高瓦斯低透氣性煤層強(qiáng)化增透抽采技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

趙文清　李文輝　潘孝康

摘要：中國(guó)大多數(shù)高瓦斯礦井煤層的透氣性都比較低，普通的瓦斯抽采措施短時(shí)間內(nèi)很難達(dá)到規(guī)范要求。要治理礦井瓦斯災(zāi)害，并且充分利用瓦斯能源，就必須研究促使煤層卸壓增透的有效措施。本文從高瓦斯低透氣性煤層增透常用技術(shù)的原理以及使用條件的角度進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，總結(jié)了高瓦斯低透氣性的煤層在瓦斯抽采增透措施方面的新發(fā)展，得出了合理開(kāi)發(fā)增透抽采新技術(shù)是高瓦斯礦井治理瓦斯災(zāi)害的主要發(fā)展道路的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：高瓦斯礦井；透氣性；增透措施；瓦斯抽采

隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，礦井災(zāi)害日益復(fù)雜多樣，煤礦安全生產(chǎn)的壓力也與日俱增。由于我國(guó)大多數(shù)高瓦斯礦井煤層都存在透氣性較低的問(wèn)題，通常采用的瓦斯抽采技術(shù)有效性較差，由于抽放鉆孔對(duì)煤層的有效作用范圍較小，而在工作面進(jìn)行鉆孔施工難度較大，煤層抽放效率低下，是造成礦山很難根治瓦斯災(zāi)害的主要原因。因此，對(duì)煤層進(jìn)行卸壓增透的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)學(xué)者的重點(diǎn)研究對(duì)象。增加鉆孔的有效作用范圍，結(jié)合瓦斯運(yùn)移規(guī)律與卸壓增透的特性，促進(jìn)卸壓后裂隙區(qū)的高濃度瓦斯快速釋放，達(dá)到有效抽采的目的，以期在突出煤層的“卸壓、增透、消突”方面有所突破[1—2]。

1. 高瓦斯低透氣性煤層增透常用技術(shù)

1.1 深孔爆破增透技術(shù)

1.1.1 深孔控制預(yù)裂爆破增透技術(shù)

劉健、楊永生等[3-4]系統(tǒng)研究了深孔預(yù)裂爆破對(duì)低透氣性高瓦斯煤層增透的作用機(jī)理，對(duì)煤體進(jìn)行爆破后，爆破孔周邊的煤體發(fā)生破裂與松動(dòng)形成卸壓區(qū)域，煤體原始應(yīng)力集中帶和高壓瓦斯區(qū)域向煤體深部移動(dòng)，一定程度上消除了應(yīng)力集中，形成了較大的安全區(qū)域和防護(hù)區(qū)域。同時(shí)造成工作面前方煤體裂隙增多，滲流通道增大，透氣性增強(qiáng)，有益于煤層瓦斯抽采，從而降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量。

采用深孔預(yù)裂爆破增透技術(shù)是一種可以提高瓦斯抽采率，防治礦井瓦斯災(zāi)害的可行思路。該技術(shù)為通過(guò)對(duì)煤層注水來(lái)降塵和抑制瓦斯涌出的方法提供了基礎(chǔ)，也為治理低透氣性高瓦斯煤層的瓦斯災(zāi)害提供了有效的方案。但是，如果抽采鉆孔封孔效果不好，也會(huì)對(duì)深孔預(yù)裂爆破的效果造成影響[3、5]。

1.1.2 深孔聚能爆破增透技術(shù)

深孔聚能爆破增透機(jī)理可概括為：在聚能爆破作用下，爆破孔周邊煤體產(chǎn)生了較大范圍的連通裂隙網(wǎng)絡(luò)，在爆破近區(qū)、中區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)形成了粉碎區(qū)、徑向和環(huán)向裂隙橫縱交錯(cuò)的裂隙發(fā)育區(qū)以及徑向裂隙存在的裂隙擴(kuò)展區(qū)。由于聚能裝藥結(jié)構(gòu)不同，與非聚能方向相比，聚能方向的聚能效應(yīng)導(dǎo)致煤體粉碎區(qū)范圍偏小而裂隙區(qū)范圍較大[6-10]。隨著煤體裂隙增加，透氣性逐漸增大，有利于煤體瓦斯抽采，使煤體瓦斯壓力降低、瓦斯含量減少。聚能爆破作用下的煤體裂隙分區(qū)示意圖如圖1所示[11]。

圖1 聚能爆破作用下的煤體裂隙分區(qū)

深孔聚能爆破增透技術(shù)采用聚能裝藥結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮聚能射流侵徹和爆炸能量的疊加作用，克服了普通爆破作用下煤體的過(guò)度粉碎，增加了聚能方向煤體裂隙的數(shù)量和深度，形成較大范圍的徑向和環(huán)向裂隙網(wǎng)絡(luò)[11]。

1.2 水力增透技術(shù)

隨著治理瓦斯災(zāi)害工作的深入開(kāi)展，瓦斯抽采技術(shù)也不斷發(fā)展，水力增透技術(shù)作為瓦斯增透抽采技術(shù)中的一大類，主要是用水作為處理煤層瓦斯的手段，如水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等。水力化增透技術(shù)按動(dòng)力源可分為以下兩類[12]：水力割縫、水力壓裂等技術(shù)把高壓水作為主要?jiǎng)恿υ?；水力沖孔等將水作為部分動(dòng)力源。

1.2.1 水力壓裂增透技術(shù)

水力壓裂主要分為普通水力壓裂和脈動(dòng)水力壓裂兩種[13]。

采用注水壓裂破壞煤層是借助水在煤層各種軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)起到的支撐作用。由于水的存在，造成弱面的張開(kāi)和擴(kuò)展，從而增加了裂隙的空間體積，裂隙的擴(kuò)展會(huì)使多個(gè)裂隙之間連通，從而形成一個(gè)橫縱交錯(cuò)的裂隙網(wǎng)絡(luò)。形成的這種網(wǎng)絡(luò)化裂隙，會(huì)大幅度提高煤層的透氣性[14]。

當(dāng)采用有較高壓力的脈沖水對(duì)煤層進(jìn)行壓裂時(shí)，具有高壓脈動(dòng)特點(diǎn)的壓力水對(duì)煤層不斷的作用，導(dǎo)致煤層中的原生裂隙不斷擴(kuò)展、貫通，同時(shí)產(chǎn)生新的裂隙，大大提高了煤層滲透率[15]。

由文獻(xiàn)[2]知，在鶴壁十礦進(jìn)行的水力壓裂試驗(yàn)中，煤層滲透性顯著增加；進(jìn)行水力壓裂后試驗(yàn)后，煤層中的瓦斯含量和瓦斯壓力均小于防突規(guī)范里規(guī)定的臨界值，起到了較好的增透消突作用；而壓裂后煤層最大瓦斯抽采濃度提高了6.33倍，單孔平均抽采量提高了17.7倍，卸壓增透效果明顯[2]；在大興煤礦進(jìn)行的水力壓裂試驗(yàn)中，水力壓裂后鉆孔最大抽采濃度為80%，平均抽采純流量為0.218m3/min，相對(duì)于通孔瓦斯抽采量提高了7.6倍，煤層透氣性系數(shù)提高79～272倍[16]。

林柏泉等[15]為了改進(jìn)現(xiàn)有卸壓增透技術(shù)，解決目前礦井瓦斯治理存在的難題，結(jié)合原有水力壓裂技術(shù)，提出了高壓脈動(dòng)水力壓裂卸壓增透技術(shù)。通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合，對(duì)脈動(dòng)壓力在裂隙中的傳播特性以及卸壓增透效果進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)高壓脈動(dòng)水力壓裂可以使煤體的一些物理參數(shù)發(fā)生反復(fù)交變，造成疲勞破壞，進(jìn)而連通孔隙，提高滲透率。

1.2.2 水力割縫增透技術(shù)

水力割縫增透技術(shù)主要用于低透氣性、高瓦斯含量、有突出危險(xiǎn)性煤層的增透。該技術(shù)主要是在煤層鉆孔時(shí)借助高壓水射流在孔內(nèi)對(duì)煤體進(jìn)行切割，最終在鉆孔兩側(cè)形成具有一定寬度和深度的扁平縫槽，而水流則將切割下來(lái)的煤體通過(guò)鉆孔排出，煤層在地應(yīng)力作用下發(fā)生變形和破壞，使鉆孔之間相互連通，提高了煤層的透氣性，為瓦斯的滲流提供通道[17-19]。

1.2.3 水力沖孔

水力沖孔主要是依靠高壓水的沖擊能力，對(duì)煤體造成破壞，最終生產(chǎn)了一個(gè)較大的水力掏槽孔。其周邊煤體向孔內(nèi)發(fā)生較大位移，造成煤體發(fā)生膨脹變形，使孔道作用范圍內(nèi)的地應(yīng)力降低，從而煤層充分卸壓，裂隙增多，煤層透氣性大幅度提高，促進(jìn)瓦斯?jié)B流。在采用水力沖孔時(shí)，水的作用體現(xiàn)在，高壓水作用煤壁，產(chǎn)生了一個(gè)較大的掏槽孔，導(dǎo)致周邊煤體充分卸壓，瓦斯大量排放；對(duì)煤體的濕潤(rùn)，減小了煤體的脆性，降低了煤體內(nèi)部的應(yīng)力集中，從一定程度上抑制了煤和瓦斯突出，達(dá)到了綜合防突的效果[20]。

2. 高瓦斯低透氣性煤層增透新技術(shù)

2.1 液態(tài)CO2深孔爆破增透技術(shù)

溫度低于31℃，壓力為7.2MPa的CO2是液態(tài)的，而當(dāng)溫度高于31℃時(shí)液態(tài)的CO2瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，在這個(gè)過(guò)程中，CO2的體積發(fā)生快速膨脹，可以對(duì)周圍事物造成巨大破壞[21]。將液態(tài)CO2裝在特制的容器內(nèi)（爆破器），在工作面完成鉆孔工作后，依次放入炮管，將爆破管的起爆頭連通引爆電流后，活化器內(nèi)的低壓保險(xiǎn)絲發(fā)生快速反應(yīng)，較高的溫度使容器內(nèi)的CO2在四十毫秒內(nèi)由液體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，體積瞬間膨脹高達(dá)600多倍，容器內(nèi)壓力可增大到270MPa[22]。當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定值，釋放頭內(nèi)的爆裂盤(pán)被打開(kāi)，高壓CO2氣體瞬間從爆破器內(nèi)發(fā)生爆炸，對(duì)鉆孔附近的煤體作用，起到物理爆破的效果。

在滲透性較低且瓦斯壓力較高的煤層中實(shí)施CO2預(yù)裂爆破，可以充分合理利用氣體爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波。高壓氣體的瞬間膨脹和巨大的體積變化使煤層中形成了粉碎區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、裂隙區(qū)，給增加煤層滲透性提供了基礎(chǔ)條件[23]。

2.2 高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫增透技術(shù)

該技術(shù)融合了鉆機(jī)鉆進(jìn)與水射流割縫兩種技術(shù)，利用鉆機(jī)鉆孔，當(dāng)鉆頭到達(dá)煤層目標(biāo)位置后，改變鉆頭的工作狀態(tài)，從鉆孔功能切換到割縫功能，然后退鉆，在此過(guò)程中進(jìn)行螺旋切割煤體，形成的卸壓空間形狀近似圓柱狀，在擴(kuò)孔方面達(dá)到了很好的效果，更大范圍的釋放了地應(yīng)力和瓦斯?jié)撃躘24]。

如果只是采用鉆孔進(jìn)行卸壓，起到的效果有限，主要原因是鉆孔周圍的應(yīng)力集中會(huì)使部分煤體再次被壓密，從而透氣性降低，阻礙了氣體的滲流；而采用射流割縫生成的縫槽，可以破壞鉆孔周邊的應(yīng)力集中區(qū)域，從而提高煤體的滲透性。在一定的區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行多個(gè)鉆孔割縫，煤體發(fā)生卸壓、變形和膨脹，鄰近鉆孔的影響范圍相互重疊，煤體中就會(huì)形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性整體卸壓增透[24]。

2.3 多重水力卸壓增透技術(shù)[25]

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。

二次水力沖孔是該技術(shù)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，即對(duì)部分鉆孔進(jìn)行水力沖刷，而需要進(jìn)行沖孔的鉆孔是自由鉆場(chǎng)鉆孔和一次水力沖孔時(shí)沖出煤量較少的鉆孔。

對(duì)突出煤層采用多重水力卸壓增透技術(shù)，可以達(dá)到很好的卸壓效果，與單獨(dú)的卸壓技術(shù)相比，主要優(yōu)勢(shì)在于：可以用同一套高壓供水系統(tǒng)，不用增加額外的設(shè)備經(jīng)費(fèi)；此外，該技術(shù)并不影響瓦斯抽采，在實(shí)施水力沖孔和孔間壓裂工藝時(shí)，經(jīng)過(guò)煤水氣分離裝置的分離后，瓦斯便進(jìn)入了瓦斯抽采管道，鉆孔施工完畢即可進(jìn)行瓦斯抽采。

2.4 穿層鉆孔孔群增透技術(shù)[26]

穿層鉆孔孔群增透瓦斯抽采技術(shù)[28]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(kāi)，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。

由于煤層的非均質(zhì)性和應(yīng)力作用，孔群的增透效果在均勻性方面相對(duì)較差，一般情況下，噴孔孔洞附近煤體的增透效果較好，離噴孔孔洞較遠(yuǎn)的區(qū)域的增透效果相對(duì)較差。而所有未噴孔的鉆孔都離噴孔孔洞較遠(yuǎn)，增透效果也隨之變差，對(duì)這些鉆孔進(jìn)行強(qiáng)化抽采，有針對(duì)性地降低這部分煤體瓦斯含量，從而降低增透的不均勻性，通過(guò)一段時(shí)間的預(yù)抽后，煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量會(huì)大幅度降低。通過(guò)穿層鉆孔形成的孔群增透瓦斯抽采技術(shù)是以原鉆孔布置為基礎(chǔ)的，在施工工作量上并沒(méi)有減少，但瓦斯抽采效率得到了大幅度的提高，瓦斯預(yù)抽時(shí)間也大大減少。

3. 增透措施發(fā)展方向

煤礦開(kāi)采深度越大，煤層賦存特性越復(fù)雜，高瓦斯壓力、低透氣性、高地應(yīng)力、破碎松軟的煤巖等特點(diǎn)越來(lái)越顯著。瓦斯抽采增透措施在一定程度上提高了低透高瓦斯煤層的抽采率，但技術(shù)設(shè)備落后、適用性不強(qiáng)等問(wèn)題仍需解決，對(duì)不同的強(qiáng)化抽采增透措施的適用性還需要進(jìn)一步的研究。今后的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在以下幾個(gè)方面。

（1）強(qiáng)化增透措施的基礎(chǔ)理論研究，理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬是常見(jiàn)的理論研究方法，也可以跨學(xué)科共同研究。

（2）通過(guò)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，適當(dāng)整合和改進(jìn)現(xiàn)有的增透措施，綜合利用，形成集成化、多元化的增透措施，分階段、分區(qū)域合理布置，提升增透效果。

（3）針對(duì)高瓦斯低透氣性煤層的地質(zhì)特征，（下轉(zhuǎn)29頁(yè)）（上接07頁(yè)）以集成化、多元化的增透措施為基礎(chǔ)，研發(fā)出信息化和智能化的增透裝備。

（4）采用多學(xué)科共同發(fā)展研究的方法，充分學(xué)習(xí)其他學(xué)科已成熟的技術(shù)，有針對(duì)性地在煤礦采掘、瓦斯治理和煤層增透等方面加強(qiáng)應(yīng)用。

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