前礦井抽采純量達到10.03 m3/min；抽放濃度達到35%以上，最高達到41%，較2017年同期相比，抽采濃度增長了32.4%，2018年礦井瓦斯抽采總量較2017年同期增長了50.2%。礦井瓦斯抽采濃度的提升，還可以為高濃度瓦斯的利用提供潛在基礎。

4 結論

(1)提出了高壓氣水混壓增透驅替瓦斯技術的技術原理，即高壓水的注入起到了破裂煤體的作用，為水分和瓦斯運移提供通道，水分子潤濕煤體進入煤的孔隙內通過競爭吸附置換瓦斯，最后注入高壓空氣可以提高混相介質的運移效率，并起到煤體孔裂隙解堵的作用。

(2)研發了高壓氣水混壓增透驅替瓦斯技術配套工藝及裝備，主要裝備包括乳化液泵、空壓機、高壓增壓機、壓力表、卸壓閥、單向閥、高壓膠管及相關裝置連接接頭等，主要技術工藝包括6個核心步驟。

(3)在四川綠水洞煤礦進行了現場試驗，平均單孔瓦斯抽采純量從2.43 L/min提高到6.45 L/min，增加了2.65倍，平均抽采濃度從31.3%提高到47.6%，增加了16.3%。煤層瓦斯含量總體降幅在25.14%～80.62%，平均降幅53.17%，取得了顯著的效果。

目前雖然已初步探索出了高壓氣水混壓增透驅替瓦斯技術工藝和裝備，并在現場實施取得了較好的初步效果，但是由于該技術是國內外所做的首次嘗試，很多基礎理論、設備工藝參數以及試驗設計等問題今后還需要深入研究。