多分层煤层煤层气增产技术优选分析

王伟东 李 滨 王 理

（1.沈阳焦煤股份有限公司 红阳三矿，辽宁 沈阳 110100；2.沈阳焦煤股份有限公司 红阳二矿，辽宁 沈阳 110100；3.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044）

煤层气存储于煤层中，是煤矿开采的附属产物，我国已探明的煤层气储量36.81万亿m³，居世界第三[1]。煤层气作为燃气，具有高热值、燃烧产物清洁等特点；作为瓦斯，严重威胁和制约煤矿的安全高效生产，导致了大量人员伤亡及财产损失。为了发展绿色新能源，促进绿色节能产业链发展，加大绿色经济比，有效预防煤矿瓦斯事故，需要对煤层气进行抽采。但红阳二矿煤层气的抽采受到煤矿复杂的地质条件以及现有施工条件的限制，抽采效果较差，需要对煤层进行增透以提高产量。红阳二矿现主采煤层为多分层煤层，煤层地质条件复杂，在煤层气抽采及增产措施的使用上存在一定的盲目性。为了提高煤层气抽采效果，提高煤层气抽采效率，急需优选出一套适用于红阳二矿的煤层气增产技术。本文通过对红阳二矿使用过的煤层气增产技术特点及应用效果进行对比分析，优选出增产技术措施，对类似矿井具有一定的参考价值。

1 常用煤层气增产技术介绍

1.1 顺层钻孔预抽技术

顺层钻孔预抽煤层气技术是在煤巷掘进期间或者工作面回采之前，向掘进工作面或者回采工作面前方施工大量足够控制范围和距离的顺层抽采钻孔的技术。抽采钻孔为扇形布置，增加了煤层透气性和煤层气涌出通道，能够在短时间内抽出大量煤层气[2]。

1.2 穿层密集钻孔预抽技术

穿层密集钻孔预抽技术是在煤巷掘进前，从底板岩巷中向煤层施工高密度穿层抽采钻孔，进行强化煤层气抽采的一种措施。大量抽采孔能增加煤层透气性和煤层气的涌出通道，该技术可用于大面积预抽采煤层气，也可达到局部预防突出的效果[3-4]。

1.3 水力冲孔技术

水力冲孔技术是在底板岩巷施工穿层钻孔，后用高压水射流冲击钻孔周围的煤体，在煤体内形成孔洞的技术。该技术使孔洞附近煤体卸压，同时释放大量煤层气，大幅度增加孔洞周围煤体的透气性，有效地提高了抽放效果，起到综合防突的作用。

1.4 水力割缝技术

水力割缝技术的做法是将高压水射流喷嘴输送到煤层，在喷射高压水射流的同时移动喷嘴，使高压水射流线性运动，最后组合成面，在煤层中形成一层水射流切割面，从而增大煤层暴露面积，增加煤层气流通通道。

1.5 水力压裂技术

水力压裂增透技术是从岩巷向煤层施工穿层压裂钻孔，然后通过压裂钻孔向待压裂煤层内注入大量压裂液，使煤层中产生大量不规则的裂隙，增大煤体内部暴露面积，同时也能对煤层卸压，最终达到增加煤层透气性目的的一种技术。

1.6 增产技术对比

表1 煤层气常用增产技术优缺点[2-5]

2 红阳二矿煤层气增产技术应用介绍

2.1 红阳二矿及西部采区简介

沈阳焦煤股份有限公司红阳二矿设计生产能力150万t/a。西二下部采区、西三下部采区的主采煤层为12煤和13煤，均为复合煤层。其中12煤平均厚4m，13煤平均厚度2.9m，煤层倾角平均5°。实测该区域瓦斯压力最大为7.6 MPa，瓦斯含量最高为13.5m3/t。

2.2 煤层气增产技术措施

针对红阳二矿的多分层复合煤层的特点，先后采用了穿层钻孔、穿层密集钻孔、水力冲孔、水力压裂四种煤层气增产技术措施。

顺层钻孔技术是红阳二矿最先使用的煤层气增产技术，主要应用在掘进期间和工作面的区域煤层气增产。典型应用是西三采区1201工作面前掘期间顺层预抽和回采前顺层预抽，如图1所示。

图1 1201工作面煤巷前掘期间顺层钻孔竣工平面示意图

穿层密集钻孔技术在红阳二矿的典型应用地点是西二区1205运顺瓦斯巷，穿层钻孔布置方式为“5*5”布置方式，即：每5m施工一组穿层钻孔，单组相邻钻孔孔底间距5m，如图2所示。

图2 1205运顺穿层钻孔竣工平面示意图

水力冲孔技术最先应用于西三下部采区1203运顺，设计标准为每隔5m分别布置一组密集钻孔或水力冲孔钻孔，密集钻孔和水力冲孔钻孔交叉布置，设计密集钻孔孔底间距为5m，水力冲孔钻孔孔底间距为10m，如图3所示。水力冲孔钻孔冲孔完成之后也进行封孔接抽，一并连入抽采系统。

图3 1203运顺水力冲孔及抽采钻孔竣工平面示意图

水力压裂技术应用于西三下部采区1204中顺煤层气巷，每隔50m布置一个水力压裂孔，每隔5m布置一组密集钻孔，设计密集钻孔孔底间距为5m，如图4所示。

图4 1204中顺水力压裂及抽采钻孔竣工平面示意图

2.3 煤层气增产效果对比分析

通过对多个地点施工前后煤层气含量及压力进行总结，初步获得了增产措施的应用效果，如表2所示。在施工之前，煤层气含量及压力基本相同，顺层钻孔预抽技术施工地点煤层气含量及压力相对稍低，主要因为在煤巷掘进期间产生了卸压，释放出了部分煤层气。

表2 不同增产措施效果对比

为了进一步直观分析数据，将施工前后的煤层气含量及压力求出均值，相减得出抽采出的煤层气量和煤层气压力降幅，并作出效果对比图，即图5和图6。

图5 煤层气抽采率效果对比图

图6 煤层气抽采后压力降幅对比图

从图5可看出在实施不同种增产措施后，煤层气抽采效果最好的为水力压裂技术，抽采率可达68.8 %，其次是水力冲孔技术（53.5 %）、穿层密集钻孔技术（52.6 %）、顺层钻孔技术（43.7 %）。主要是因为水力压裂技术在压裂期间的高压水能够撑开煤层，形成大量水力裂缝，并连通天然裂缝，增加天然裂缝开度，大范围增加煤层透气性，同时促进煤层气解析，最终达到高效抽采煤层气的目的。而其他增产措施，增透范围有效，增透效果较差，导致抽采效果并不理想。

从图6中得出抽采后煤层气压力衰减率最大也为水力压裂施工区域（95.7%），其次是水力冲孔技术（94.9 %）、穿层密集钻孔技术（95.1 %）、顺层钻孔技术（90.6 %）。因为不同增产技术施工后对煤层产生了卸压，特别是抽采孔的局部卸压能够使周围的煤层气压力大幅降低，所以施工抽采后煤层气压力基本相同。由于顺层钻孔技术施工前煤层气压力较低，故其压力衰减率相对较小。

综上所述，可以对红阳二矿采用过的煤层气增产技术进行性能排序，最优为水力压裂技术，其次是水力冲孔技术、穿层密集钻孔技术、顺层钻孔技术。

3 多分层煤层气增产技术总结

红阳二矿积极采用先进的煤层气增产措施，并对不同增产措施在红阳二矿的应用效果进行总结分析，确定了现阶段最优的增产技术措施为水力压裂技术。即先对待抽采区域进行水力压裂，然后在水力压裂范围内布置多组密集钻孔，最大限度地增加煤层透气性，提升煤层气抽采量。