煤矿井下低透气性煤层增透技术研究现状与发展趋势

2018-01-30唐建平胡良平

中国煤炭 2018年3期

唐建平胡良平

(1.煤炭科学研究总院，北京市朝阳区，100013；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037)

煤层气(瓦斯)是在煤炭开采中形成的伴生气体，是一种导致煤矿灾害和产生温室效应的有害气体，但同时又是一种可以和常规天然气相媲美的清洁能源。煤层气抽采利用不仅可以降低煤矿瓦斯灾害事故，同时还能缓解能源危机。我国煤层气资源储存量十分丰富，根据最近的数据表明，2000 m以浅煤层气的储存量为36.81万亿m3，居世界第三位，至2016年底，我国煤层气开采量达到180亿m3，80%以上采用井下抽采的方式。我国煤层普遍呈现“三高一低”的特征，即高含量、高地应力、高瓦斯压力以及低渗透率。我国煤层气的渗透率通常在0.001×10-3～1.0×10-3μm2,普遍低于世界主要产煤国家，属于特低渗透率煤层。随着我国煤矿开采深度的逐年增加，煤层透气性进一步变差，加上煤矿井下复杂的环境条件，瓦斯抽采难度加大。因此国内绝大多数煤矿在预抽瓦斯之前，都采取一定的措施对煤层进行增渗助产。

近年来，随着我国投资力度的不断加大，瓦斯灾害治理工作取得了突破性进展，死亡人数降低到历史最低水平，但由于我国煤矿井下复杂的地质条件和管理上的缺陷，造成现有煤层增渗技术、装备与实际工程应用不匹配、不完善等问题，这些技术的推广仍然需要突破诸多技术难题。基于此，本文总结了近些年来煤层增渗技术的研究进展，分析了这些技术在运用中存在的问题，并对其未来的发展趋势进行了展望。

1 井下煤层增渗原理

井下煤层气抽采可分为采前预抽和边采边抽，由于我国大部分煤矿为高瓦斯突出矿井，利用采动裂隙抽采瓦斯的方式发生煤与瓦斯突出事故的概率很大，所以在大多数情况下都采用采前预抽的方法进行。煤是一种多孔性非贯通裂隙固体介质，具有高度发达的孔隙系统。瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种，在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%～90%，游离瓦斯量占10%～20%。一般来讲,在无外界干扰的情况下，煤层中吸附态和游离态瓦斯处于动态平衡状态。要提高瓦斯的抽采效率，就必须对煤层结构进行改造，尽可能将吸附态瓦斯变成游离态，与此同时贯通煤中裂隙，加快瓦斯的流动速率。

2 煤层增渗技术研究现状

煤层增渗技术是伴随着石油矿藏的开采而发展起来的，经过科技工作者的不断探索，相关单位已经开展试验并应用于现场的方法主要有水力化措施、二氧化碳爆破、高压空气爆破、电脉冲冲击波增透技术，由于传统钻孔卸压法的低效率及松动爆破方法实施程序的复杂性，已逐步被新技术所取代。

2.1 水力化措施

水力化措施主要包括水力压裂、水力割缝、高压水射流钻孔技术等。

(1)水力压裂技术。水力压裂是将高压水注入到煤层中，使原生煤裂隙张开、扩展、延伸至相互贯通，沟通游离瓦斯流动通道，提高瓦斯流动效率。与此同时，改变煤的孔隙结构，提高煤层中瓦斯的解吸效率。水力压裂技术自1947年在美国堪萨斯州试验成功以来，拉开了水力压裂技术研究的序幕，已成为油、气增产增注的主要措施。20世纪60年代煤炭科学研究总院抚顺分院首次在煤层中试验水力压裂技术，掀起了该技术在国内研究的热潮，水力压裂技术不仅可以用来增加煤层渗透率，还可以防治煤与瓦斯突出。20世纪80年代，阳泉、平顶山等瓦斯突出严重的煤矿引入了该技术，在瓦斯灾害防治方面取得了不错的成绩。各大院校、科研单位集中于水力压裂原理和工程实践的研究，在开采没有保护层的煤层时，创造性地提出了地面水力压裂与井下相结合，并在一些矿区实现了瓦斯的高效抽采。针对我国大部分煤矿井工开采及煤层普遍较松软的特点，一些专家学者相继研发出了一些水力压裂的新技术，如脉动水力压裂、点式水力压裂、定向压裂技术、重复水力压裂技术等，并开发出了相应的配套装备。为了提高煤层的压裂效果，在压裂液中添加一些化合物，如表性活性剂、合成聚合物等，一方面可以促进煤层瓦斯的解吸，另一方面溶解煤粒中的矿物质，促进裂隙通道的贯通，提高煤层渗透性。水力压裂技术先后在平煤、阳煤、沈煤等地取得了初步成效，平煤十矿的平均瓦斯抽采量增加了14倍，阳煤新景二矿的瓦斯抽采量提高了10倍。

(2)水力割缝技术。水力割缝是利用高压泵通过水射流钻头对煤层两侧进行切割，形成具有一定宽度和深度的水平槽缝，这样在沟通煤层原生裂隙同时，还在煤层中创造了新的裂缝，不仅可以增加煤层的透气性，同时降低了原生煤层的地应力，降低了煤与瓦斯突出的危险性。水力割缝过后钻孔附近的煤体得到局部的卸压，改善了瓦斯流动通道，同时水力割缝孔还能充当抽采孔的角色。经过10多年的发展，水力割缝技术取得了长足的进步，逐渐由传统、单纯的高压水射流割缝发展成如今能量利用率较高的脉冲水射流割缝、磨料割缝及空化水射流割缝技术。中国矿业大学、重庆煤科院等科研单位通过对高压水射流割缝原理及工艺的研究，开发出了高于100 MPa的超高压水力割缝技术，进一步提高了割缝效率，同时克服了超高水压状况下管路系统密封问题，研制出了煤矿井下钻割一体化技术，解决了原先割缝技术工艺复杂、作业时间长等问题。水力割缝技术在各大煤矿取得了广泛的应用，以东滩矿为例，割缝后煤层渗透率提高了5倍，钻孔深度提高了20%，成孔率提高了50%。

(3)高压水射流钻孔技术。高压水射流钻孔技术是以水为介质，通过高压泵，使其获得极大的能量，然后以一定喷嘴形状喷出，最后冲刷煤层，在煤层中形成均匀、规则的抽放孔。高压水射流钻孔主要集中在喷嘴及钻孔工艺的研究。经过数十年的发展，喷嘴由原先的单喷嘴直射流逐渐发展到现在的自进式旋转、直旋混合射流喷嘴，钻孔工艺由原先的垂直钻孔到现在的径向多分支钻孔技术。通过这些技术、工艺的改进，极大地提高了钻孔效率，同时改善了煤层的渗透性。

目前，水力化措施在全国得到了广泛的运用，尤其在晋城矿区，地面和井下协同增透技术取得了极大的成功。但是对于这些技术的基础理论的研究总是落后于实际应用，对于高压水射流的破岩机理目前还处于假说阶段，注水后煤层瓦斯运移机理的研究有待深入。同时水力化措施是把双刃剑，如水力压裂技术在顶板条件较差的情况下容易造成失稳，消耗水巨大的同时压裂液还污染地下水源。在增大煤层渗透性的同时，盲目地运用水力化措施还可能会诱发煤与瓦斯突出，造成不必要的损失，目前对于水力化措施致灾机理上的研究几近空白。井下空间狭小，因此，对于水力化措施技术标准准则的制定，以及可靠性、方便性装备的研制，是目前急需解决的问题之一。同时水力化措施基本上都是通过高压实现的，一旦发生漏气事故，对操作人员来讲是致命的，因此，在提高其增透效果的同时，亦要考虑其安全性。

2.2 二氧化碳爆破增透技术

二氧化碳爆破增透技术就是将二氧化碳爆破器放入到已经打好的钻孔之中，之后对钻孔进行密封处理后进行起爆，爆破器材内的液态二氧化碳瞬间膨胀产生高压气体作用在钻孔孔壁上，使煤体产生裂隙，增加了其渗透性，同时二氧化碳气体侵入到煤体中，由于煤对二氧化碳的吸附性大于瓦斯气体，故对煤中瓦斯形成置换效应，促进了瓦斯由吸附态变为游离态。

国内外对二氧化碳致裂技术进行了长足的研究，液态二氧化碳致裂技术最早由英国的CARDOX提出，并将其成为CARDOX系统。在20世纪20年代至50年代一度成为美国和英国煤矿运用最为频繁的技术之一。山西潞安煤矿通过试验表明，对于低渗透性煤层来讲，二氧化碳致裂爆破技术是最为有效的瓦斯增透方法之一。由于二氧化碳爆破成本低廉且易于管控，目前在地面工程(露天开采、道路施工、建筑物拆除、管道疏通等)得到了广泛应用。

但是对于二氧化碳致裂爆破技术的爆破机理、安全控制等方面的研究却严重滞后，由于没有形成一个规范性的二氧化碳爆破规程，盲目的应用导致了不少安全事故的发生。因此，加强对二氧化碳爆破系统的研究，保持其比常规爆破具有的优势是目前需要解决的问题。

2.3 高压空气爆破增透技术

同二氧化碳爆破一致，高压空气爆破也是一种无炸药爆破方法，其原理是通过机械法或者物理反应产生高压气体，在煤层中安装高压空气爆破筒，以高压空气冲击波为动力源，之后使爆破筒内的气体瞬间释放，对周围的煤体进行膨胀做功使其破碎，使周围煤体得到卸压，煤体渗透性得到极大的提高。

一些研究表明，高压空气爆破在一定程度上弥补了水力化措施的不足，如水力化措施耗水量巨大，井下煤矿输水成本高，同时一些液体可能会污染煤层，而且水力化措施都是在高压条件下进行的，对装备的气密性要求极高。汪井旺通过数值模拟的方法研究了高压空气爆破致裂的影响因素，结果表明地应力对其裂隙扩展效果具有抑制作用，煤层瓦斯压力越大，高压空气爆破的效果越好。李守国研制出了高压空气爆破煤层的成套技术，并且实现了远程控制与监控，在现场工业性试验中取得了良好的效果，但因为设备所占空间较大，在井下的运用受到限制。高坤通过对海州煤矿和艾友煤矿的煤样进行抗压和高压空气爆破试验，通过得出的一些物理参数测试了高压空气冲击煤样前后渗透率的变化规律，得出了渗透率增量与气爆压力呈现幂函数的关系。文献基于能量和弹性理论，通过对高压空气爆破后闭合长度的计算分析，得出了高压空气爆破的闭合区域位置在距离爆破孔3.8 m，现场试验和理论分析基本一致，为高压空气爆破孔和抽采孔的优化设计提供了理论基础。

高压空气爆破是一项比较新的技术，目前大多数研究仅限地面试验性研究阶段，煤矿井下状况与地面不同，投入到井下不仅要适合生产情况，同时还要考虑存在的安全隐患。

2.4 电脉冲冲击波增透技术

电脉冲冲击波原先是基于核爆炸冲击波原理而开发的一项技术，其工作原理是对煤层气井实施强大的功率放电，通过产生冲击波对煤层进行致裂增透，冲击波可以通过破裂、撕裂、声波扰动等方式增加煤体的透气性。重复加载可使得煤层产生疲劳效应最终使其裂隙不断扩展和贯通。一般先在钻孔内注入清水，对煤层进行高电压脉冲放电，通过液电效应将能量转化为冲击波能量。电脉冲冲击波技术不仅可以增加煤层渗透性，还可以解决钻孔堵孔问题。冲击波技术对煤层无污染伤害，而且重复利用度高，受到了广泛的关注。

目前对于电脉冲冲击波技术主要围绕在增透原理和装备的研发上，中国工程物理研究院研究了金属丝在水中放电的特性，试验研究表明金属丝在水中放电过程中电磁能转化为冲击波的效率为15%；张永民和邱爱慈院士成功研发出了基于电脉冲可控冲击波井下作业设备，并形成了完整的作业工艺流程，在地面和井下顺层孔增透试验中获得了成功，针对松软煤层，在钻孔内通过使用筛管支护的方法解决了垮孔对冲击波增透设备的限制；李恒乐等在实验室对煤样进行了重复冲击波试验，研究了冲击波冲击对煤样孔隙度的影响，结果表明随着冲击波冲击次数的增加，孔隙度增加幅度高达74%，从微观的角度诠释了电脉冲冲击对煤的影响，并在此基础上研发了高聚能重复强脉冲冲击波技术。相关研究表明，冲击波在水中的传播主要是径向传播为主，同时向爆轰产物发出反射波，冲击波能量还存在被水反射或者吸收的现象。

电脉冲冲击波增透技术在前期的工程探索中已经证明了其对煤层增透的可行性，但是该技术在今后的进一步研发和推广中需要坚实的理论基础做铺垫，目前来讲，缺乏可以直接利用的理论，如电脉冲冲击波在煤层中衰减的影响因素，煤层工程地质因素对电脉冲冲击波致裂增渗效果的影响等。与此同时，一旦设备发生故障，冲击波对人体的伤害很大，如何解决存在的安全问题也是目前所要解决的问题之一。

3 低透气性煤层增渗技术的发展方向

经过科技工作者的不断努力，各种新的煤层增渗新技术将会不断涌现，对于这些技术的主要发展方向可以归结于3个方面：

(1)各项增渗技术形成一个完善的基础理论体系。对于水力化措施来讲，今后的研究方向不仅需要考察其增渗效果，更要注重其安全性、可操作性的研究，如水力压裂弱化顶板，高压水射流冲孔造成的煤与瓦斯突出等问题需要进一步地探讨；二氧化碳爆破、高压空气爆破及电脉冲冲击波等技术缺乏系统的理论支撑，工程地质因素对这些技术的影响未进行深入的研究。

(2)对于这些增渗技术装备的研发将会朝着可靠性、安全性、方便性发展。远程监控、智能化、无人化和这些技术相结合，营造出一个更加安全的井下作业环境。

(3)目前大部分技术都是依靠其在煤矿的经验，缺乏一个系统的作业规程，在今后的发展中，通过多种技术指标体系，完善煤层增渗技术作业规程，同时配备技术专业化的队伍，优化现场工作参数，避免盲目的作业方式。