低透气煤层高压气水混压增透驱替瓦斯技术研究

朱传杰 刘思远 伍厚荣 刘 厅 殷绍林成艳英 李连云 王小兵 刘 谦

(1. 中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.四川省煤炭产业集团有限责任公司，四川省成都市，610091；3.四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿, 四川省华蓥市，638601；4.龙岩学院资源工程学院，福建省龙岩市，364012)

煤层瓦斯(或称之为煤层气)的主要成分是甲烷(CH4)，在过去的几十年间是煤矿重特大灾害事故的主要源头。随着全球气候变暖加剧，CH4也被认为是主要的温室气体，其温室效应是二氧化碳(CO2)的28～34倍[1]，其中煤炭开采是CH4释放到大气中的主要途径之一。当然，CH4也被认为是一种高效的清洁能源[2]，与其他化学能源相比，其燃烧主要产生CO2和水分，其他污染物极少。

通过地面井或井下钻孔进行抽采，被认为是减少CH4排放和提高其利用率的最主要途径[3-5]，但煤层的低透气性导致瓦斯抽采率低，已经成为制约瓦斯高效抽采的瓶颈问题。为此，国内外对煤层瓦斯的强化抽采技术(Enhancement of Coalbed Methane Recovery，ECBM)进行了大量的研究。其中，国内普遍采用的技术措施主要分为高压水力压裂(或驱替)[6-7]、水分割缝(或冲孔)[8-13]、煤层预裂爆破(炸药爆破、CO2相变爆破、高压电脉冲致裂等)[14-18]三大类。这些技术的共同点是通过在煤层内产生人工裂隙，增加瓦斯运移通道，改善煤层的渗透率，从而提高瓦斯抽采率。但每个技术又有一定的区别和各自的适用条件。

煤层预裂爆破措施主要适用于硬度较大的煤层(例如无烟煤)，在软煤中难以形成裂隙，起不到增透的目的；相对而言，水分割缝(或冲孔)技术的适用范围更广一些，水力冲孔主要用于松软且具有自喷特征的煤层，为防止高强度的喷孔，通常采用较低的压力，水力割缝适用于硬度稍大的煤层，对于硬度很高的煤层，近年来又发展出超高压水力割缝技术；高压水力压裂(或驱替)技术可以适用于各种煤层，其注水有效影响半径大，可以大大节省技术成本，但问题是“水锁”效应目前还没有得到有效解决[19]。

CH4主要吸附在煤的纳米级孔隙中(具有高吸附性的特征)，以上技术从原理上来讲主要是改善煤层的透气性，难以促进纳米级孔隙中瓦斯的解吸，并不能彻底解决煤层瓦斯抽采率低的问题。国外目前采用较多的主要是CO2驱替(CO2-ECBM)技术，其原理是利用CO2吸附能力高于CH4的特点，置换驱替煤层中的CH4[20-21]。该技术以美国应用最为成功，该技术主要用于变质程度不高、开采价值低的低阶煤或其他原因不开采的煤层。但该技术在我国很难推广，主要是CO2注入煤层后，在突出煤层中会诱发突出事故，且后期回采过程中，易造成回风流中CO2超限。

在此背景下，笔者提出了低透气煤层高压气水混压增透驱替瓦斯技术，即通过向煤层中注入高压水使其预裂，同时置换驱替纳米级孔隙中的CH4，然后注入高压空气接触“水锁”效应，并驱动多相介质运移。

1 高压气水混压增透驱替瓦斯技术原理

煤孔隙对水的吸附能力要远高于瓦斯，水分的加入会抑制瓦斯的吸附，或者说，向煤体中注入水分，可以通过竞争吸附置换出部分瓦斯，这一点已经被很多研究者通过试验或分子模拟结果证实。例如，Krooss等人通过试验对比了水分对3种不同变质程度煤吸附瓦斯能力的影响，水分的加入确实大大降低了煤孔隙吸附瓦斯的能力[22]。以此为基础，高压气水混压增透驱替瓦斯的技术原理如图1所示。

首先，向煤层内注入高压水，当水的压力高于煤体的破裂压力时，会在煤体内部压裂形成新的人工裂隙，一方面可以加快煤体的润湿过程，另一方面可以为后期瓦斯运移提供通道。

其次，随着高压水在煤体内部的迅速扩散，不断润湿煤体，水分子进入煤体纳米级孔隙，由于水的吸附能力要高于瓦斯，因此，水分子通过竞争吸附置换出很大一部分瓦斯分子，这些置换出的瓦斯和水分在孔裂隙内形成瓦斯-水两相介质。

最后，向煤层中注入高压空气，瓦斯-水两相介质及原来煤体孔裂隙中的部分杂质，在高压空气的推动下在煤体孔隙和裂隙中运移，高压空气在此过程中起到了高压推动作用，一方面提高了混相介质的运移效率，另一方面间接起到解堵效果。

图1 低透气煤层高压气水混压增透驱替瓦斯技术原理

2 高压气水混压增透驱替瓦斯技术装备及工艺

2.1 装备组成

根据矿井水力压裂试验结果，试验区域煤层破裂压力18 MPa；故312北瓦斯抽放巷水力压裂设备选择使用额定压力30 MPa，额定流量315 L/min，压力可在0～30 MPa间任意调节的乳化泵。空气压裂选择高压增压压缩机，气量2.0 m3/min，压力可在0～42 MPa间任意调节，功率55 kW。除乳化泵、增压机外，水力压裂混压系统由压力表、卸压阀、单向阀、高压胶管及相关装置连接接头等组成，具体如图2所示。

图2 高压气水混压装备系统

2.2 气水混压工艺流程

从以上原理出发，设计了高压气水混压增透驱替瓦斯技术的工艺流程，主要工艺过程如图3所示，主要步骤如下：

(1)首先在煤层内施工瓦斯抽采钻孔，并进行联网抽采，该步骤也可以放在最后，即首先进行高压气水混压，再施工瓦斯抽采钻孔；

(2)在普通抽采钻孔之间选取合适的区域施工高压注入钻孔，并进行抗高压密封；

(3)密封完毕后，向高压注入钻孔内注入高压水进行水力压裂，升压过程需要逐步加压，并检查升压过程中管路、接头及钻孔是否漏水；

(4)开启空气压缩机和高压增压机，向先前的高压水注入钻孔压入高压气体，观察增压机出气端输出压力逐步升压达到预定值(一般在10～20 MPa之间)，实现煤体孔裂隙中的水分、瓦斯和杂质的驱替；

(5)停止注气，降压排采瓦斯。

图3 低透气性煤层高压气水混压压裂驱替瓦斯工艺流程

3 现场试验及效果

3.1 试验地点基本情况

试验地点选取川煤集团绿水洞煤矿K1煤层，煤厚1.30～2.79 m，一般厚2.52 m。采区构造为一单斜构造，煤层倾角比较稳定，变化不大，总体为南较北陡，下较上陡。

该煤层具有煤与瓦斯突出危险性，煤层原始瓦斯含量10.6 m3/t、瓦斯压力为0.4～3.0 MPa，煤的瓦斯放散初速度△P为7～15、坚固性系数f为0.19～0.36。煤层透气性系数λ为0.010261～0.022090 m2/(MPa2·d)，均值为0.0161755 m2/(MPa2·d)，属于单一较难抽放煤层。

以往矿井掘进条带采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯方法作为区域防突措施，预抽效果差，不仅延长了煤层预抽时间，煤层达不到消突的目的，还直接造成矿井采掘接替紧张，甚至在巷道掘进过程中，时常造成瓦斯浓度超限，给瓦斯管理带来较大的困难。矿井还先后尝试各种传统强化瓦斯抽采措施，都没有达到效果。为此，在该矿312瓦斯抽放巷(底抽巷)进行穿层高压气水混压增透驱替瓦斯试验，试验地点及钻孔布置如图4所示。

3.2 煤层残余瓦斯含量

在煤层内注入高压水进行压裂，并注气驱替后，在多个点取样测试了煤层的残余瓦斯含量，残余瓦斯含量的测试采用直接法(《煤层瓦斯含量井下直接测定方法(GB/T23250-2009)》)。在图4(a)所示的8号和9号钻孔之间、12号和13号钻孔之间及13号和14号钻孔之间均匀布孔取样。另外，在试验区域重新测定了煤层的原始瓦斯含量为9.03 m3/t。取样点相对比较集中的原因是避免因为瓦斯赋存差异造成的误差，测试获得的残余瓦斯含量如图5所示。

从图5可以看出，大部分区域的残余瓦斯含量降低到了原始瓦斯含量(9.03 m3/t)以下，也都低于7 m3/t，除了一个测点的瓦斯含量为10.51 m3/t(该测点位于12号和13号钻孔中间)。推测可能是瓦斯在高压气水的推动下，集中运移到该位置，使该处的瓦斯含量升高，而在后期降压排采的过程中，抽采影响半径未到达该区域，使其残余瓦斯含量较高。其他几个钻孔测试获得的瓦斯含量都较低，最低的甚至降至1.75 m3/t。煤层瓦斯含量总体降幅在25.14%～80.62%(未考察瓦斯含量升高的异常点)，平均降幅53.17%，这是以往其他单一预抽技术措施都很难达到的效果。

图4 高压气水混压施工地点及钻孔剖面示意图

3.3 瓦斯抽采流量和浓度

(1)年度抽采流量对比。采取高压气水混压措施后，2018年1-12月瓦斯抽采流量和浓度变化情况如图6所示。312瓦斯抽放巷实施高压气水混压措施后，瓦斯抽放浓度一直稳定在45%以上，最高62%；瓦斯抽放量最高4.9 m3/min，并稳定不衰减。

(2)单孔流量对比。2017年10月和12月采取措施前后平均单孔瓦斯抽采纯量对比如图7所示。2017年10月，在对312瓦斯抽放巷施工的压裂孔压裂前，通过膜式煤气表和高浓度瓦检器实测，平均单孔抽放量测试为2.43 L/min，平均抽采浓度为31.3%。采取高压气水混压后，2017年12月份测试获得平均单孔抽放量为13.53 L/min，平均抽采浓度为49.7%。2018年4-6月再次通过膜式煤气表和高浓度瓦检器进行检测，如图8所示，发现平均单孔抽放量测试为6.45 L/min，抽放浓度为47.6%，比312瓦斯抽放巷高压气水混压前的单孔瓦斯抽采纯量增加了2.65倍，抽放浓度增加了16.3%。

图6 瓦斯抽采流量和浓度演化情况

图7 采取措施前后平均单孔抽采纯量对比(2017年)

图8 2018年4-6月平均单孔抽采纯量变化趋势

(3)矿井瓦斯抽采总流量。矿井通过实施气水混压增透技术后，单孔抽放流量、浓度均得到提升，目前矿井抽采纯量达到10.03 m3/min；抽放浓度达到35%以上，最高达到41%，较2017年同期相比，抽采浓度增长了32.4%，2018年矿井瓦斯抽采总量较2017年同期增长了50.2%。矿井瓦斯抽采浓度的提升，还可以为高浓度瓦斯的利用提供潜在基础。

4 结论

(1)提出了高压气水混压增透驱替瓦斯技术的技术原理，即高压水的注入起到了破裂煤体的作用，为水分和瓦斯运移提供通道，水分子润湿煤体进入煤的孔隙内通过竞争吸附置换瓦斯，最后注入高压空气可以提高混相介质的运移效率，并起到煤体孔裂隙解堵的作用。

(2)研发了高压气水混压增透驱替瓦斯技术配套工艺及装备，主要装备包括乳化液泵、空压机、高压增压机、压力表、卸压阀、单向阀、高压胶管及相关装置连接接头等，主要技术工艺包括6个核心步骤。

(3)在四川绿水洞煤矿进行了现场试验，平均单孔瓦斯抽采纯量从2.43 L/min提高到6.45 L/min，增加了2.65倍，平均抽采浓度从31.3%提高到47.6%，增加了16.3%。煤层瓦斯含量总体降幅在25.14%～80.62%，平均降幅53.17%，取得了显著的效果。

目前虽然已初步探索出了高压气水混压增透驱替瓦斯技术工艺和装备，并在现场实施取得了较好的初步效果，但是由于该技术是国内外所做的首次尝试，很多基础理论、设备工艺参数以及试验设计等问题今后还需要深入研究。