低浓度抽采钻孔压缩空气循环脉冲疏堵增透技术研究

吕有厂，孙矩正，代志旭，张益民，魏风清 ，高吾斌

(1.平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467000；2.焦作市美格安矿业科技有限公司，河南 焦作 454002；3.河南理工大学，河南 焦作 454002)

瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯事故的根本性技术措施，也是实现煤与瓦斯共采、煤层气利用、提高资源回收率、减少大气污染、煤矿绿色开采的时代要求。我国煤与瓦斯突出防治法规规定，对于不具备保护层开采条件的突出煤层，必须实施煤层瓦斯区域预抽措施，依靠区域预抽措施彻底消除煤与瓦斯突出危险性[1-4]。国内外学者为提高瓦斯抽采效率提出诸多增透措施，张宏杰[5]、丰安祥[6]、张建国[7]等人研究了高压水力压裂增透技术；汪有刚[8]、武志高[9]、王文林[10]等人研究了液态 CO2致裂增透技术；张开加[11]研究了水力冲孔与CO2爆破联合增透技术；汪开旺[12]、李守国[13]等人研究了高压空气爆破增透技术。每种方法都有一定的适用条件，存在一定的优缺点。采用上述技术对钻孔进行疏堵增透后，封堵钻孔并连入管网中进行瓦斯抽采。但对于抽采过程中的钻孔，因钻孔已经封堵，受抽采管强度限制，不适合采用高压流体或爆破技术进行疏堵增透。从瓦斯抽采现场实践看，抽采钻孔抽采一段时间后，钻孔瓦斯浓度衰减的原因主要有：钻孔封孔质量差、瓦斯源自然衰减、瓦斯流动通道封闭等[14]。针对煤层裂隙被煤粉、积水堵塞，抽采管被煤粉填满，瓦斯流动通道封闭造成瓦斯浓度低的问题，利用井下方便使用的压缩空气，通过研究压缩空气循环脉冲疏堵增透机理，研制基于压缩空气循环脉冲作用的自动疏堵增透装置，并进行现场工业试验，以期增加低浓度抽采钻孔的瓦斯抽采效果。

1 压缩空气循环脉冲疏堵增透机理

通过抽采钻孔的抽采管，向抽采钻孔及其周围煤体内充入压缩空气，孔内压力逐渐升高，当压力达到设定数值时，孔口泄压阀门自动打开，钻孔内的压缩空气瞬间喷出，压力降低，泄压阀门关闭，重新开始充气。完成了“孔内充气增压→达到设定值→瞬间自动排气泄压再充气”的工作循环，重复这一过程，称为压缩空气循环脉冲作用。本文从两方面分析压缩空气循环脉冲作用的疏堵增透机理。

1.1 气体吸附解吸的微观破坏作用

瓦斯在煤体中的存在形式主要有三种：瓦斯分子进入煤基质块内部或者煤分子中，以固体瓦斯煤溶液的形式存在；瓦斯气体吸附在孔隙、裂隙的表面上，以吸附态的形式存在；瓦斯气体填充到孔隙、裂隙中，以自由态的形式存在。在一定的地应力和瓦斯压力条件下，瓦斯的这3种赋存状态保持平衡。现代研究成果已经证明，固体瓦斯煤溶液是瓦斯赋存的主要形式，吸附过程是瓦斯分子进入煤基质块内部或者煤分子中的过程，而解吸过程则是瓦斯分子离开煤基质块的过程。瓦斯在煤结构中的吸附和解吸过程分别伴随着煤体的膨胀和收缩现象。当煤体解析瓦斯分子时，发生收缩现象；相反，吸附瓦斯分子，体积增大。抽采钻孔受到压缩空气的循环脉冲作用时，周围煤体压力发生变化，瓦斯分子反复产生吸附-解吸作用，俄罗斯学者Хаутиев Адам Магомет-Баширович研究认为在瓦斯压力变化情况下，煤体膨胀或收缩过程中产生的各向应力可根据近似公式(1)计算[15]。当煤体收缩过程中产生各向应力大于煤体抗拉强度后，煤体就产生微裂隙，增大了透气性。

式中，δcp为压力变化前后煤体产生各向变形的平均应力，Pa；χ为小于1的修正系数，由实验室实验确定；E0为煤层弹性模量，Pa；μ为瓦斯的动力粘度系数；a为朗格缪尔方程中的最大吸附容积，kg/m3；b为朗格缪尔系数，Pa-1；Ppl和P分别为压力变化前后绝对压力值，Pa；ρc为煤的容重，kg/m3；μCH4和μc分别为甲烷和煤的分子质量，kg/mol。

压缩空气循环脉冲动力作用不同于常规定压压裂技术，在压缩空气的脉冲动力作用下，煤体和堵塞物承受周期性变化应力，更容易发生疲劳破坏，有利于裂隙的延伸和扩展，可以在相对较小的压力下实现大范围增透[16]。

1.2 气体膨胀的破壁冲刷作用

抽采钻孔充入压缩空气后，抽采钻孔、周围煤体以及抽采管组成一个高压密闭腔体，当腔体突然卸压时，压缩空气膨胀做功，抽采管内和筛孔部位堵塞的煤渣，发生层裂破坏、松动，被气流携带冲出钻孔，钻孔周围煤体裂隙间的煤粉和积水也被带出钻孔，瓦斯渗流通道得以清理。

2 疏堵增透装置工作过程与关键参数选择

2.1 疏堵增透装置工作过程

基于压缩空气循环脉冲疏堵增透的机理，研制了抽采钻孔自动疏堵增透装置(以下简称装置)，主要由主机、金属软管、专用快速接头等零部件组成，主机由增压泵、自动卸压阀门、控制阀门、压力表、箱体等组成。专用快速接头紧固在抽采钻孔的抽采管上，通过金属软管与主机相连。装置各部件连接如图1所示。

1—孔壁；2—封孔材料；3—专用快速接头；4、6—扳把式快速接头；5—金属软管；7—主机；8—增压泵图1 抽采钻孔自动疏堵增透装置结构

装置利用井下压缩空气作为动力，通过进气管将井下压缩空气引至装置主机控制面板上的总气源开关，然后打开压风增压开关，装置开始运行；当孔内压力达到设定压力值后，装置中的自动泄压阀门打开，钻孔中的气体压力突然降低，钻孔堵塞物及钻孔周围煤体遭受拉伸撕裂破坏，粉碎的堵塞物随着压缩空气一起冲出钻孔，通过排气口排出。随着钻孔中气体压力的降低，自动泄压阀门关闭，钻孔又处于充气增压状态中，上述的增压—泄压过程自动循环进行。

2.2 关键参数选择

抽采钻孔压缩空气循环脉冲作用过程中，煤体收缩产生的拉应力对煤体微裂隙发育具有重要作用，拉应力只有超过煤体抗拉强度后，才能起到促进煤体微裂隙发育发展、提高煤层透气性的作用。根据煤体膨胀收缩的宏观破坏作用分析，吸附解吸的气体压力差是产生应力的主要决定因素。

2.2.1 基础参数

根据平煤股份十二矿己15煤层实验室测试及计算，取a=32.4kg/m3，b=0.815×10-6Pa-1，μCH4=16g/mol，μc=12g/mol，ρCH4=0.67kg/m3，ρc=1310kg/m3，μ=0.22，χ=0.60，E0=1.016×109Pa。己15煤层最大抗拉强度为0.82MPa。

2.2.2 初步选定压力值

由于抽采钻孔的抽采管一般为PVC材料或PE材料，其耐压为0.8MPa，为了不破坏抽采管，初步选定泄压阀打开的压力值为0.6MPa(泄压前绝对压力Ppl=0.7MPa)，泄压后孔内压力为0MPa，(泄压后绝对压力P=0.1MPa)。

2.2.3 校核计算

将上述数据代入式(1)，煤体在绝对压力由0.7MPa变为0.1MPa的情况下，煤体产生各向变形的平均应力δcp=-3.38MPa。在最大压力为0.6MPa压缩空气的循环脉冲作用下，最大可产生为3.38MPa的拉应力，因己15煤层的最大抗拉强度为0.82MPa，钻孔周围煤体受到了拉伸破坏作用，微裂隙得到发展发育。计算表明，选用0.6MPa作为抽采钻孔疏堵增透装置的最高压力是合适的。

3 现场试验

3.1 工程概况

为验证压缩空气循环脉冲疏堵增透机理和装置的应用效果，自2019年9月至12月，在平顶山天安煤业股份有限公司十二矿己15-31020中部低位瓦斯治理巷进行了现场工业试验，己15煤层倾角12°～23°，平均16°，煤厚3.2～4.5m，平均煤厚3.3m，己15-17煤层最大原始瓦斯含量17.81m3/t，最大原始瓦斯压力2.2MPa。该巷位于己15-31020工作面下部，距离煤层18m，采用底板穿层抽采钻孔抽采作为区域预抽措施，每组穿层预抽钻孔施工8个钻孔，组间隔4m，抽采钻孔布置如图2所示。试验时，该区域抽采管网中钻孔已经抽采90～302d，根据抽采瓦斯浓度检测结果，选定中部低位瓦斯治理巷开口向里130～420m范围内，28个低浓度抽采钻孔进行疏堵增透试验。

图2 抽采钻孔布置

3.2 疏堵前后钻孔深度变化

试验钻孔中，最大疏堵深度17m，最小疏堵深度0m，平均疏堵深度4.85m。当钻孔出现渗水时，疏堵效果较差，2个疏堵深度为0m的钻孔均出现渗水现象。个别钻孔封孔深度浅或抽采管孔径收缩变形，无法疏通。

3.3 增透前后钻孔瓦斯浓度变化

试验钻孔增透后，瓦斯浓度观测期为51～83d。以观测期内钻孔平均瓦斯浓度大于5%进行增透效果评判，23个抽采钻孔试验前瓦斯浓度小于5%，增透后观测期内平均瓦斯浓度大于5%的钻孔达到18个，增透有效率为78.3%。以观测期内钻孔平均瓦斯浓度大于试验前瓦斯浓度进行增透效果评判，26个抽采钻孔的平均瓦斯浓度大于5%，增透有效率为92.8%。增透后，钻孔最大瓦斯浓度可达75%。增透前后，抽采钻孔试验前瓦斯浓度和观测期内平均瓦斯浓度对比曲线如图3所示。

图3 钻孔试验前瓦斯浓度和观测期内平均瓦斯浓度对比曲线

代表性抽采钻孔补56-9疏堵增透前后瓦斯浓度随时间的变化曲线如图4所示。试验前，该孔已联网抽采101d，钻孔施工深度24m，疏堵前孔深7m，疏堵后孔深20m，疏堵前抽采浓度2.4%。疏堵增透后，检测83d，最高抽采浓度达20%，平均浓度12.5%，观测期内，疏堵前后瓦斯浓度最大变化倍数8.3，平均变化倍数5.2。

图4 补56-9钻孔疏堵前后瓦斯浓度随时间的变化曲线

3.4 疏堵增透前后钻孔瓦斯流量变化

采用孔板流量计对抽采钻孔疏堵增透前后的纯瓦斯流量进行了测定，代表性抽采钻孔补56-9疏堵增透前后，纯瓦斯流量随时间的变化曲线如图5所示。抽采钻孔纯瓦斯流量明显增大，纯流量最高达14.52L/min，平均纯流量6.76L/min，与疏堵前纯流量0.58L/min相比较，最大变化倍数24.18，平均变化倍数11.6。

图5 补56-9钻孔疏堵前后瓦斯纯流量随时间的变化曲线

4 结 语

试验结果表明，压缩空气循环脉冲疏堵增透技术在抽采钻孔内建立增压—泄压反复作用的空气动力场，可以清除钻孔瓦斯渗流通道和抽采管内瓦斯流动通道的堵塞物，疏通了瓦斯流通通道；压缩空气循环脉冲疏堵增透技术利用较低的压力在钻孔周围的煤体内部产生了大量微裂隙，增加了瓦斯渗流通道，有效提高了煤体透气性，实现了提高低浓度抽采钻孔瓦斯浓度和流量的目标。同时压缩空气循环脉冲疏堵增透装置还具有操作简单、安全可靠、成本较低等特点，为煤矿安全高效生产提供了支持，将产生显著的经济社会效益。