單一低滲煤層井下增透技術研究現(xiàn)狀與展望

牟全斌

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

我國主要煤礦區(qū)高瓦斯礦井和突出礦井數(shù)量多、分布范圍廣，瓦斯災害治理仍然是我國煤礦安全領域中的重大技術課題。據(jù)統(tǒng)計[1-2]，我國目前還有840處高瓦斯煤礦、719處煤與瓦斯突出煤礦，煤層滲透率僅為0.987×10-7～0.987×10-6μm2?；谖覈簩悠毡榫哂械母咄咚埂娢?、低滲透率、非均質(zhì)性強等特點，瓦斯抽采難度極大。同時，現(xiàn)代采掘技術與裝備的迅速發(fā)展對瓦斯治理提出了更高的要求，如何實現(xiàn)低滲煤層高效瓦斯抽采是我國煤礦瓦斯治理面臨的技術性難題，也是“十四五”煤礦災害防治領域重點攻關方向[3]。

煤儲層屬于典型的孔隙—裂隙型儲集層，瓦斯抽采存在氣體“解吸—擴散—滲流”過程，煤體內(nèi)大量原生裂隙和次生裂隙是瓦斯流動的主要通道，煤層瓦斯運移能力受煤體的孔隙—裂隙結構控制[4]。在多煤層條件下，通過保護層開采即可實現(xiàn)大范圍增透。而對于單一低滲煤層，只能采取人工措施擾動、破壞、改造煤儲層原有孔隙—裂隙結構，提高抽采影響范圍內(nèi)煤層透氣性，構建煤層內(nèi)部優(yōu)質(zhì)瓦斯運移通道。筆者對我國單一低滲煤層井下增透技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行闡述，分析應用中存在的主要問題，并展望總體發(fā)展趨勢和研究方向，以期為煤礦瓦斯治理和科技發(fā)展布局提供決策參考。

1 煤層增透技術原理及分類

煤體滲透率是地應力、孔隙壓力、煤基質(zhì)收縮/膨脹以及煤體裂隙特征(裂隙大小、連通性、密度、展布特征、礦物填充等)多個因素綜合作用的結果[5]。煤層卸壓與煤體裂縫改造是低滲煤層增透2個主要的技術途徑，前者是通過改造鉆孔周圍應力分布，形成卸壓圈，增大瓦斯流動壓差，提高瓦斯運移動力。后者是利用煤體的脆性力學特征，擴大原有裂縫或開啟新的裂縫，增大裂縫幾何規(guī)模，提高煤儲層縫網(wǎng)系統(tǒng)連通性，縮短瓦斯運移距離，提高瓦斯流速。目前單一低滲煤層增透技術主要可分為水力化技術、爆破類技術、鉆探類技術以及其他新技術(表1)。

表1 單一低滲煤層增透技術分類Tab.1 Classification of enhanced permeability technology for single low permeability coal seam

2 水力化增透技術

2.1 水力壓裂技術

水力壓裂技術是利用高壓泵組通過壓裂孔向煤層中注入高壓水，當孔內(nèi)水壓超過煤層的起裂壓力后煤體破裂產(chǎn)生裂隙，并垂直于地層最小主應力方向延伸，本技術主要適用于以原生結構煤、碎裂煤發(fā)育為主的煤層，成縫效果更佳。對于松軟煤層，可選擇將壓裂孔布置在緊鄰煤層頂(底)板中，利用圍巖裂縫在煤巖界面的穿層作用溝通煤層。國內(nèi)學者對水力壓裂增透機理、影響因素、注入?yún)?shù)、裂縫延伸規(guī)律等進行了理論研究，結合定向鉆進技術研究了定向長鉆孔水力壓裂技術，提出了長鉆孔整體壓裂和圍巖梳狀鉆孔分段壓裂2種技術模式[6]，最大壓裂影響半徑達到了58 m。研究了定向水力壓裂技術，提出了多孔控制定向水力壓裂技術[7]，通過實施先割縫后壓裂的方法提出了基于定向槽的定向水力壓裂技術[8]，利用定向槽和控制鉆孔的共同作用將煤體壓穿。并提出了高壓脈動水力壓裂卸壓增透技術[9]，利用脈動水力壓裂使煤體產(chǎn)生疲勞破壞，從而疏通裂隙。研究了表面活性劑壓裂煤層輔助增透技術[10]，開展了重復壓裂[11]、加砂(骨料)壓裂[12]等技術試驗。研制了井下專用遠程操控水力壓裂泵組，最高壓力可達70 MPa，最大排量>1.0 m3/min。在壓裂工具及工藝方面，發(fā)明了由注水器、封孔膠囊等組成的井下短鉆孔分段壓裂裝置[13]，發(fā)明了長鉆孔分段壓裂快速坐封裝置，探索了井下雙封單卡、水力噴孔分段壓裂工藝，并試驗了大地電場巖性探測(CYT)、微震和瞬變電磁法等壓裂效果考察技術[14-15]。

2.2 水射流割縫技術

水射流割縫技術是利用高壓水射流切割鉆孔周圍的煤體，在孔壁產(chǎn)生多條縫槽并排出煤粉，提高鉆孔周圍煤層滲透性，本技術適用于順層鉆孔或穿層鉆孔作業(yè)，對煤層條件無特殊要求。在基礎理論方面，提出了高壓水射流破巖的水錘作用、應力波作用、沖擊作用、水楔作用、空化作用機理。李曉紅團隊[16]進行了自激振蕩水射流增透技術研究，對普通水射流割縫技術進行改進，提出了高壓磨料水力射流割縫技術，設計了利用射流泵原理抽吸和混合磨料實現(xiàn)水射流連續(xù)加料的系統(tǒng)[17]，實現(xiàn)了前混合磨料水射流的連續(xù)高效作業(yè)，并在噴嘴形狀設計及優(yōu)化方面做了大量的研究[18]。姜文忠等[19]開展了三維高壓旋轉(zhuǎn)水射流技術及裝置研究，通過鉆桿軸向旋轉(zhuǎn)帶動裝有導向葉輪的旋轉(zhuǎn)水射流噴頭，形成三維旋轉(zhuǎn)水射流。為了提高了水射流破煤巖的效率，開發(fā)了高壓水射流割縫網(wǎng)格化增透技術及“鉆—割—抽”一體化設備[20-21]，研究了高壓氣液兩相射流破煤技術[22]，并開展了超高壓水射流割縫技術及裝置研究[23]，割縫壓力達到100 MPa，割縫半徑達到1.78～2.18 m。

2.3 水力沖孔技術

水力沖孔技術是利用高壓水對煤體的沖擊作用，對鉆孔周圍煤體進行沖刷、運移，形成孔洞，達到孔洞附近煤層卸壓增透的效果，該技術主要適用于煤體堅固性系數(shù)f<0.5的煤層條件。前人研究了水力沖孔工藝流程并提出了最佳破煤水壓值估算公式[24]，探索了新型順煤層鉆孔水力沖孔技術并在陽泉礦區(qū)進行了試驗[25]，提出了利用抽采套管和壓風管排水排渣的下向鉆孔水力沖孔工藝[26]，分析了水力沖孔的卸壓增透效果和孔徑變化規(guī)律[27]，研究了水力沖孔過程中注氣驅(qū)替工藝和防堵孔技術。近年來，圍繞如何提高沖孔效果和提高作業(yè)效率，發(fā)明了多級破煤沖孔裝置[28]，研制了沖/壓一體化作業(yè)機[29]、連續(xù)沖孔作業(yè)機[30]等，并提出了“鉆—沖”一體化增透作業(yè)技術，研制了配套的沖孔泵車、“鉆—沖”一體化鉆頭、煤水分離車，雙通道鉆桿等設備(圖1)，此外，在水力沖孔數(shù)值模擬、影響半徑測定、參數(shù)優(yōu)化設計、效果考察、孔洞形態(tài)變化研究等方面也進行了大量研究。

圖1 井下“鉆—沖”一體化水力沖孔關鍵裝備Fig.1 Key equipment of underground "drilling punching" integrated hydraulic punching

3 爆破類技術

3.1 深孔爆破技術

深孔爆破技術是利用爆炸作用對鉆孔周圍煤體產(chǎn)生物理破壞，誘導產(chǎn)生裂隙網(wǎng)絡以提高煤層透氣性，主要包括松動爆破、深孔聚能爆破和深孔預裂爆破技術等，本技術適用于煤體堅固性系數(shù)f>0.3的煤層條件。目前已研制成功了水膠藥柱、裝藥管和封孔器等，解決了裝藥、封孔等關鍵技術。基于對鉆孔布置、裝藥、封孔、起爆等程序的研究，形成了完整的聚能爆破工藝[31]。研究了含硬夾矸煤層多向聚能爆破技術[32]，并研究了利用水膠藥柱在煤層深孔中爆破致裂技術[33]，設計了水膠藥柱的結構，保障了不耦合裝藥的可靠傳爆性。此外，在深孔預裂爆破技術的基礎上提出了定向爆破增透技術[34]，在實現(xiàn)煤層增透的同時保護了圍巖。

3.2 CO2相變致裂技術

河南理工大學引入Cardox CO2爆破系統(tǒng)并進行改進，研究了低滲煤層CO2相變致裂技術及爆破致裂器(圖2)，主要適用于煤體堅固性系數(shù)f>0.3的煤層條件。原理是在致裂器儲液管內(nèi)充裝液態(tài)CO2，激活發(fā)熱裝置使儲液管內(nèi)CO2受熱快速氣化膨脹。當CO2氣流壓力超過定壓剪切片閾值后由釋放管出氣孔急速沖出沖擊破壞煤體，在煤體中產(chǎn)生宏觀裂隙及損傷區(qū)，形成新的裂隙網(wǎng)絡，實現(xiàn)煤層增透。目前已在液態(tài)CO2充裝設備研發(fā)、爆破能量當量計算、布孔參數(shù)設計等方面取得了突破[35-36]，并研發(fā)了定向裝置，形成了低滲煤層液態(tài)CO2相變定向射孔致裂增透技術[37]。

圖2 CO2爆破致裂器組成結構Fig.2 Structure of CO2 blasting device

3.3 高壓空氣爆破致裂增透技術

高壓空氣爆破致裂增透技術是利用被壓縮的高能氣體突然釋放產(chǎn)生的沖擊波效應破壞煤體，高壓空氣作用于鉆孔周圍煤體形成高壓空氣應力波，煤體受到拉、壓、剪等應力混合作用破壞，形成新的裂隙網(wǎng)絡，本技術主要適用于煤體堅固性系數(shù)f>0.5的煤層條件。煤科集團沈陽研究院研制了成套技術與裝備(圖3)，具備高壓帶壓作業(yè)中的遠程控制和監(jiān)測功能，爆破壓力最高達到70 MPa，可單點/多點爆破作業(yè)，形成了以鉆孔選址、鉆孔施工、爆破系統(tǒng)連接、爆破筒置入、封孔、起爆為主的高壓空氣爆破致裂增透工藝[38-39]。

圖3 高壓空氣爆破致裂系統(tǒng)Fig.3 System of high pressure air blasting

3.4 電脈沖可控沖擊波技術

該技術利用電脈沖可控沖擊波釋放的能量，通過破裂、撕裂、高彈性波擾動等方式重復作用于煤儲層，形成與孔隙溝通的裂隙或裂紋，有效溝通煤儲層中孔隙和裂隙網(wǎng)絡，改善煤儲層滲透性。目前已研制了可控沖擊波產(chǎn)生裝置(圖4)，形成了作業(yè)工藝流程[40-41]，通過研究循環(huán)高壓電脈沖沖擊作用下煤中微裂隙發(fā)育的煤級與載荷響應特征，認為在低能量條件下對低煤級煤效果更好[42]。作業(yè)過程要求孔中注水，啟動孔外控制器為儲能電容器充電，能量控制器將電容器中儲存的電能瞬間傳遞給能量轉(zhuǎn)換器，形成沖擊波能量作用到煤層，以“單點多次、多點連續(xù)”的方式對煤層進行增透改造。

圖4 可控沖擊波產(chǎn)生裝置示意Fig.4 Schematic of controllable shock wave device

4 鉆探類增透技術

4.1 大直徑鉆孔增透技術

大直徑鉆孔增透技術是通過特殊的鉆具及鉆探工藝，增大鉆孔直徑，擴大鉆孔卸壓范圍，實現(xiàn)鉆孔周圍煤體增透，主要適用于非突出煤層及已采用防突措施的突出煤層，對于中硬、硬煤層效果更佳。施工可采用一次性成孔或多級擴孔工藝。目前已形成大直徑鉆孔施工關鍵裝備及成孔工藝[43]，進行了一次性擴孔和二次分級擴孔試驗，在本煤層中一次性完成了孔徑φ650 mm、最大孔深48 m的大直徑鉆孔，發(fā)明了可開閉的φ300/153 mm連桿式回拉擴孔鉆頭[44]，通過調(diào)節(jié)泥漿泵流量控制擴孔刀翼，實現(xiàn)了提鉆與擴孔作業(yè)同步作業(yè)，提高了多級擴孔施工效率。并開發(fā)了松軟煤層條件大孔徑套管鉆進技術及配套裝置[45]。

4.2 井下短半徑側(cè)鉆增透技術

利用鉆機施工先導孔作為母孔，通過轉(zhuǎn)向器使鉆頭以小區(qū)率半徑快速進入煤層，借助水射流的反噴作用力推動鉆頭鉆進，形成自進式水力噴射“樹狀”鉆孔的子孔，改變轉(zhuǎn)向器位置和方位，在煤層中形成多層“樹狀”抽采孔網(wǎng)(圖5)，大范圍有效聯(lián)通裂隙，提高煤層滲透率。此外，可利用蛇骨狀柔性鉆桿實現(xiàn)煤層中短半徑強造斜鉆進，通過調(diào)整方向在煤層中形成多個輻射狀分支孔，實現(xiàn)煤層較大范圍增透。本技術主要適用于松軟低滲煤層條件。

圖5 井下樹狀鉆孔系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic of tree borehole system in underground

5 其他新技術

近年來，國內(nèi)學者研究了注液氮冷加載、注熱蒸汽、微波輻射等熱加載、高功率超聲波激勵、掏煤造穴、變頻氣動致裂等增透新技術，冷加載使煤體原生裂隙結構發(fā)生損傷和擴展，并沿層理方向延伸，提高裂縫的寬度和規(guī)模，熱加載使煤體基質(zhì)產(chǎn)生熱膨脹而引發(fā)熱開裂，促進煤體微裂隙擴展，實現(xiàn)煤體擴孔增滲。高功率超聲波可提高煤體孔隙中的大孔數(shù)量，增大煤體有效孔隙度。掏煤造穴是利用機械造穴工藝或地面鉆孔空氣動力重復激勵等方式破壞煤層，掏出煤體并形成洞穴，通過改造煤層體積實現(xiàn)卸壓增透。變頻氣動致裂是利用氣體的高度擴散性并通過低壓變頻抽壓交替力學作用，使煤體裂隙產(chǎn)生疲勞擴展。此外，還提出了利用向煤層注入化學酸液溶蝕煤體中碳酸鹽礦物充填物，疏通煤層裂隙通道的化學增滲技術。

6 存在問題

6.1 基礎理論研究薄弱

鑒于煤儲層特殊的物理屬性和井下復雜的應力條件，對各種增透技術的微觀作用機理、適用條件、時效特征研究不足，對采掘擾動和人工增透改造雙重條件下煤儲層裂隙演化規(guī)律認識不清，對應力場、裂隙場、瓦斯場、溫度場等多場多相耦合機理研究不夠，對煤體裂縫形成機制、延展規(guī)律及閉合特征認識不足，對增透后瓦斯解吸、富集與運移規(guī)律尚不明晰，對煤體滲透率全時空演化規(guī)律缺乏定量研究。

6.2 核心技術及裝備亟需完善與提升

井下水力壓裂排量小，整孔壓裂時難以形成有效應力集中，井下加支撐劑困難，清水壓裂裂縫規(guī)模小、易閉合，且缺乏成熟的長鉆孔孔中快速分段及多段連續(xù)壓裂作業(yè)技術及裝備，增透范圍分布不均衡，軟煤增透效果差。水射流割縫和水力沖孔影響范圍有限且裂隙易被煤粒充填，對于近水平孔和下向孔排渣困難，在硬煤、含夾矸等煤層條件下，純水射流切割深度淺。而磨料射流、空化射流、氣液兩相射流等技術尚不成熟。深孔爆破、液態(tài)CO2增透技術受爆破器材管控、“拒爆”處理難、影響范圍小，軟煤中爆破能量耗散過快，裂隙受地應力作用易逐漸閉合。電脈沖可控沖擊波技術對井下復雜地質(zhì)條件適應性不夠，作業(yè)流程復雜。高壓空氣爆破產(chǎn)生的壓力較低、僅在壓力釋放點附近致裂煤體。鉆探類技術對于地質(zhì)條件要求嚴格，大直徑鉆孔成孔深度有限，軟煤中作業(yè)易誘導突出，且鉆孔出渣量大，施工效率低，缺乏有效的“鉆—護”一體化技術。短半徑側(cè)鉆技術存在母孔中開窗難、煤層中鉆孔軌跡控制難、退鉆難等缺陷。而其他新技術多處于基礎研究和前期試驗階段，技術成熟度低。

6.3 集成化、協(xié)同化、安全化、智能化程度低

目前各類增透技術僅凸顯了單個技術層面的突破，技術的集成化程度低，和采掘、支護、運輸、通風、監(jiān)控等系統(tǒng)協(xié)同化程度低。現(xiàn)場作業(yè)依靠人工近距離操作，在瓦斯富集區(qū)作業(yè)時，易發(fā)生噴孔甚至誘導突出。智能化水平低，缺乏增透作業(yè)專用的特種機器人，難以滿足未來智能化、無人化礦井建設的要求。

7 發(fā)展趨勢

7.1 提高單項增透技術的有效性

(1)在水力壓裂增透技術方面，重點研發(fā)井下大排量、小型化、智能化壓裂設備，研究井下加砂壓裂關鍵技術與裝備，研究具備快速分段和連續(xù)作業(yè)功能的長鉆孔壓裂技術及工藝，研制易回收、低成本、長壽命的孔中壓裂工具，研究單孔重復壓裂技術及多孔同步壓裂技術，研究煤層—圍巖聯(lián)合壓裂縫網(wǎng)改造技術，研究井下定向可控壓裂技術，研究基于精細物探技術的水力壓裂效果監(jiān)測技術。

(2)在水射流割縫技術方面，優(yōu)化噴嘴參數(shù)設計，研究不同煤層條件下最佳作業(yè)參數(shù)，研究定向割縫技術工藝。提高割縫深度和排渣效果，完善磨料射流、空化射流、氣液兩相射流等新技術工藝。

(3)在水力沖孔技術方面，研究長鉆孔多點水力沖孔增透技術，研究“鉆、沖、運、護、抽”一體化協(xié)同作業(yè)技術，研究洞穴形態(tài)及尺寸定量描述技術，完善孔外水、渣分離和快速清運技術，研究近水平鉆孔及下向鉆孔沖孔排水排渣技術。

(4)在爆破增透技術研究方面，研究爆破間距、時間間隔、爆破能量、爆破次數(shù)等關鍵技術參數(shù)優(yōu)化設計技術，提高起爆方式的穩(wěn)定性和可靠性，增大致裂影響半徑，研究定向爆破致裂增透技術。

(5)在鉆探類增透技術方面，研究大直徑一次性快速成孔及配套的防噴、護孔技術，研究井下多分支長鉆孔增透技術，研究碎軟煤層條件增透孔段局部飛管護孔技術，研究短半徑側(cè)鉆快速定向開窗技術，研究徑向水平分支孔軌跡精準測量與控制技術。

7.2 發(fā)展復合型增透技術

開展多種增透方式的聯(lián)合，實現(xiàn)不同增透手段的集成化和多元化，形成優(yōu)勢互補。比如開展水力壓裂—深孔預裂爆破聯(lián)合增透技術、高能氣體壓裂與水力壓裂聯(lián)作技術、鉆擴一體化與水力壓裂聯(lián)合增透技術、水力割縫和水力壓裂聯(lián)合增透技術、機械造穴與水力沖孔聯(lián)合增透技術、水力沖孔與CO2聯(lián)合增透技術、機械造穴與水力割縫聯(lián)合增透、化學增透與水力壓裂聯(lián)合增透技術等方面的研究。

7.3 發(fā)展井上下聯(lián)合壓裂區(qū)域化增透技術

從地面向井下采區(qū)(盤區(qū))、工作面巷道施工少量鉆孔，采用定向鉆進技術在煤層或圍巖施工長鉆孔，開發(fā)基于“地面大功率壓裂泵車+井下長鉆孔”的聯(lián)合壓裂模式，實現(xiàn)“孔群”區(qū)域化增透。其關鍵技術有：①地面垂直井與煤礦井巷精準貫通技術；②井下長鉆孔地質(zhì)導向精準鉆進技術；③井下連續(xù)管壓裂作業(yè)裝備研制；④井下長鉆孔快速分段與射孔—壓裂聯(lián)作技術；⑤井下群孔條件下孔口閥組遠程控制技術；⑥井上下協(xié)同作業(yè)技術。

7.4 發(fā)展深部復雜地質(zhì)條件煤層增透技術

我國東部主要煤礦區(qū)已轉(zhuǎn)入深部開采，瓦斯賦存條件更為復雜，煤巖非線性非均勻物理屬性更加明顯，高地應力、高地溫、高巖溶水壓、強吸附性和強開采擾動特征更為顯著，受深部地應力和采礦活動引起的“加載”與“卸荷”效應，鉆孔周圍出現(xiàn)蝶形塑性區(qū)，構建人工瓦斯流動通道更加困難，亟待開展深部復雜條件煤層增透改造關鍵技術攻關。

7.5 發(fā)展協(xié)同化、智能化、無人化增透技術

在大數(shù)據(jù)、云技術、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術引領下，基于多源海量瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)探測、處理、融合與驅(qū)動，構建礦井三維動態(tài)地質(zhì)幾何模型和透明地質(zhì)保障系統(tǒng)，甄選最佳增透技術及工藝，優(yōu)化施工參數(shù)。在獲取海量鉆探、物探、化探數(shù)據(jù)的基礎上，充分利用現(xiàn)代數(shù)學和計算機技術的先進成果，與井下智能鉆探、封孔、連抽等環(huán)節(jié)協(xié)同作業(yè)，使用遠程監(jiān)控系統(tǒng)和專家決策系統(tǒng)等智能化工具，實現(xiàn)煤層增透作業(yè)過程中的遠程監(jiān)測與調(diào)控、數(shù)據(jù)實時傳輸、互饋，形成統(tǒng)一的模擬分析及輔助決策一體化智能增透作業(yè)平臺，加強井下遠程化、智能化、無人化增透技術及裝備體系的研發(fā)。

7.6 建立完善的單一低滲煤層增透技術體系

基于井下單一低滲煤層增透全生命周期理念，對增透地質(zhì)條件評價、技術優(yōu)選、工程總體設計、工藝及關鍵參數(shù)優(yōu)化、效果考察及評價、抽采管理等環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)性研究，對增透前、增透中、增透后全過程進行梳理，完善配套的監(jiān)測監(jiān)控、安全保障技術，制定單一低滲煤層增透技術標準，建立一套完善的煤礦井下單一低滲煤層增透技術體系。