高瓦斯低透氣性煤層增透技術發展現狀及前景展望

張曉剛，姜文忠，都 鋒

（1.煤炭科學研究總院，北京100013；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

我國現階段開采的煤層以低透氣性煤層為主，具有構造復雜、透氣性差、高瓦斯含量、且多為煤與瓦斯突出煤層等特點，低透氣煤層的瓦斯治理作為亟待解決的難題一直困擾著煤礦企業。通過國內外科研機構的多年攻關，試驗研究了多種對煤體進行增透強化抽采本煤層瓦斯的方法，已形成配套工藝技術及裝備，雖然增透技術難度較大及受條件所限，還處于試驗階段，尚未廣泛推廣，但在煤礦瓦斯治理過程中也發揮了重要作用。

1 煤層瓦斯增透技術分類

煤層透氣性是影響煤層抽采的主要原因。要提高煤層透氣性必須改變煤體的結構或實現煤體卸壓。根據增透原理的不同，可將提高煤層透氣性的方法分類為5 種：①在煤層上部或下部進行采掘活動，煤層受采動影響實現大范圍卸壓，如開采保護層[1-3]；②在煤層中注入高壓水等將煤體壓裂，然后注入支撐劑（砂等）保持裂隙通道，改變其透氣性，如水力壓裂[4-6]等；③采用高能氣體爆破致裂煤體，如深孔控制預裂爆破、高壓空氣致裂、二氧化碳相變致裂[7-9]等形成高能氣體作用到周邊存在自由面的煤體時造成煤體內裂隙容積擴展，起到煤層增透的效果；④從煤層里掏出部分煤體形成空洞，造成煤層應力重新分布，形成新的裂隙，如水力割縫、水力沖孔（造穴）、大直徑鉆孔[10-17]等；⑤采用如超聲波、溫升、凍漲等物理化學方法處理煤層或可控沖擊波[18-20]等提高煤層透氣性的其它方法，目前還在探索階段。

2 煤層瓦斯增透技術及裝備

2.1 保護層開采增透技術

開采保護層是通過先開采無突出危險的煤層來使被保護層達到卸壓消除突出危險的目的。 由于保護層開采造成的采動影響而使其頂板和底板一定范圍內的煤（巖）層內的瓦斯因卸壓、膨脹同時產生采動裂隙，大幅度的增加煤層透氣性，通過抽采卸壓瓦斯使煤層瓦斯壓力和瓦斯含量大幅降低。

淮南礦區為煤層群開采，適合進行保護層開采。淮南礦業集團在潘一、潘三、謝一、新莊孜等礦井開展了保護層開采試驗，對開采保護層進行了大量的研究，取得了非常好的瓦斯治理效果。

以潘一礦為例，利用下部煤層作為保護層上向卸壓，在被保護層底板布置底抽巷道，通過施工穿層鉆孔與被保護層的卸壓瓦斯富集區連通，抽采卸壓瓦斯，下保護層開采示意圖如圖1。

圖1 下保護層開采示意圖Fig.1 Schematic diagram of mining under the protective layer

采高1.8 m 的卸壓層開采后，層間距70 m 的被卸壓層透氣性平均增大2 880 倍，單孔抽采量增大160 倍，瓦斯壓力大幅度下降。利用煤層群開采的優勢，多重開采上部煤層實現下向卸壓，在被卸壓煤層的底板布置底抽巷，施工穿層鉆孔與被保護層的卸壓瓦斯富集區域連通，抽采卸壓瓦斯，煤層的透氣性增透后提高為原來的570 倍，鉆孔抽采量提高為原來的40 倍，進而消除了煤層的突出危險，達到了煤礦安全生產的目的。上保護層開采示意圖如圖2。

圖2 上保護層開采示意圖Fig.2 Schematic diagram of upper protective layer mining

2.2 水力壓裂增透技術

水力壓裂是將高壓水注入增透煤層中，當超過煤層承受最大的起壓裂壓力的極限時，裂隙沿著水孔產生并向著煤層所受的垂直應力最小的方向延伸。該技術最早在天然氣和石油工業應用，近年來逐步被引入到煤炭行業。目前水力壓裂主要有地面壓裂和井下壓裂2 種。中國礦業大學、中煤科工集團沈陽研究院、重慶研究院、西安研究院、河南煤層氣公司、安徽理工大學、河南理工大學等相繼進行了水力壓裂工程理論實踐應用[21-26]。

1）地面水力壓裂。地面鉆井抽采時，由于絕大多數煤層的透氣性都很低，僅靠鉆井井眼圓柱側面作為排氣面是遠遠不夠的，所以必須采取增透措施。以鉆井水力壓裂為關鍵技術的一整套工藝及裝備目前已經逐步趨于成熟。地面水力壓裂裝備較龐大，實施時需供水、供電、提供交通條件，投資較大。根據晉煤集團在沁水煤田進行的水力壓裂試驗，壓裂后每個鉆井的抽采半徑可達100～150 m。

2）井下水力壓裂技術及裝備。井下水力壓裂必須有巖石段作為保護，一般通過底板巷向上部煤層打鉆孔，高壓水通過鉆孔注入煤層當中，當煤層在高壓水的作用下致使煤層超過承受最大破裂壓力時，裂縫將會沿著水孔周圍產生，并沿著煤體承受最小垂直應力的方向延伸。與地面水力壓裂相比，井下水力壓裂靈活性強，施工精度高，成本低，但是受到井下作業空間的限制，地面壓裂裝備的尺寸大，很難應用到井下，對水力壓裂裝備小型化提出了新的要求。中煤科工集團沈陽研究院等單位研發了符合井下壓裂要求的壓裂專用成套裝備，能實時控制裝備參數，保證井下壓裂施工人員和設備安全。井下水力壓裂一般不使用壓裂砂等支撐劑，壓裂液多為清水。據統計水力壓裂效果較好時，影響區域內煤層透氣性系數能提高50 倍以上，提高了低滲透高瓦斯煤層抽采效率；壓裂后的瓦斯高效抽采半徑會大于30 m；現場工程應用中可每50 m 進行1 次水力壓裂即可實現低透煤層的高效增透。

2.3 利用自由面進行增透的技術

在煤層內施工措施鉆孔，措施孔的周圍施工控制孔，對措施孔進行致裂后，周邊控制孔起到定向及聚能作用，控制孔的孔壁作為1 個自由面，當能量傳播到控制孔孔壁時，會形成拉伸、導向與補償作用，措施孔與控制孔之間產生徑向裂隙、環向裂隙交錯的裂隙圈并與次生裂隙連通形成裂隙網，增加煤層的透氣性。煤體致裂利用自由面增透原理圖如圖3。利用自由面進行增透的技術主要有深孔控制預裂爆破技術、二氧化碳相變致裂提高煤層透氣性技術、高壓空氣致裂煤體提高煤層透氣性技術3 類。

圖3 煤體致裂利用自由面增透原理圖Fig.3 Principle diagram of coal surface cracking using free surface to increase permeability

2.3.1 深孔控制預裂爆破技術

深孔控制預裂爆破不同于普通爆破，其特點是利用控制孔增加了爆破孔周圍的自由面，在炸藥的作用下會產生爆炸空腔，空腔的壁上會因爆破產生炮徑3 倍以上的裂隙。同時，爆破產生的爆燃氣體和高壓瓦斯混合氣體在爆炸力的作用下沿著裂隙共同作用于裂隙面進一步形成大量的裂隙網。

中煤科工集團沈陽研究院、安徽理工大學等[27-30]單位對深孔控制預裂爆破技術進行了大量的研究，形成了深孔控制預裂爆破的成套技術及裝備。深孔控制預裂爆破裝備由煤礦許用炸藥、導爆索、封孔炮泥、雷管等爆破器材和特制被筒、封孔器、裝藥推進輔助設備。 被筒炸藥需在化工廠制成。裝藥結構示意圖如圖4。

圖4 裝藥結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the charge structure

根據在淮南礦業集團潘三礦、平煤八礦、焦作九里山等礦的試驗效果考察，在松軟低透氣性煤層采取深孔控制預裂爆破煤層透氣性可增加10～20 倍左右，在中等硬度的煤層實施深孔控制預裂爆破透氣性可提高100 倍以上。

2.3.2 二氧化碳相變致裂提高煤層透氣性技術

二氧化碳的物理性質具有以下特點：在低于31 ℃、壓力大于7.35 MPa 時以液態存在，但當溫度超過31 ℃時開始氣化，且壓力隨溫度的變化而不斷變化[31]。通過二氧化碳這一性質，將液態二氧化碳注入爆破管中，通過發爆器觸發發熱材料瞬間發熱使儲液管內液態二氧化碳氣化升壓（體積膨脹600 倍以上）破壞定壓剪切片，由釋放管噴瞬間噴出高壓、高速的超臨界二氧化碳氣體破壞煤（巖）體，從而達到爆破致裂的目的。致裂器采用可連接式，能夠實現多點同時定向致裂，爆破壓力可200～300 MPa。液態二氧化碳致裂增透示意圖如圖5。

河南理工大學、煤炭科學技術研究院等[32-33]科研單位及部分民營企業對二氧化碳相變致裂技術開展了相關研究及應用。根據現場考察，采用二氧化碳致裂增透后，煤層的透氣性可提高20～50 倍左右。

2.3.3 高壓空氣致裂煤體提高煤層透氣性技術

高壓空氣壓縮機產生的高壓空氣經定向釋放裝置瞬間釋放,形成的高壓空氣流定向壓入煤體，沿煤體原生裂隙流動并破碎煤體,促使裂隙擴展、延伸，大幅度提高裂隙長度并形成新的次生裂隙，增大煤體的透氣性，達到提高低透氣性煤層瓦斯抽采效率的目的。經過多年的研究和開發，中煤科工集團沈陽研究院[34]對高壓作業的裂隙清除進行了遠程監測和控制，形成了1 套完整的技術和設備。爆炸壓力可達到70 MPa。爆破過程分為單點爆破和多點爆破。單點爆炸比多點擊穿要強大一點，但是多點擊穿的范圍比單點擊穿要廣，選擇適合現場的爆破方法。高壓空氣爆破工作原理如圖6。

在淮南等礦區進行的工業性試驗表明，高壓氣體爆破增透技術能夠發生巨大的震動效果，破壞煤巖體，增加煤體裂隙。采用高壓氣體爆破震動增透后，能夠最大限度的增加觀察孔的瓦斯涌出量和提高煤層瓦斯抽采量。

2.4 在煤體中掏槽造穴增透技術及裝備

2.4.1 水力沖孔

水力沖孔利用高壓水通過鉆孔作用煤層，破壞煤體結構，使煤體結構發生改變，沖出煤體使煤層產生更多的空腔，改變了鉆孔周圍應力變化，使大量的瓦斯氣體釋放，達到了局部卸壓，增加了煤層的透氣性，對煤層抽采效果顯著的作用。水力沖孔技術在兩淮礦區和西南地區得到了很好的應用，并遍及北部礦區。其中，淮南礦區，潘三礦等礦山進行的爆破水力爆破試驗表明，水力沖孔作業對松軟低滲透性突出礦井的提前消除有顯著影響。煤體的抽采半徑增加了2～3 倍，瓦斯抽采量增加了3 倍以上，有效降低了煤層突出危險性。

2.4.2 水力割縫

水力割縫技術是將高壓水通過鉆孔對預增透的煤體進行切割增透，通過切割使鉆孔產生大量縫隙，提高煤層透性，破壞了煤體的物理結構，提高了單孔瓦斯抽采量，為瓦斯流動提供了良好的條件。同等深度的煤層，通過水力割縫技術后煤層瓦斯放散初速度大幅度提高為普通鉆孔的2～2.5 倍，水力割縫對埋藏越深的煤層作用效果更加明顯，同時割縫技術對釋放煤層體積力，使煤層中的內部結構發生改變，使煤層內部的應力分布重新分配。在割縫技術的作用下，煤層中原有的裂隙數量和長度都得到了增加，提高了煤層內部之間的裂縫聯系和孔隙連通的面積，進而提高了煤層的滲透率。

目前研發單位提出了多種射流割縫操作工藝，根據裝備的割縫工藝主要可分為鉆割一體作業和鉆割分離作用。鉆－割分離作業技術是在打鉆完成后通過再通過專業的割縫設備進行割縫處理作業；其優點是設備簡單操作、密封技術要求不高；缺點是工序復雜難操作，工序時間長。鉆割一體化作業是指在對增透煤體進行打鉆或退鉆時進行水射流割縫作業；其優點是工序簡單操作、工序實踐短；缺點是對設備的密閉性、設備設計要求高。各研究單位也提出了多種射流割縫操作工藝，為進一步提高射流切割能力，促進瓦斯解吸，自激振蕩[35]、脈動、磨料、空化射流[36]等多種射流形式被相繼提出。水力割縫方式示意圖如圖7。

煤礦井下水射流割縫技術也已在多個煤業集團公司取得推廣應用。例如平煤八礦底板穿層鉆孔水力割縫技術應用顯示：在水射流割縫技術作用下3～4 m 的煤層均勻切割需要1～2 h，并且在鉆孔切割的過程中可以割出大量煤炭，為煤層壓提供了良好的空間，煤層在切割的作用下形成大量裂隙網，煤層瓦斯抽采量得到了提高

2.4.3 大直徑鉆孔增透技術

理論研究發現，煤層施工鉆孔后其周圍應力發生變化，且鉆孔周邊的卸壓區域的大小與鉆孔的直徑成正比例關系。當鉆孔直徑增加到一定程度后，可大大增加鉆孔的卸壓半徑，擴大煤體的暴露表面積，起到增加煤層透氣性的效果。目前煤礦井下鉆孔直徑一般為65、75、94、113、133 mm，中煤科工集團西安研究[37]等單位研制了大直徑鉆機，直徑可達到153 mm，甚至200 mm，經擴孔后達到450、650 mm。中煤科工集團沈陽研究院[38]研制的大直徑鉆機，一次成孔孔徑能夠達到300～650 mm。

大直徑鉆機使用有一定的適用條件，針對松軟低透煤層，鉆孔直徑增大到一定值時，雖增大了煤體的卸壓范圍，但也增大了對煤體的擾動，容易出現夾鉆、噴孔等動力現象，因此針對不同特性煤層選擇施工適合直徑鉆孔尤為重要。對于低透氣性非突煤層及采取了區域消突措施后的突出煤層，抽排鉆孔直徑越大，提高煤層透氣性的效果越好。

3 現有增透技術的優缺點及適用條件

針對我國煤層多具有構造復雜、透氣性差、高瓦斯含量、且多為煤與瓦斯突出煤層等特點，且煤層開采條件不盡相同。依據上述分析，對煤層增透技術方法進行了分類比較，結合我國低透氣性煤層的特點和各種增透技術的優缺點，分析了各種增透技術的適用條件，各增透方法的優缺點及適應條件見表1。

4 高瓦斯低透氣性煤層增透技術展望

隨著煤礦開采日益加深，地應力和瓦斯壓力都呈現出增大的趨勢，與之相關的動力災害也日趨復雜和嚴重，導致的采掘失調問題嚴重將影響煤礦的安全高效生產[15]。煤層增透技術與裝備將面臨更大的需求與挑戰，煤層增透技術將會不斷涌現新的方法，今后高瓦斯低透氣性煤層增透技術的發展方向可歸結為3 個方面：

1）各種增透技術需要形成一個完整的理論體系。相對來說，保護層開采已經形成了行業技術規范，明確了適用條件與選擇原則，制定了保護層開采和瓦斯抽采規劃，有公認的保護范圍及保護效果考察方法。 而其他增透方法還沒有形成公認的增透機理、適用條件和增透范圍測定，這將是科研人員今后攻關的方向。

2）煤層增透技術將向集成化和綜合化發展。每種增透技術都有自己的局限性，如何充分發揮每種項技術的長處并盡量克服其缺陷，是煤層增透技術發展必然要面對和解決的問題，這就需要未來的煤層增透技術在不斷完善的基礎上，開展多種增透方式的聯合增透，實現不同增透手段的集成化和多元化，形成優勢互補。例如地面壓裂與井下水平鉆孔聯合抽采技術、高能氣體壓裂與水力壓裂聯作技術等就是將不同增透原理的增透方法相結合增加煤層透氣性。

3）未來增透技術及裝備的將向無人值守方向發展，同時向自動化、智能化、環保的方向發展。由于煤層增透作業環境昏暗，且作業的方式多為高壓、高速等方式，具有很大的危險性。因此，增透技術裝備的研發將會向高可靠性、安全性和實用性發展，并與遠程監控、智能化控制、無人化值守等技術相結合，營造出本質安全的井下增透作業環境。

5 結 語

提高煤層透氣性必須改變煤體的結構或實現煤體卸壓，依據增透原理對提高煤層透氣透氣性的技術方法進行了系統分類，并就相關研究成果闡述了煤層增透機理、增透工藝及現場應用效果。結合我國低透氣性煤層的特點和各種增透技術的優缺點，指出了各種增透技術的適用范圍。隨著我國煤炭開采強度和深度的加大，導致瓦斯等動力災害日趨嚴重，結合增透技術的日趨成熟，指出了增透技術將向多種增透方式聯合作業，增透設備將向智能化、無人化的方向發展。