高瓦斯低透氣性煤層增透技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望

張曉剛，姜文忠，都 鋒

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

我國(guó)現(xiàn)階段開(kāi)采的煤層以低透氣性煤層為主，具有構(gòu)造復(fù)雜、透氣性差、高瓦斯含量、且多為煤與瓦斯突出煤層等特點(diǎn)，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(yè)。通過(guò)國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的多年攻關(guān)，試驗(yàn)研究了多種對(duì)煤體進(jìn)行增透強(qiáng)化抽采本煤層瓦斯的方法，已形成配套工藝技術(shù)及裝備，雖然增透技術(shù)難度較大及受條件所限，還處于試驗(yàn)階段，尚未廣泛推廣，但在煤礦瓦斯治理過(guò)程中也發(fā)揮了重要作用。

1 煤層瓦斯增透技術(shù)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(jié)構(gòu)或?qū)崿F(xiàn)煤體卸壓。根據(jù)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(jìn)行采掘活動(dòng)，煤層受采動(dòng)影響實(shí)現(xiàn)大范圍卸壓，如開(kāi)采保護(hù)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(yù)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(shí)造成煤體內(nèi)裂隙容積擴(kuò)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(yīng)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(xué)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(shù)及裝備

2.1 保護(hù)層開(kāi)采增透技術(shù)

開(kāi)采保護(hù)層是通過(guò)先開(kāi)采無(wú)突出危險(xiǎn)的煤層來(lái)使被保護(hù)層達(dá)到卸壓消除突出危險(xiǎn)的目的。 由于保護(hù)層開(kāi)采造成的采動(dòng)影響而使其頂板和底板一定范圍內(nèi)的煤（巖）層內(nèi)的瓦斯因卸壓、膨脹同時(shí)產(chǎn)生采動(dòng)裂隙，大幅度的增加煤層透氣性，通過(guò)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(qū)為煤層群開(kāi)采，適合進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)采?；茨系V業(yè)集團(tuán)在潘一、潘三、謝一、新莊孜等礦井開(kāi)展了保護(hù)層開(kāi)采試驗(yàn)，對(duì)開(kāi)采保護(hù)層進(jìn)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(hù)層上向卸壓，在被保護(hù)層底板布置底抽巷道，通過(guò)施工穿層鉆孔與被保護(hù)層的卸壓瓦斯富集區(qū)連通，抽采卸壓瓦斯，下保護(hù)層開(kāi)采示意圖如圖1。

圖1 下保護(hù)層開(kāi)采示意圖Fig.1 Schematic diagram of mining under the protective layer

采高1.8 m 的卸壓層開(kāi)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(kāi)采的優(yōu)勢(shì)，多重開(kāi)采上部煤層實(shí)現(xiàn)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(hù)層的卸壓瓦斯富集區(qū)域連通，抽采卸壓瓦斯，煤層的透氣性增透后提高為原來(lái)的570 倍，鉆孔抽采量提高為原來(lái)的40 倍，進(jìn)而消除了煤層的突出危險(xiǎn)，達(dá)到了煤礦安全生產(chǎn)的目的。上保護(hù)層開(kāi)采示意圖如圖2。

圖2 上保護(hù)層開(kāi)采示意圖Fig.2 Schematic diagram of upper protective layer mining

2.2 水力壓裂增透技術(shù)

水力壓裂是將高壓水注入增透煤層中，當(dāng)超過(guò)煤層承受最大的起壓裂壓力的極限時(shí)，裂隙沿著水孔產(chǎn)生并向著煤層所受的垂直應(yīng)力最小的方向延伸。該技術(shù)最早在天然氣和石油工業(yè)應(yīng)用，近年來(lái)逐步被引入到煤炭行業(yè)。目前水力壓裂主要有地面壓裂和井下壓裂2 種。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)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(xué)、河南理工大學(xué)等相繼進(jìn)行了水力壓裂工程理論實(shí)踐應(yīng)用[21-26]。

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

2）井下水力壓裂技術(shù)及裝備。井下水力壓裂必須有巖石段作為保護(hù)，一般通過(guò)底板巷向上部煤層打鉆孔，高壓水通過(guò)鉆孔注入煤層當(dāng)中，當(dāng)煤層在高壓水的作用下致使煤層超過(guò)承受最大破裂壓力時(shí)，裂縫將會(huì)沿著水孔周圍產(chǎn)生，并沿著煤體承受最小垂直應(yīng)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(qiáng)，施工精度高，成本低，但是受到井下作業(yè)空間的限制，地面壓裂裝備的尺寸大，很難應(yīng)用到井下，對(duì)水力壓裂裝備小型化提出了新的要求。中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院等單位研發(fā)了符合井下壓裂要求的壓裂專用成套裝備，能實(shí)時(shí)控制裝備參數(shù)，保證井下壓裂施工人員和設(shè)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(jù)統(tǒng)計(jì)水力壓裂效果較好時(shí)，影響區(qū)域內(nèi)煤層透氣性系數(shù)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(huì)大于30 m；現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用中可每50 m 進(jìn)行1 次水力壓裂即可實(shí)現(xiàn)低透煤層的高效增透。

2.3 利用自由面進(jìn)行增透的技術(shù)

在煤層內(nèi)施工措施鉆孔，措施孔的周圍施工控制孔，對(duì)措施孔進(jìn)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(gè)自由面，當(dāng)能量傳播到控制孔孔壁時(shí)，會(huì)形成拉伸、導(dǎo)向與補(bǔ)償作用，措施孔與控制孔之間產(chǎn)生徑向裂隙、環(huán)向裂隙交錯(cuò)的裂隙圈并與次生裂隙連通形成裂隙網(wǎng)，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(jìn)行增透的技術(shù)主要有深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)、二氧化碳相變致裂提高煤層透氣性技術(shù)、高壓空氣致裂煤體提高煤層透氣性技術(shù)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(yù)裂爆破技術(shù)

深孔控制預(yù)裂爆破不同于普通爆破，其特點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生爆炸空腔，空腔的壁上會(huì)因爆破產(chǎn)生炮徑3 倍以上的裂隙。同時(shí)，爆破產(chǎn)生的爆燃?xì)怏w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(jìn)一步形成大量的裂隙網(wǎng)。

中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院、安徽理工大學(xué)等[27-30]單位對(duì)深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，形成了深孔控制預(yù)裂爆破的成套技術(shù)及裝備。深孔控制預(yù)裂爆破裝備由煤礦許用炸藥、導(dǎo)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(jìn)輔助設(shè)備。 被筒炸藥需在化工廠制成。裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the charge structure

根據(jù)在淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦、平煤八礦、焦作九里山等礦的試驗(yàn)效果考察，在松軟低透氣性煤層采取深孔控制預(yù)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(shí)施深孔控制預(yù)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(shù)

二氧化碳的物理性質(zhì)具有以下特點(diǎn)：在低于31 ℃、壓力大于7.35 MPa 時(shí)以液態(tài)存在，但當(dāng)溫度超過(guò)31 ℃時(shí)開(kāi)始?xì)饣?，且壓力隨溫度的變化而不斷變化[31]。通過(guò)二氧化碳這一性質(zhì)，將液態(tài)二氧化碳注入爆破管中，通過(guò)發(fā)爆器觸發(fā)發(fā)熱材料瞬間發(fā)熱使儲(chǔ)液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳?xì)饣龎海w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?xì)怏w破壞煤（巖）體，從而達(dá)到爆破致裂的目的。致裂器采用可連接式，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)定向致裂，爆破壓力可200～300 MPa。液態(tài)二氧化碳致裂增透示意圖如圖5。

河南理工大學(xué)、煤炭科學(xué)技術(shù)研究院等[32-33]科研單位及部分民營(yíng)企業(yè)對(duì)二氧化碳相變致裂技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究及應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shù)

高壓空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣經(jīng)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(dòng)并破碎煤體,促使裂隙擴(kuò)展、延伸，大幅度提高裂隙長(zhǎng)度并形成新的次生裂隙，增大煤體的透氣性，達(dá)到提高低透氣性煤層瓦斯抽采效率的目的。經(jīng)過(guò)多年的研究和開(kāi)發(fā)，中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院[34]對(duì)高壓作業(yè)的裂隙清除進(jìn)行了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，形成了1 套完整的技術(shù)和設(shè)備。爆炸壓力可達(dá)到70 MPa。爆破過(guò)程分為單點(diǎn)爆破和多點(diǎn)爆破。單點(diǎn)爆炸比多點(diǎn)擊穿要強(qiáng)大一點(diǎn)，但是多點(diǎn)擊穿的范圍比單點(diǎn)擊穿要廣，選擇適合現(xiàn)場(chǎng)的爆破方法。高壓空氣爆破工作原理如圖6。

在淮南等礦區(qū)進(jìn)行的工業(yè)性試驗(yàn)表明，高壓氣體爆破增透技術(shù)能夠發(fā)生巨大的震動(dòng)效果，破壞煤巖體，增加煤體裂隙。采用高壓氣體爆破震動(dòng)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(shù)及裝備

2.4.1 水力沖孔

水力沖孔利用高壓水通過(guò)鉆孔作用煤層，破壞煤體結(jié)構(gòu)，使煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，沖出煤體使煤層產(chǎn)生更多的空腔，改變了鉆孔周圍應(yīng)力變化，使大量的瓦斯氣體釋放，達(dá)到了局部卸壓，增加了煤層的透氣性，對(duì)煤層抽采效果顯著的作用。水力沖孔技術(shù)在兩淮礦區(qū)和西南地區(qū)得到了很好的應(yīng)用，并遍及北部礦區(qū)。其中，淮南礦區(qū)，潘三礦等礦山進(jìn)行的爆破水力爆破試驗(yàn)表明，水力沖孔作業(yè)對(duì)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(xiǎn)性。

2.4.2 水力割縫

水力割縫技術(shù)是將高壓水通過(guò)鉆孔對(duì)預(yù)增透的煤體進(jìn)行切割增透，通過(guò)切割使鉆孔產(chǎn)生大量縫隙，提高煤層透性，破壞了煤體的物理結(jié)構(gòu)，提高了單孔瓦斯抽采量，為瓦斯流動(dòng)提供了良好的條件。同等深度的煤層，通過(guò)水力割縫技術(shù)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(duì)埋藏越深的煤層作用效果更加明顯，同時(shí)割縫技術(shù)對(duì)釋放煤層體積力，使煤層中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使煤層內(nèi)部的應(yīng)力分布重新分配。在割縫技術(shù)的作用下，煤層中原有的裂隙數(shù)量和長(zhǎng)度都得到了增加，提高了煤層內(nèi)部之間的裂縫聯(lián)系和孔隙連通的面積，進(jìn)而提高了煤層的滲透率。

目前研發(fā)單位提出了多種射流割縫操作工藝，根據(jù)裝備的割縫工藝主要可分為鉆割一體作業(yè)和鉆割分離作用。鉆－割分離作業(yè)技術(shù)是在打鉆完成后通過(guò)再通過(guò)專業(yè)的割縫設(shè)備進(jìn)行割縫處理作業(yè)；其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單操作、密封技術(shù)要求不高；缺點(diǎn)是工序復(fù)雜難操作，工序時(shí)間長(zhǎng)。鉆割一體化作業(yè)是指在對(duì)增透煤體進(jìn)行打鉆或退鉆時(shí)進(jìn)行水射流割縫作業(yè)；其優(yōu)點(diǎn)是工序簡(jiǎn)單操作、工序?qū)嵺`短；缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的密閉性、設(shè)備設(shè)計(jì)要求高。各研究單位也提出了多種射流割縫操作工藝，為進(jìn)一步提高射流切割能力，促進(jìn)瓦斯解吸，自激振蕩[35]、脈動(dòng)、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(shù)也已在多個(gè)煤業(yè)集團(tuán)公司取得推廣應(yīng)用。例如平煤八礦底板穿層鉆孔水力割縫技術(shù)應(yīng)用顯示：在水射流割縫技術(shù)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(guò)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(wǎng)，煤層瓦斯抽采量得到了提高

2.4.3 大直徑鉆孔增透技術(shù)

理論研究發(fā)現(xiàn)，煤層施工鉆孔后其周圍應(yīng)力發(fā)生變化，且鉆孔周邊的卸壓區(qū)域的大小與鉆孔的直徑成正比例關(guān)系。當(dāng)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(kuò)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(tuán)西安研究[37]等單位研制了大直徑鉆機(jī)，直徑可達(dá)到153 mm，甚至200 mm，經(jīng)擴(kuò)孔后達(dá)到450、650 mm。中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院[38]研制的大直徑鉆機(jī)，一次成孔孔徑能夠達(dá)到300～650 mm。

大直徑鉆機(jī)使用有一定的適用條件，針對(duì)松軟低透煤層，鉆孔直徑增大到一定值時(shí)，雖增大了煤體的卸壓范圍，但也增大了對(duì)煤體的擾動(dòng)，容易出現(xiàn)夾鉆、噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象，因此針對(duì)不同特性煤層選擇施工適合直徑鉆孔尤為重要。對(duì)于低透氣性非突煤層及采取了區(qū)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(xiàn)有增透技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件

針對(duì)我國(guó)煤層多具有構(gòu)造復(fù)雜、透氣性差、高瓦斯含量、且多為煤與瓦斯突出煤層等特點(diǎn)，且煤層開(kāi)采條件不盡相同。依據(jù)上述分析，對(duì)煤層增透技術(shù)方法進(jìn)行了分類比較，結(jié)合我國(guó)低透氣性煤層的特點(diǎn)和各種增透技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了各種增透技術(shù)的適用條件，各增透方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)條件見(jiàn)表1。

4 高瓦斯低透氣性煤層增透技術(shù)展望

隨著煤礦開(kāi)采日益加深，地應(yīng)力和瓦斯壓力都呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，與之相關(guān)的動(dòng)力災(zāi)害也日趨復(fù)雜和嚴(yán)重，導(dǎo)致的采掘失調(diào)問(wèn)題嚴(yán)重將影響煤礦的安全高效生產(chǎn)[15]。煤層增透技術(shù)與裝備將面臨更大的需求與挑戰(zhàn)，煤層增透技術(shù)將會(huì)不斷涌現(xiàn)新的方法，今后高瓦斯低透氣性煤層增透技術(shù)的發(fā)展方向可歸結(jié)為3 個(gè)方面：

1）各種增透技術(shù)需要形成一個(gè)完整的理論體系。相對(duì)來(lái)說(shuō)，保護(hù)層開(kāi)采已經(jīng)形成了行業(yè)技術(shù)規(guī)范，明確了適用條件與選擇原則，制定了保護(hù)層開(kāi)采和瓦斯抽采規(guī)劃，有公認(rèn)的保護(hù)范圍及保護(hù)效果考察方法。 而其他增透方法還沒(méi)有形成公認(rèn)的增透機(jī)理、適用條件和增透范圍測(cè)定，這將是科研人員今后攻關(guān)的方向。

2）煤層增透技術(shù)將向集成化和綜合化發(fā)展。每種增透技術(shù)都有自己的局限性，如何充分發(fā)揮每種項(xiàng)技術(shù)的長(zhǎng)處并盡量克服其缺陷，是煤層增透技術(shù)發(fā)展必然要面對(duì)和解決的問(wèn)題，這就需要未來(lái)的煤層增透技術(shù)在不斷完善的基礎(chǔ)上，開(kāi)展多種增透方式的聯(lián)合增透，實(shí)現(xiàn)不同增透手段的集成化和多元化，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。例如地面壓裂與井下水平鉆孔聯(lián)合抽采技術(shù)、高能氣體壓裂與水力壓裂聯(lián)作技術(shù)等就是將不同增透原理的增透方法相結(jié)合增加煤層透氣性。

3）未來(lái)增透技術(shù)及裝備的將向無(wú)人值守方向發(fā)展，同時(shí)向自動(dòng)化、智能化、環(huán)保的方向發(fā)展。由于煤層增透作業(yè)環(huán)境昏暗，且作業(yè)的方式多為高壓、高速等方式，具有很大的危險(xiǎn)性。因此，增透技術(shù)裝備的研發(fā)將會(huì)向高可靠性、安全性和實(shí)用性發(fā)展，并與遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能化控制、無(wú)人化值守等技術(shù)相結(jié)合，營(yíng)造出本質(zhì)安全的井下增透作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié) 語(yǔ)

提高煤層透氣性必須改變煤體的結(jié)構(gòu)或?qū)崿F(xiàn)煤體卸壓，依據(jù)增透原理對(duì)提高煤層透氣透氣性的技術(shù)方法進(jìn)行了系統(tǒng)分類，并就相關(guān)研究成果闡述了煤層增透機(jī)理、增透工藝及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。結(jié)合我國(guó)低透氣性煤層的特點(diǎn)和各種增透技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了各種增透技術(shù)的適用范圍。隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采強(qiáng)度和深度的加大，導(dǎo)致瓦斯等動(dòng)力災(zāi)害日趨嚴(yán)重，結(jié)合增透技術(shù)的日趨成熟，指出了增透技術(shù)將向多種增透方式聯(lián)合作業(yè)，增透設(shè)備將向智能化、無(wú)人化的方向發(fā)展。