低透氣性煤層瓦斯抽采正壓氣體置換增透研究

李爭(zhēng)元

(山西晉煤 太鋼能源有限責(zé)任公司，山西　呂梁　033000)

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·試驗(yàn)研究·

低透氣性煤層瓦斯抽采正壓氣體置換增透研究

李爭(zhēng)元

(山西晉煤 太鋼能源有限責(zé)任公司，山西呂梁033000)

通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)目前煤層增透技術(shù)現(xiàn)狀，理論上研究了瓦斯抽采鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)狀態(tài)，針對(duì)高瓦斯、低透氣性煤層瓦斯抽采困難的情況，提出了鉆孔正壓置換增透方案。該方案具有設(shè)備投入少，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，增透效果明顯等特點(diǎn)。通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)可知，鉆孔瓦斯?jié)舛群土髁肯啾榷加写蠓忍岣?，抽采的穩(wěn)定性有所增加且該技術(shù)不受鉆孔角度影響，為煤礦瓦斯安全抽采起到積極作用。

低透氣性煤層；瓦斯抽采；正壓氣體置換增透技術(shù)；工業(yè)性試驗(yàn)；濃度；流量

我國(guó)是煤炭能源的消費(fèi)大國(guó)，煤炭在我國(guó)一次性能源結(jié)構(gòu)中一直占50%以上，未來(lái)幾十年煤炭在能源消費(fèi)中占比將保持在50%以上，隨著我國(guó)煤炭產(chǎn)量逐年提升，我國(guó)煤礦已經(jīng)開(kāi)始向深部區(qū)域開(kāi)采。隨著開(kāi)采深度的增加，煤層的透氣性降低，煤層內(nèi)瓦斯含量增大，瓦斯越來(lái)越制約礦井煤炭安全生產(chǎn)。按照國(guó)家先抽后采的原則，瓦斯預(yù)抽是防止煤炭生產(chǎn)發(fā)生重大事故的關(guān)鍵措施。

我國(guó)70%左右的國(guó)有重點(diǎn)煤礦都為高瓦斯礦井，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，大部分煤層均為低透氣性煤層，其滲透率一般在 0.1×10-6～1.0×10-6μm2，即便是水城、沁水、霍崗、江西等滲透率較好的礦區(qū)也僅為0.1×10-3～1.8×10-3μm2，與國(guó)外同等埋深煤層相比，其滲透率還低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[1].國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)狀決定了我國(guó)礦井在開(kāi)采沒(méi)有保護(hù)層的情況下，必須增加煤層透氣性才能快速預(yù)抽煤層瓦斯,實(shí)現(xiàn)煤炭安全、高效生產(chǎn)。

1　低透氣性煤層增透技術(shù)現(xiàn)狀

影響煤層透氣性的主要因素有瓦斯壓力、地應(yīng)力、孔隙裂隙結(jié)構(gòu)等因素。為了增加煤層的透氣性系數(shù)，國(guó)內(nèi)外科研人員從卸壓、改變應(yīng)力狀態(tài)、增加孔裂隙率等方面進(jìn)行了研究。目前，高瓦斯低透氣性煤層增透技術(shù)主要有采動(dòng)卸壓增透技術(shù)、鉆孔增透技術(shù)、高壓液體射流增透技術(shù)、深孔爆破增透技術(shù)和超聲激勵(lì)增透開(kāi)采技術(shù)等。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)開(kāi)采深度超過(guò)500 m時(shí)，水力壓裂等高壓射流增透法的增透效果就開(kāi)始逐漸減弱；水力割縫增透法也有其局限性，多適合在煤層順層抽采水平孔和上行孔瓦斯鉆孔內(nèi)使用；深孔爆破法要用炸藥或者CO2等高壓氣體對(duì)煤孔進(jìn)行沖擊，此項(xiàng)工藝對(duì)爆破的操作和工藝要求較高?，F(xiàn)有這些增透技術(shù)操作較復(fù)雜，或經(jīng)濟(jì)不合理，因此，研究一種現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)、增透效果好、安全性高，易普及的增透方法尤為重要[2].

2　正壓氣體置換增透技術(shù)

2.1鉆孔瓦斯流動(dòng)分析

當(dāng)瓦斯抽采鉆孔垂直貫穿煤層時(shí)，煤層中將形成同心圓狀的瓦斯壓力等值線，瓦斯將向鉆孔呈現(xiàn)二維流動(dòng)，其流動(dòng)符合達(dá)西定律。由達(dá)西定律、鉆孔瓦斯流動(dòng)的連續(xù)性方程、鉆孔瓦斯流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程、鉆孔瓦斯流動(dòng)氣體狀態(tài)方程[3],在煤層的透氣性差,煤層瓦斯壓力變化緩慢的條件下,根據(jù)P.M.克里欽夫斯基近似法,將式中變系數(shù)項(xiàng)代換為常數(shù)項(xiàng)，得出以下公式:

(1)

(2)

式中：λ=k/2μpn為煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d).

2.2正壓氣體置換增透技術(shù)方案

正壓氣體置換增透技術(shù)的主要原理是在原先布置的抽采鉆孔方位上封孔后，間隔使用正壓氣體壓入和負(fù)壓氣體抽出鉆孔來(lái)布置瓦斯抽采鉆孔，用正壓空氣來(lái)置換鉆孔周圍煤層中的瓦斯，盡可能地增大瓦斯抽采鉆孔和正壓鉆孔之間的壓力差[4-5].達(dá)到增加煤層瓦斯透氣性作用。具體方案見(jiàn)圖1.

圖1　正壓氣體置換增透技術(shù)方案圖

該方案試驗(yàn)首先在煤層中布置鉆孔，按照低透氣性煤層的鉆孔布置經(jīng)驗(yàn)，瓦斯抽采鉆孔間距設(shè)定為800 mm，鉆孔采用75 mm鉆頭開(kāi)孔施工，正壓鉆孔在鉆孔施工完成后擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔到130 mm，施工120 m水平定向鉆孔。采用囊袋式注漿封孔器進(jìn)行封孔，封孔深度必須進(jìn)入鉆孔原始應(yīng)力區(qū)域，封孔后1號(hào)鉆孔和3號(hào)鉆孔采用連接負(fù)壓為15 kPa的瓦斯抽采管路。2號(hào)鉆孔接入井下風(fēng)管，保持風(fēng)壓在0.5～1 MPa.其原理圖見(jiàn)圖2.

圖2　正壓空氣置換瓦斯鉆孔增透原理圖

2.3技術(shù)方案考察方法

在同一巷道對(duì)應(yīng)相同底板高度施工36個(gè)瓦斯抽采鉆孔，3個(gè)鉆孔為1組，共計(jì)6組鉆孔，其中3組為上行孔，3組為下行孔，一組全部為瓦斯抽采鉆孔，進(jìn)行瓦斯抽采，另外一組為試驗(yàn)組，選擇中間鉆孔進(jìn)行正壓輸入。每隔1 h記錄2組瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度和混合流量，并計(jì)算出鉆孔純流量。

如果加壓鉆孔周圍考察鉆孔的瓦斯?jié)舛群土髁肯啾葘?duì)照組的鉆孔提高5%，可以說(shuō)明鉆孔抽采半徑選取合理，如果相比對(duì)照鉆孔瓦斯?jié)舛群土髁看蠓忍岣?，說(shuō)明正壓空氣置換低透氣性煤層增透效果明顯。

3　工業(yè)性試驗(yàn)

該試驗(yàn)選取地點(diǎn)的煤層參數(shù)為：滲透率0.32×10-6μm2，瓦斯壓力為0.76 MPa,瓦斯含量為12.5 m3/t,煤層厚度為3.54 m，煤層條件為低滲透率，高瓦斯煤層。

根據(jù)試驗(yàn)方案，分6組進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔正壓氣體置換試驗(yàn)，試驗(yàn)材料為：36個(gè)瓦斯抽采鉆孔(6組)、防爆空壓機(jī)(出口氣壓0～2 MPa)、氣源處理器、變面積式瓦斯流量傳感器(DN50)、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?0～100%)等。

3.1抽采濃度對(duì)比

根據(jù)井下試驗(yàn)情況，觀察瓦斯?jié)舛鹊贸隽藵舛葘?duì)比曲線，見(jiàn)圖3，圖4.

圖3　正壓置換觀察組濃度圖

圖4　正壓置換對(duì)照組濃度圖

根據(jù)試驗(yàn)情況可知，正壓置換觀察組平均瓦斯抽采濃度相比原始抽采濃度提高40%，且瓦斯?jié)舛人p比較慢，瓦斯?jié)舛确€(wěn)定性高。試驗(yàn)表明，瓦斯抽采鉆孔正壓置換可以提高瓦斯抽采濃度。

3.2鉆孔流量對(duì)比

根據(jù)井下試驗(yàn)情況，觀察流量計(jì)顯示，得出了瓦斯流量對(duì)比曲線，見(jiàn)圖5，圖6.

根據(jù)試驗(yàn)情況記錄參數(shù)可知，正壓置換觀察組平均瓦斯鉆孔流量相比原始抽采鉆孔流量提高18.9%，且普遍鉆孔瓦斯抽采流量比較高，鉆孔瓦斯流量計(jì)較穩(wěn)定。試驗(yàn)表明，瓦斯抽采鉆孔正壓置換可以提高鉆孔瓦斯流量。

4　結(jié)　論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)分析，在低透氣性煤層鉆孔瓦斯抽采情況下，利用瓦斯抽采鉆孔正壓置換增透技術(shù)，相比原始瓦斯抽采鉆孔平均濃度提高40%，鉆孔瓦斯抽采平均流量提高18.9%. 該技術(shù)方案的應(yīng)用可以提高瓦斯抽采濃度和瓦斯流量，減緩鉆孔瓦斯?jié)舛鹊乃p，穩(wěn)定瓦斯抽采濃度和鉆孔瓦斯流量，使用不受鉆孔角度影響，為煤礦瓦斯及時(shí)安全抽采起到積極作用。

圖5　正壓置換觀察組流量圖

圖6　正壓置換對(duì)照組流量圖

[1]程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香．中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(2):137-139.

[2]高坤.高壓空氣沖擊煤體增透技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38(6):9-10.

[3]周世寧,林伯泉.瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京：機(jī)械出版社，1999:57-66.

[4]馬宏宇，楊宏民，王兆豐.煤層低壓注氣有效影響半徑測(cè)定[J].煤礦安全，2011，42(4):93-95.

[5]夏會(huì)輝，楊宏民，陳進(jìn)朝，等.注氣配合順層鉆孔強(qiáng)化預(yù)抽煤巷條帶瓦斯技術(shù)[J].煤礦安全，2012，43(6)：36-37.

Research on Positive Pressure Air Antireflection Technology of Gas Extraction in Low Permeability Coal Seam

LI Zhengyuan

Through comparative analysis of current situation of coal seam antireflection technology, gas flow state around gas extraction drilling is studied by theory. Aiming at gas extraction difficult in high gas and low permeability coal seam, drilling positive pressure air antireflection scheme is put forward. The project has the characteristics of less equipment investment, simple operation and obvious antireflection effect. Through industrial experiments, it is known that the gas concentration and flow rate of drilling holes are greatly improved, the stability of extraction is increased and the technology is not affected by drilling angle. It plays a positive role for coal mine gas safety extraction.

Low permeability coal seam; Gas extraction; Positive pressure air antireflection technology; Industrial test; Concentration; Flow

2016-05-19

李爭(zhēng)元(1971—)，男，山西運(yùn)城人，1994年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事技術(shù)管理工作

(E-mail)409922061@qq.com

TD712

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1672-0652(2016)06-0037-03