低渗透性煤层强化抽采瓦斯的研究现状

摘 要：我国煤矿普遍进入深部开采，煤层透气性也随着开采深度增加而变小，矿井瓦斯严重影响和制约了煤矿安全高效生产，尤其低渗透性难抽煤层，利用常规的瓦斯布孔方式及抽采参数进行抽采，往往很难达到想要的抽采效果；本文总结和论述目前大多数煤矿进行的强化抽采瓦斯的方法，对其适用性进行分析，并对强化抽采瓦斯的发展方向进行展望。

关键词：煤层透气性；低渗煤层；强化抽采；抽采效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.073

0 概述

目前我国的煤炭开采普遍进入了深部开采，地应力增大，瓦斯含量及压力大，且深部受到地质构造运动影响，煤层的瓦斯含量较高，煤层透气性较小，为煤矿的安全高效开采带来一定的困难[1]。目前我国的矿井瓦斯抽采效率普遍较低，对其原因分析主要如下：煤层瓦斯含量较高、瓦斯压力低、煤体渗透性低、瓦斯的煤体吸附量不饱和程度高，煤层中低瓦斯压力难以形成瓦斯运移的动力，煤层的低渗透性不能为为瓦斯运移提供有效的运移路径，受到温度、压力、煤的吸附特性等因素使饱和度高使游离瓦斯量较少，瓦斯抽采效果较差。

1 煤层透气性现状分析

我国95%以上高瓦斯和突出矿井属于低透气性煤层，渗透率只10-3～10-4 md，瓦斯抽放困难、瓦斯抽放效率低是国内突出矿井普遍存在的技术难题。尤其随着开采深度的加深，地应力增大，煤体中裂隙闭合，使煤层透气性很小，且瓦斯在煤层小孔及微孔以扩散的形式流动，昼夜流动仅几厘米到几米之间，煤层形成后，受到地层的地质构造变动，煤体中原岩结构遭到破坏，煤体是以塑性破坏为主的低渗透性的结构。如何将煤层瓦斯高效抽出是亟待解决的问题，因此，我们有必要对煤层瓦斯采取强化抽采的方法，我们一方面提高煤层透气性的同时还要充分对抽采参数进行合理的选取，这样会有效的降低瓦斯压力及含量，提高抽采效率[2]。

2 强化抽采瓦斯的技术研究现状

2.1 高压水扩孔技术

我国煤矿在深部开采过程中，煤体有弹性煤体进入塑性煤体，对于弹性煤体而言，钻孔成孔率高，出现塌孔可能性小，瓦斯抽采相对容易，对于目前我国大多数煤矿都进入例如深井开采，尤其煤体由弹性煤体变为塑性煤体，软煤层厚度增加，打钻过程中排渣困难，尤其是在煤层中水力化钻进过程中，容易出现煤泥，导致钻机扭矩增大而卡钻，钻杆切断等现象，高压水扩孔技术先在煤层打小直径钻孔，利用高压水将钻孔周围煤体旋转切割下来，形成更大的空洞和扁平缝隙，煤层由于煤体被切割和冲洗出来后。一方面煤体厚度变薄，煤体卸压，煤体的地应力释放，煤层的透气性增大；另外一方面，煤体的孔隙裂隙增大，增加了瓦斯在煤体中的流动通道。高压水射流扩孔技术喷出高压细射流、又能自行旋转的喷嘴对钻孔周围媒体进行旋转切割，同时通过钻杆沿钻孔轴向做往复运动形成对钻孔的径向连续扩孔，从而扩大了钻孔直径，增大了钻孔的卸压范围及抽采有效半径，增加了钻孔的抽放量[3]。高压水射流破岩的优点是：在软煤体中，煤体强度低，由水力冲孔可以将松软煤体切割下来并由高压水带出钻孔，存在缺点：在施工过程当中，瓦斯涌出量大，为保证工人的安全作业，需要加大风量。

2.2 地面水力压裂技术

地面水力压裂技术是石油及煤层气行业目前应用广泛的技术，通过地面高压泵体将高压水作业动力，使煤体孔隙-裂隙导通的一种增透措施，在煤层气开发中应用广泛。通过地面打井向压裂区域注入高压水流体，高压水的水压力会因受到阻力增加，当高压水压力超过阻力的强度后，会将阻碍高压水进入裂缝的煤岩体破碎或将裂缝增大，由于该技术主要用于地面，且地面压裂会给煤岩体冲入支撑介质物体，对煤体的煤质产生一定的影响，且煤矿井下地质条件复杂，勘探不精确可能导致压裂的失败，地面水力压裂技术施工工艺复杂，因此存在一定的局限性，对于极薄煤层，地面水力压裂也是发展的方向。

2.3 水力割缝技术

水力割缝技术在煤矿井下应用技术是将高压水作为动力能源，利用高压水对水力割缝技术在20世纪70年代在鹤壁四矿、六矿进行了钻孔水力割缝强化抽采瓦斯试验，最初水力割缝设备比较简单，当钻孔达到指定的深度，退出钻杆取下钻头换下高压割缝钻头，再次送到孔底位置，割缝工艺不是连续的，在退钻过程中往往会对钻孔周围卸压带的破坏煤造成二次破坏，可能会导致钻孔塌孔；20世纪80年代，随着割缝工艺的不断改进，水力割缝已形成连续割缝，钻进后利用特别设备在退钻时候，割缝器工作进行割缝。

钻孔周围破碎煤体进行切割和破碎，最终在钻孔周围形成一个具有一定深度和宽度的裂缝，使煤体厚度变小，煤体卸压，增大透气性，和保护层开采卸压增透原理类似，适用性：目前煤矿突出危险性煤体则适用水力割缝，但是存在一定的局限性，高压水水压有限，由于人为在工作面操作原因，形成的裂缝宽度和厚度有限，只能进行局部的消除突出危險性，对于区域性消除突出危险性，目前还需要进一步改进。

2.4 长深孔控制预裂爆破技术

从20世纪50年代开始，国内就采用了钻孔松动爆破方法来提高开采层的瓦斯抽放效果，深孔松动预裂爆破是通过在工作面打爆破孔和空眼，空眼作用相当于自由面起到定向和导向作用，在爆破孔中装上炸药，通过爆破产生的裂缝连通爆破孔和空眼，每隔一定距离进行预裂爆破，从而消除突出危险性，优点：工人对于打眼爆破程序相对熟悉，施工相对方便，工人可接受能力和主观能动性相对较强；同时该项技术存在以下问题：①钻孔成孔难以保证；②出现瞎炮因为装药位置深，难以排除瞎炮；③炸药爆炸的能力大部分消耗在破碎煤的过度粉碎上[4]，提高突出煤层透气性井下瓦斯抽采的有效工艺技术迫在眉睫。

2.5 高能气体强化抽采技术

将不同的压裂药品进行配置，反应后会产生高温高压气体作为动力，通过特定的程序来控制压裂药品的能量释放，形成系统的动力对煤层进行压裂增透。在煤矿应用方面河南理工大学王兆丰将氮气及二氧化碳用来驱替[5]甲烷增加抽采效果进行了试验。其主要的作用机理为驱替效应、稀释扩散效应、压力梯度抬升效应、置换效应及膨胀增透效应。其中主要为由于煤层对甲烷的吸附能力小于二氧化碳，利用煤层注入二氧化碳会使强化置换出甲烷分子，从而降低煤层吸附的瓦斯量。当注入氮气的压力达到一定值后会对煤层产生拉伸破坏，从而增大其透气性。endprint

2.6 井下钻孔水力压裂强化抽采瓦斯

井下水力压裂技术是由地面水力压裂技术引入井下，主要原理是通过高压水进入煤体后，水压力逐渐增高，大于煤岩体的破碎压力后，会使煤岩体裂缝增大或者产生新的裂缝，这样的过程重复进行，最终形成大量的裂缝和裂隙网络，增大透气性，使煤层由难以抽采变为容易抽采。

对压裂试验的封孔问题，主要有以下几方面：裂隙破坏区及塑性区内部裂隙、封孔材料与钻孔孔壁之间密闭及封孔材料凝固后产生的裂缝。尤其在软煤层中[6]，封孔一方面难以将裂隙全部封堵，另一方面难以将封孔材料下放到指定的位置。

井下钻孔水力压裂可根据煤体结构不同，选择不同的工艺。对于突出煤层（碎粒煤、糜棱煤）可将地面虚拟储层强化工艺引入，对于原生结构煤和碎裂煤可将地面本煤层压裂工艺引入。

3 结语

（1）对于有保护层开采条件的矿井，首先优先选择保护层开采，保护层开采效果明显且瓦斯治理成本相对较低；

（2）研究和更新钻机设备，提高在松软煤层的成孔概率，松软煤层瓦斯钻孔的成孔很大程度决定强化抽采技术的实施；

（3）水力化增透技术目前仍然是强化增透的主要技术措施，进一步完善压力泵及配套的水力化设备。

参考文献：

[1]冯增朝.低渗透煤层瓦斯强化抽采理论及应用[M].北京：科学出版社，2008.

[2]王魁军，张兴华.中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前景[J]. 中国煤层气，1999，3（01）：13-16.

[3]刘磊.浅谈孔中压水割缝与交叉钻孔抽放瓦斯综合防突技术[J]. 煤矿开采，2007，12（03）：83-85.

[4]石必明，俞启香.低透气性煤层深孔预裂控制松动爆破防突作用分析[J].建井技术，2002，23（05）：27-30.

[5]杨宏民，张铁岗，王兆丰等.煤层注氮驱替甲烷促排瓦斯的试验研究[J].煤炭学报，2010，35（05）：792-796.

[6]李国旗，叶青，李新建等.煤层水力压裂合理参数分析与工程实践[J].中国安全科学学报，2010，20（12）：73-78.

作者簡介：周玉军（1988-），男，河南洛阳人，硕士研究生，从事煤矿开采和矿井瓦斯治理的教学和科研等工作。endprint