“三软”低透煤层高压注氮促抽瓦斯工程实践

张 一

(郑州煤炭工业(集团)有限责任公司，河南省郑州市，450000)

煤层透气性差是我国煤层瓦斯赋存的普遍特征[1]。据统计，我国大部分地区矿井为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，其中95%以上高瓦斯和突出矿井所开采的煤层为低透气性煤层。煤层低渗透性是当前制约我国瓦斯抽采的瓶颈问题[2]。目前突出煤层采用的强化瓦斯抽采增透技术措施主要有水力压裂[3]、高压水射流割缝[4]、水力冲孔[5]、煤体致裂爆破[6]等，对应于不同的煤层条件，上述技术措施均取得了一定的效果，但是每一种方法都有其局限性。郑州矿区是我国典型的“三软”煤层发育区，主采山西组二1煤，受滑动构造影响，地质构造复杂，煤层破坏严重，煤体松软、透气性差，煤层渗透率为0.003～0.008 md。针对郑州矿区“三软”煤层瓦斯地质特性，郑煤集团相继在煤矿井下展开水力冲孔、水力作业机钻孔修复再利用、水力压裂、水力割缝、深孔预裂爆破增透的试验与应用。结果表明，穿层钻孔水力冲孔增透卸压技术对于“三软”突出煤层瓦斯抽采和防治煤与瓦斯突出工作取得了较好的效果。随着矿区浅部资源不断枯竭，逐渐转向深部开采，原岩应力、瓦斯含量、地质复杂程度逐渐增大，煤层透气性更差，造成煤与瓦斯突出的危险程度更大，致使底板岩巷穿层钻孔水力冲孔卸压增透预抽煤层瓦斯区域防突措施遇到了困难和障碍。

近年来，受注气增产天然气技术的启发，向煤层中注气促抽煤层瓦斯逐渐被广大科技工作者关注。尤其是应用二氧化碳或氮气(N2)驱替煤层瓦斯技术已成为世界性的研究热点。国际上，相关现场试点已经在美国、澳大利亚和加拿大等国家开展[7-9]。在国内，不同学者对于二元气体的置换吸附现象[10-11]、驱替过程的渗透率变化规律[12-13]和地面、井下驱替的现场试验[14-16]也都开展了很多研究，研究结果表明向煤层中注入氮气可起到明显的促排/抽瓦斯效果。

通过归纳、分析前人井下注氮促抽瓦斯试验对比发现：注气气源均为压缩空气，N2浓度不超过80%；注气压力基本上在1 MPa、注气时间较短，最长不超过7 d。目前，随着注氮促抽瓦斯技术效果愈发显著，工程应用愈来愈多，技术宏观层面上呈现高纯度、高压力、长时间的趋势特性，大量的试验表现为注氮纯度>80%、注氮压力>1 MPa、注氮时长>7 d，但对该现象尚没有深入、细观的试验和研究，为此笔者对长时间高压注入高纯度氮气促抽/排瓦斯进行了试验研究，以期进一步完善注气技术理论，弥补该技术在广度和深度上的研究。

1 试验设备与研究方法

1.1 试验设备

高压注气系统由煤矿用螺杆式移动空气压缩机(MLG28.8/1.25-220G)、井下移动式制氮机(DM-600/10(L))、高压胶管、气体增压泵、高压储气罐等组成，如图1所示。

图1 高压注氮试验装置

1.2 研究方法

为避免采动影响，注气试验采用穿层孔注气，试验地点在赵家寨煤矿石门揭煤工作面穿层排放孔和底板岩巷穿层抽采孔进行，试验所用气体为高纯氮气(97%)。注气试验前，对试验孔定时监测瓦斯浓度和流量，测试气体组分，试验过程中间隔12 h测试一组上述参数。试验共分3组，第1组试验间歇注气对煤层瓦斯自然排放效果的影响，注气压力为1.5 MPa；第2组试验间歇注气对不同间距抽采孔的影响，注气压力为2.5～4 MPa；第3组试验连续注气对不同间距抽采孔的影响，注气压力为6 MPa，试验参数如表1所示，钻孔布置如图2和图3所示。

图2 石门揭煤工作面注氮促排瓦斯试验钻孔布置

图3 底板岩巷穿层钻孔注氮促抽瓦斯试验钻孔布置

表1 井下现场试验参数

2 试验结果

2018年1月-7月，通过试验监测，得到了不同注气压力、不同钻孔间距条件下注气前后的瓦斯流量随时间的变化曲线，如图4～图6所示。

图4 注气压力1.5 MPa时注气前后各测试孔流量变化规律(2018年)

图5 注气压力2.5～4 MPa时注气前后各测试孔抽采效果对比(2018年)

图6 注气压力6 MPa时注气前后各测试孔抽采效果对比(2018年)

2.1 注氮驱替瓦斯效果分析

从图4可以看出，注气实施后，产1-1、产1-2号钻孔混合气体流量有大幅度提高，分别由原来的0.093 L/min和0.047 L/min增加到2.03 L/min和0.423 L/min，增长幅度分别为21.8和9倍；其纯瓦斯流量分别由原来的0.074 L/min和0.026 L/min增加到0.311 L/min和0.16 L/min，分别增加了4.2和6.2倍。一旦停止注气，混合气体流量开始明显下降，但仍高于注气前自然排放流量。随着注-产钻孔间距的增大，产气孔混合流量增幅更缓慢，第1次停注(间歇性注气11 d)前，产1-1号钻孔增幅14.3倍，产1-2钻孔增幅3.8倍。产1-3号钻孔混合流量在注气前、后没有明显的变化，说明1.5 MPa的压力下，注气有效影响半径达不到3 m。通过多次测试的综合分析得出：在1.5 MPa压力下，试验煤层有效注气半径为2 m，注气后总瓦斯排放量较常规排放量提高3倍以上，促排瓦斯效果明显。

从图5可以看出，注气试验开始后(初始注气压力为2.5 MPa)，抽2-1、抽2-2号孔混合流量和瓦斯纯量均有显著提升，一旦停止注气，流量便开始下降；第4次注气(2018年8月25日到9月4日，注气压力由2.5 MPa上调到4 MPa)期间，随着注气压力逐渐增大，混合流量呈现出正比例增大的趋势，说明混合流量的增长幅度与注气压力呈正比关系。

从图6可以看出，注气实施后，抽3-1、抽3-2和抽3-3号孔混合流量和瓦斯纯量迅速增大，2018年9月28日混合流量和瓦斯纯量下降后趋于稳定，至10月16日无明显变化，抽3-4号钻孔因封孔注浆过程中堵死未观测到气体流量。对比分析图5和图6可得，长时边注边抽的注抽效果好于间歇注抽效果。通过多次测试的综合分析得出：在6 MPa压力下，试验煤层有效注气半径为6 m，注气后瓦斯抽采纯量提高6倍以上，促抽瓦斯效果显著。

2.2 注气前后煤层瓦斯含量及瓦斯组分变化

注气前分别利用抽2-1、抽3-2号钻孔取样，注气35 d后，用同样的方法在距注气孔同样的距离处取样，进行煤样现场解吸、实验室抽真空残存量对比测定。结果表明：注气后煤层瓦斯含量分别由7.56 cm3/g和8.52 cm3/g下降到5.06 cm3/g和6.38 cm3/g，降低幅度分别为33.07%和25.38%，其中注气后煤样解吸24 h后的残存瓦斯含量分别降低了17.3%和16.1%，注气前后煤层瓦斯含量及瓦斯组分测试结果见表2。从表2可以看出，注气后瓦斯不再是CH4占绝大比例，CH4成分分别由93.74%和97.12%下降到82.64%和79.06%，相应的N2成分有大幅度上升，分别由原来的1.25%和0.94%增加到7.28%和12.38%，这就从宏观上证明了N2对CH4的置换作用。

表2 注气前后煤层瓦斯含量及瓦斯组分测试结果

3 注氮驱替瓦斯分析

3.1 注氮驱替瓦斯机理

根据文献2，在煤层连通的裂隙网络中，N2和CH4都表现为线性渗流作用，且以层流运动为主，符合达西(Darcy)定律，即：

(1)

式中：q——气体总的渗流速度，m/s；

k——煤体的渗透率，m2；

μ——气体组分的动力粘性系数，N·S·m2；

p——总压力，MPa；

▽——Hamilton算子，表示取其后面量的梯度。

当游离瓦斯在煤体中流动时，在瓦斯压力梯度(压力差)的驱使下向瓦斯压力较低的暴露面(煤壁或钻孔壁)流动，随着抽采过程的进行，压力梯度逐渐减小。当瓦斯压力梯度所提供的动力不足以克服瓦斯流动阻力时，煤层裂隙中的游离瓦斯就处于“停滞”状态。高压氮气通过钻孔被强制注入煤体后，增强了煤层内本身流体(瓦斯+氮气)的压力，从而减小了煤层所受的有效应力，增加了注气端和析气端的压力梯度，即提供了渗流所需的能量，使滞留在裂隙中的瓦斯重新获得了流动动力，如图7所示。因此，氮气在煤层裂隙中对游离瓦斯实际上起到了“驱赶”的作用，增加了其流动的动力，使CH4被N2携带和运载出来。

3.2 注-抽钻孔布置分析

目前郑煤集团骨干突出矿井主要采用穿层钻孔水力割缝增透卸压技术作为区域瓦斯治理措施，钻孔间距按6 m×6 m布置，平均抽采周期180 d。综合上述底板岩巷穿层条带孔注氮促抽瓦斯试验结果可知，在6 MPa压力下，有效注气半径为6 m，即抽采钻孔间距可按12 m×12 m布置，中间布置一排注气钻孔，瓦斯抽采期76 d。从本次试验统计可以得出，同样消突范围内采用注氮驱替措施钻孔工程量较采取水力割缝增透措施钻孔工程量减少30%。

图7 注氮驱替促抽瓦斯流动动力原理

3.3 经济分析

以走向长度200 m、倾斜宽度65 m的煤巷条带为例，采取穿层钻孔水力割缝增透措施，按照钻孔间距6 m×6 m布置，需要施工408个钻孔，采取注氮驱替措施，按照钻孔间距12 m×12 m布置，需要施工276个钻孔，钻孔平均孔深45 m。2种措施执行过程中产生的费用情况如图8所示。

从图8可以看出，同样区域采取注氮驱替措施治理瓦斯所需费用较采取水力割缝措施治理瓦斯所需费用减少30%。

图8 2种措施产生的费用情况对比

4 结论

(1)煤层井下注氮驱替瓦斯试验表明，在注气压力为1.5 MPa时，注气影响半径不超过2 m。煤层注氮气后，影响范围内的排放瓦斯孔混合流量增加了9～21.8倍，纯瓦斯流量增加了4.2～6.2倍，促排瓦斯效果明显。

(2)井下穿层钻孔注气+抽采工艺措施的现场考察结果表明，抽采孔混合流量的增长幅度与注气压力呈正比关系，长时边注边抽的注抽效果好于间歇注抽效果，在6 MPa压力下，注气有效半径为6 m。注气35 d后煤层瓦斯含量降低了25.38%，煤中解吸的气体组分中，CH4浓度由97.12%下降到79.06%，N2浓度由0.94%增加到12.38%，从宏观上证明了N2对煤中CH4的置换作用。

(3)在注气压力6 MPa，注气有效半径6 m条件下，同样消突范围内采用注氮驱替措施钻孔工程量较采取水力割缝增透措施钻孔工程量减少30%，瓦斯治理费用减少30%，预抽瓦斯达标时间缩短57%。