高瓦斯低透气性煤层强化增透抽采技术的现状及发展

赵文清　李文辉　潘孝康

摘要：中国大多数高瓦斯矿井煤层的透气性都比较低，普通的瓦斯抽采措施短时间内很难达到规范要求。要治理矿井瓦斯灾害，并且充分利用瓦斯能源，就必须研究促使煤层卸压增透的有效措施。本文从高瓦斯低透气性煤层增透常用技术的原理以及使用条件的角度进行了重点阐述，总结了高瓦斯低透气性的煤层在瓦斯抽采增透措施方面的新发展，得出了合理开发增透抽采新技术是高瓦斯矿井治理瓦斯灾害的主要发展道路的结论。

关键词：高瓦斯矿井；透气性；增透措施；瓦斯抽采

随着煤矿开采深度的增加，矿井灾害日益复杂多样，煤矿安全生产的压力也与日俱增。由于我国大多数高瓦斯矿井煤层都存在透气性较低的问题，通常采用的瓦斯抽采技术有效性较差，由于抽放钻孔对煤层的有效作用范围较小，而在工作面进行钻孔施工难度较大，煤层抽放效率低下，是造成矿山很难根治瓦斯灾害的主要原因。因此，对煤层进行卸压增透的研究已经成为国内学者的重点研究对象。增加钻孔的有效作用范围，结合瓦斯运移规律与卸压增透的特性，促进卸压后裂隙区的高浓度瓦斯快速释放，达到有效抽采的目的，以期在突出煤层的“卸压、增透、消突”方面有所突破[1—2]。

1. 高瓦斯低透气性煤层增透常用技术

1.1 深孔爆破增透技术

1.1.1 深孔控制预裂爆破增透技术

刘健、杨永生等[3-4]系统研究了深孔预裂爆破对低透气性高瓦斯煤层增透的作用机理，对煤体进行爆破后，爆破孔周边的煤体发生破裂与松动形成卸压区域，煤体原始应力集中带和高压瓦斯区域向煤体深部移动，一定程度上消除了应力集中，形成了较大的安全区域和防护区域。同时造成工作面前方煤体裂隙增多，渗流通道增大，透气性增强，有益于煤层瓦斯抽采，从而降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量。

采用深孔预裂爆破增透技术是一种可以提高瓦斯抽采率，防治矿井瓦斯灾害的可行思路。该技术为通过对煤层注水来降尘和抑制瓦斯涌出的方法提供了基础，也为治理低透气性高瓦斯煤层的瓦斯灾害提供了有效的方案。但是，如果抽采钻孔封孔效果不好，也会对深孔预裂爆破的效果造成影响[3、5]。

1.1.2 深孔聚能爆破增透技术

深孔聚能爆破增透机理可概括为：在聚能爆破作用下，爆破孔周边煤体产生了较大范围的连通裂隙网络，在爆破近区、中区和远区形成了粉碎区、径向和环向裂隙横纵交错的裂隙发育区以及径向裂隙存在的裂隙扩展区。由于聚能装药结构不同，与非聚能方向相比，聚能方向的聚能效应导致煤体粉碎区范围偏小而裂隙区范围较大[6-10]。随着煤体裂隙增加，透气性逐渐增大，有利于煤体瓦斯抽采，使煤体瓦斯压力降低、瓦斯含量减少。聚能爆破作用下的煤体裂隙分区示意图如图1所示[11]。

图1 聚能爆破作用下的煤体裂隙分区

深孔聚能爆破增透技术采用聚能装药结构，能充分发挥聚能射流侵彻和爆炸能量的叠加作用，克服了普通爆破作用下煤体的过度粉碎，增加了聚能方向煤体裂隙的数量和深度，形成较大范围的径向和环向裂隙网络[11]。

1.2 水力增透技术

随着治理瓦斯灾害工作的深入开展，瓦斯抽采技术也不断发展，水力增透技术作为瓦斯增透抽采技术中的一大类，主要是用水作为处理煤层瓦斯的手段，如水力压裂、水力割缝、水力冲孔等。水力化增透技术按动力源可分为以下两类[12]：水力割缝、水力压裂等技术把高压水作为主要动力源；水力冲孔等将水作为部分动力源。

1.2.1 水力压裂增透技术

水力压裂主要分为普通水力压裂和脉动水力压裂两种[13]。

采用注水压裂破坏煤层是借助水在煤層各种软弱结构面内起到的支撑作用。由于水的存在，造成弱面的张开和扩展，从而增加了裂隙的空间体积，裂隙的扩展会使多个裂隙之间连通，从而形成一个横纵交错的裂隙网络。形成的这种网络化裂隙，会大幅度提高煤层的透气性[14]。

当采用有较高压力的脉冲水对煤层进行压裂时，具有高压脉动特点的压力水对煤层不断的作用，导致煤层中的原生裂隙不断扩展、贯通，同时产生新的裂隙，大大提高了煤层渗透率[15]。

由文献[2]知，在鹤壁十矿进行的水力压裂试验中，煤层渗透性显著增加；进行水力压裂后试验后，煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力均小于防突规范里规定的临界值，起到了较好的增透消突作用；而压裂后煤层最大瓦斯抽采浓度提高了6.33倍，单孔平均抽采量提高了17.7倍，卸压增透效果明显[2]；在大兴煤矿进行的水力压裂试验中，水力压裂后钻孔最大抽采浓度为80%，平均抽采纯流量为0.218m3/min，相对于通孔瓦斯抽采量提高了7.6倍，煤层透气性系数提高79～272倍[16]。

林柏泉等[15]为了改进现有卸压增透技术，解决目前矿井瓦斯治理存在的难题，结合原有水力压裂技术，提出了高压脉动水力压裂卸压增透技术。通过理论分析和现场试验结合，对脉动压力在裂隙中的传播特性以及卸压增透效果进行了分析。发现高压脉动水力压裂可以使煤体的一些物理参数发生反复交变，造成疲劳破坏，进而连通孔隙，提高渗透率。

1.2.2 水力割缝增透技术

水力割缝增透技术主要用于低透气性、高瓦斯含量、有突出危险性煤层的增透。该技术主要是在煤层钻孔时借助高压水射流在孔内对煤体进行切割，最终在钻孔两侧形成具有一定宽度和深度的扁平缝槽，而水流则将切割下来的煤体通过钻孔排出，煤层在地应力作用下发生变形和破坏，使钻孔之间相互连通，提高了煤层的透气性，为瓦斯的渗流提供通道[17-19]。

1.2.3 水力冲孔

水力冲孔主要是依靠高压水的冲击能力，对煤体造成破坏，最终生产了一个较大的水力掏槽孔。其周边煤体向孔内发生较大位移，造成煤体发生膨胀变形，使孔道作用范围内的地应力降低，从而煤层充分卸压，裂隙增多，煤层透气性大幅度提高，促进瓦斯渗流。在采用水力冲孔时，水的作用体现在，高压水作用煤壁，产生了一个较大的掏槽孔，导致周边煤体充分卸压，瓦斯大量排放；对煤体的湿润，减小了煤体的脆性，降低了煤体内部的应力集中，从一定程度上抑制了煤和瓦斯突出，达到了综合防突的效果[20]。

2. 高瓦斯低透气性煤层增透新技术

2.1 液态CO2深孔爆破增透技术

温度低于31℃，压力为7.2MPa的CO2是液态的，而当温度高于31℃时液态的CO2瞬间转变为气态，在这个过程中，CO2的体积发生快速膨胀，可以对周围事物造成巨大破坏[21]。将液态CO2装在特制的容器内（爆破器），在工作面完成钻孔工作后，依次放入炮管，将爆破管的起爆头连通引爆电流后，活化器内的低压保险丝发生快速反应，较高的温度使容器内的CO2在四十毫秒内由液体迅速转变为气体，体积瞬间膨胀高达600多倍，容器内压力可增大到270MPa[22]。当压力超过设定值，释放头内的爆裂盘被打开，高压CO2气体瞬间从爆破器内发生爆炸，对钻孔附近的煤体作用，起到物理爆破的效果。

在渗透性较低且瓦斯压力较高的煤层中实施CO2预裂爆破，可以充分合理利用气体爆炸产生的应力波。高压气体的瞬间膨胀和巨大的体积变化使煤层中形成了粉碎区、裂隙发育区、裂隙区，给增加煤层渗透性提供了基础条件[23]。

2.2 高压旋转水射流割缝增透技术

该技术融合了钻机钻进与水射流割缝两种技术，利用钻机钻孔，当钻头到达煤层目标位置后，改变钻头的工作状态，从钻孔功能切换到割缝功能，然后退钻，在此过程中进行螺旋切割煤体，形成的卸压空间形状近似圆柱状，在扩孔方面达到了很好的效果，更大范围的释放了地应力和瓦斯潜能[24]。

如果只是采用钻孔进行卸压，起到的效果有限，主要原因是钻孔周围的应力集中会使部分煤体再次被压密，从而透气性降低，阻碍了气体的渗流；而采用射流割缝生成的缝槽，可以破坏钻孔周边的应力集中区域，从而提高煤体的渗透性。在一定的区域内，进行多个钻孔割缝，煤体发生卸压、变形和膨胀，邻近钻孔的影响范围相互重叠，煤体中就会形成裂隙网络，实现区域性整体卸压增透[24]。

2.3 多重水力卸压增透技术[25]

从水力压裂到水力冲孔再经过孔间压裂最后进行二次水力冲孔的一系列卸压技术称为多重水力卸压增透技术。

首先实施高压水力压裂，然后在该区域内采用水力冲孔技术，进行水力压裂后的煤体内部裂隙发生扩展，逐渐形成了裂隙网络，再采用水力冲孔会增加瓦斯涌出量，由于孔内邻近煤体瓦斯压力梯度较小，钻孔周边的煤体发生层状剥离趋势变缓，因而实施水力冲孔诱发孔内突出的概率便会大大降低。

在水力冲孔后进行孔间煤体压裂的主要方式是对部分钻孔采用高压注水压裂，把注水孔的邻近孔当作自由孔，自由孔内的空间可以作为钻孔间煤体压裂并产生位移的自由面。再次进行高压注水压裂使钻孔之间的煤体向水平方向发生膨胀变形，起到卸压增透的作用。

二次水力冲孔是该技术的最后一个环节，即对部分钻孔进行水力冲刷，而需要进行冲孔的钻孔是自由钻场钻孔和一次水力冲孔时冲出煤量较少的钻孔。

对突出煤层采用多重水力卸压增透技术，可以达到很好的卸压效果，与单独的卸压技术相比，主要优势在于：可以用同一套高压供水系统，不用增加额外的设备经费；此外，该技术并不影响瓦斯抽采，在实施水力冲孔和孔间压裂工艺时，经过煤水气分离装置的分离后，瓦斯便进入了瓦斯抽采管道，钻孔施工完毕即可进行瓦斯抽采。

2.4 穿层钻孔孔群增透技术[26]

穿层钻孔孔群增透瓦斯抽采技术[28]是在确保安全生产的前提下，对钻孔施工顺序进行优化的增透技术；在打钻过程中采用高压水力诱导喷孔，排出煤渣，促使孔群范围内形成多个喷孔孔洞；孔群范围内的煤体卸压，煤体的透气性增大，从而提升瓦斯抽采率。

在底板巷道进行网格式的上向穿层打钻过程中，利用高压水诱发钻孔喷孔，在孔群范围内形成多个喷孔孔洞；孔群范围内煤体所受应力重新分布，集中应力对煤体造成破坏，并转移到孔群作用范围以外的煤体中；孔群范围煤体裂隙经过萌生、扩展、贯通，向邻近的喷孔孔洞发生膨胀变形，裂隙张开，瓦斯渗流有效通道增大，孔群有效作用范围内煤体的渗透性增大。

由于煤层的非均质性和应力作用，孔群的增透效果在均匀性方面相对较差，一般情况下，喷孔孔洞附近煤体的增透效果较好，离喷孔孔洞较远的区域的增透效果相对较差。而所有未喷孔的钻孔都离喷孔孔洞较远，增透效果也随之变差，对这些钻孔进行强化抽采，有针对性地降低这部分煤体瓦斯含量，从而降低增透的不均匀性，通过一段时间的预抽后，煤层的瓦斯压力和瓦斯含量会大幅度降低。通过穿层钻孔形成的孔群增透瓦斯抽采技术是以原钻孔布置為基础的，在施工工作量上并没有减少，但瓦斯抽采效率得到了大幅度的提高，瓦斯预抽时间也大大减少。

3. 增透措施发展方向

煤矿开采深度越大，煤层赋存特性越复杂，高瓦斯压力、低透气性、高地应力、破碎松软的煤岩等特点越来越显著。瓦斯抽采增透措施在一定程度上提高了低透高瓦斯煤层的抽采率，但技术设备落后、适用性不强等问题仍需解决，对不同的强化抽采增透措施的适用性还需要进一步的研究。今后的研究重点应该放在以下几个方面。

（1）强化增透措施的基础理论研究，理论推导、实验室实验和数值模拟是常见的理论研究方法，也可以跨学科共同研究。

（2）通过大数据的统计分析，结合现场实际，适当整合和改进现有的增透措施，综合利用，形成集成化、多元化的增透措施，分阶段、分区域合理布置，提升增透效果。

（3）针对高瓦斯低透气性煤层的地质特征，（下转29页）（上接07页）以集成化、多元化的增透措施为基础，研发出信息化和智能化的增透装备。

（4）采用多学科共同发展研究的方法，充分学习其他学科已成熟的技术，有针对性地在煤矿采掘、瓦斯治理和煤层增透等方面加强应用。

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