高瓦斯低透气性煤层增透技术发展现状及前景展望

张晓刚，姜文忠，都 锋

（1.煤炭科学研究总院，北京100013；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

我国现阶段开采的煤层以低透气性煤层为主，具有构造复杂、透气性差、高瓦斯含量、且多为煤与瓦斯突出煤层等特点，低透气煤层的瓦斯治理作为亟待解决的难题一直困扰着煤矿企业。通过国内外科研机构的多年攻关，试验研究了多种对煤体进行增透强化抽采本煤层瓦斯的方法，已形成配套工艺技术及装备，虽然增透技术难度较大及受条件所限，还处于试验阶段，尚未广泛推广，但在煤矿瓦斯治理过程中也发挥了重要作用。

1 煤层瓦斯增透技术分类

煤层透气性是影响煤层抽采的主要原因。要提高煤层透气性必须改变煤体的结构或实现煤体卸压。根据增透原理的不同，可将提高煤层透气性的方法分类为5 种：①在煤层上部或下部进行采掘活动，煤层受采动影响实现大范围卸压，如开采保护层[1-3]；②在煤层中注入高压水等将煤体压裂，然后注入支撑剂（砂等）保持裂隙通道，改变其透气性，如水力压裂[4-6]等；③采用高能气体爆破致裂煤体，如深孔控制预裂爆破、高压空气致裂、二氧化碳相变致裂[7-9]等形成高能气体作用到周边存在自由面的煤体时造成煤体内裂隙容积扩展，起到煤层增透的效果；④从煤层里掏出部分煤体形成空洞，造成煤层应力重新分布，形成新的裂隙，如水力割缝、水力冲孔（造穴）、大直径钻孔[10-17]等；⑤采用如超声波、温升、冻涨等物理化学方法处理煤层或可控冲击波[18-20]等提高煤层透气性的其它方法，目前还在探索阶段。

2 煤层瓦斯增透技术及装备

2.1 保护层开采增透技术

开采保护层是通过先开采无突出危险的煤层来使被保护层达到卸压消除突出危险的目的。 由于保护层开采造成的采动影响而使其顶板和底板一定范围内的煤（岩）层内的瓦斯因卸压、膨胀同时产生采动裂隙，大幅度的增加煤层透气性，通过抽采卸压瓦斯使煤层瓦斯压力和瓦斯含量大幅降低。

淮南矿区为煤层群开采，适合进行保护层开采。淮南矿业集团在潘一、潘三、谢一、新庄孜等矿井开展了保护层开采试验，对开采保护层进行了大量的研究，取得了非常好的瓦斯治理效果。

以潘一矿为例，利用下部煤层作为保护层上向卸压，在被保护层底板布置底抽巷道，通过施工穿层钻孔与被保护层的卸压瓦斯富集区连通，抽采卸压瓦斯，下保护层开采示意图如图1。

图1 下保护层开采示意图Fig.1 Schematic diagram of mining under the protective layer

采高1.8 m 的卸压层开采后，层间距70 m 的被卸压层透气性平均增大2 880 倍，单孔抽采量增大160 倍，瓦斯压力大幅度下降。利用煤层群开采的优势，多重开采上部煤层实现下向卸压，在被卸压煤层的底板布置底抽巷，施工穿层钻孔与被保护层的卸压瓦斯富集区域连通，抽采卸压瓦斯，煤层的透气性增透后提高为原来的570 倍，钻孔抽采量提高为原来的40 倍，进而消除了煤层的突出危险，达到了煤矿安全生产的目的。上保护层开采示意图如图2。

图2 上保护层开采示意图Fig.2 Schematic diagram of upper protective layer mining

2.2 水力压裂增透技术

水力压裂是将高压水注入增透煤层中，当超过煤层承受最大的起压裂压力的极限时，裂隙沿着水孔产生并向着煤层所受的垂直应力最小的方向延伸。该技术最早在天然气和石油工业应用，近年来逐步被引入到煤炭行业。目前水力压裂主要有地面压裂和井下压裂2 种。中国矿业大学、中煤科工集团沈阳研究院、重庆研究院、西安研究院、河南煤层气公司、安徽理工大学、河南理工大学等相继进行了水力压裂工程理论实践应用[21-26]。

1）地面水力压裂。地面钻井抽采时，由于绝大多数煤层的透气性都很低，仅靠钻井井眼圆柱侧面作为排气面是远远不够的，所以必须采取增透措施。以钻井水力压裂为关键技术的一整套工艺及装备目前已经逐步趋于成熟。地面水力压裂装备较庞大，实施时需供水、供电、提供交通条件，投资较大。根据晋煤集团在沁水煤田进行的水力压裂试验，压裂后每个钻井的抽采半径可达100～150 m。

2）井下水力压裂技术及装备。井下水力压裂必须有岩石段作为保护，一般通过底板巷向上部煤层打钻孔，高压水通过钻孔注入煤层当中，当煤层在高压水的作用下致使煤层超过承受最大破裂压力时，裂缝将会沿着水孔周围产生，并沿着煤体承受最小垂直应力的方向延伸。与地面水力压裂相比，井下水力压裂灵活性强，施工精度高，成本低，但是受到井下作业空间的限制，地面压裂装备的尺寸大，很难应用到井下，对水力压裂装备小型化提出了新的要求。中煤科工集团沈阳研究院等单位研发了符合井下压裂要求的压裂专用成套装备，能实时控制装备参数，保证井下压裂施工人员和设备安全。井下水力压裂一般不使用压裂砂等支撑剂，压裂液多为清水。据统计水力压裂效果较好时，影响区域内煤层透气性系数能提高50 倍以上，提高了低渗透高瓦斯煤层抽采效率；压裂后的瓦斯高效抽采半径会大于30 m；现场工程应用中可每50 m 进行1 次水力压裂即可实现低透煤层的高效增透。

2.3 利用自由面进行增透的技术

在煤层内施工措施钻孔，措施孔的周围施工控制孔，对措施孔进行致裂后，周边控制孔起到定向及聚能作用，控制孔的孔壁作为1 个自由面，当能量传播到控制孔孔壁时，会形成拉伸、导向与补偿作用，措施孔与控制孔之间产生径向裂隙、环向裂隙交错的裂隙圈并与次生裂隙连通形成裂隙网，增加煤层的透气性。煤体致裂利用自由面增透原理图如图3。利用自由面进行增透的技术主要有深孔控制预裂爆破技术、二氧化碳相变致裂提高煤层透气性技术、高压空气致裂煤体提高煤层透气性技术3 类。

图3 煤体致裂利用自由面增透原理图Fig.3 Principle diagram of coal surface cracking using free surface to increase permeability

2.3.1 深孔控制预裂爆破技术

深孔控制预裂爆破不同于普通爆破，其特点是利用控制孔增加了爆破孔周围的自由面，在炸药的作用下会产生爆炸空腔，空腔的壁上会因爆破产生炮径3 倍以上的裂隙。同时，爆破产生的爆燃气体和高压瓦斯混合气体在爆炸力的作用下沿着裂隙共同作用于裂隙面进一步形成大量的裂隙网。

中煤科工集团沈阳研究院、安徽理工大学等[27-30]单位对深孔控制预裂爆破技术进行了大量的研究，形成了深孔控制预裂爆破的成套技术及装备。深孔控制预裂爆破装备由煤矿许用炸药、导爆索、封孔炮泥、雷管等爆破器材和特制被筒、封孔器、装药推进辅助设备。 被筒炸药需在化工厂制成。装药结构示意图如图4。

图4 装药结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the charge structure

根据在淮南矿业集团潘三矿、平煤八矿、焦作九里山等矿的试验效果考察，在松软低透气性煤层采取深孔控制预裂爆破煤层透气性可增加10～20 倍左右，在中等硬度的煤层实施深孔控制预裂爆破透气性可提高100 倍以上。

2.3.2 二氧化碳相变致裂提高煤层透气性技术

二氧化碳的物理性质具有以下特点：在低于31 ℃、压力大于7.35 MPa 时以液态存在，但当温度超过31 ℃时开始气化，且压力随温度的变化而不断变化[31]。通过二氧化碳这一性质，将液态二氧化碳注入爆破管中，通过发爆器触发发热材料瞬间发热使储液管内液态二氧化碳气化升压（体积膨胀600 倍以上）破坏定压剪切片，由释放管喷瞬间喷出高压、高速的超临界二氧化碳气体破坏煤（岩）体，从而达到爆破致裂的目的。致裂器采用可连接式，能够实现多点同时定向致裂，爆破压力可200～300 MPa。液态二氧化碳致裂增透示意图如图5。

河南理工大学、煤炭科学技术研究院等[32-33]科研单位及部分民营企业对二氧化碳相变致裂技术开展了相关研究及应用。根据现场考察，采用二氧化碳致裂增透后，煤层的透气性可提高20～50 倍左右。

2.3.3 高压空气致裂煤体提高煤层透气性技术

高压空气压缩机产生的高压空气经定向释放装置瞬间释放,形成的高压空气流定向压入煤体，沿煤体原生裂隙流动并破碎煤体,促使裂隙扩展、延伸，大幅度提高裂隙长度并形成新的次生裂隙，增大煤体的透气性，达到提高低透气性煤层瓦斯抽采效率的目的。经过多年的研究和开发，中煤科工集团沈阳研究院[34]对高压作业的裂隙清除进行了远程监测和控制，形成了1 套完整的技术和设备。爆炸压力可达到70 MPa。爆破过程分为单点爆破和多点爆破。单点爆炸比多点击穿要强大一点，但是多点击穿的范围比单点击穿要广，选择适合现场的爆破方法。高压空气爆破工作原理如图6。

在淮南等矿区进行的工业性试验表明，高压气体爆破增透技术能够发生巨大的震动效果，破坏煤岩体，增加煤体裂隙。采用高压气体爆破震动增透后，能够最大限度的增加观察孔的瓦斯涌出量和提高煤层瓦斯抽采量。

2.4 在煤体中掏槽造穴增透技术及装备

2.4.1 水力冲孔

水力冲孔利用高压水通过钻孔作用煤层，破坏煤体结构，使煤体结构发生改变，冲出煤体使煤层产生更多的空腔，改变了钻孔周围应力变化，使大量的瓦斯气体释放，达到了局部卸压，增加了煤层的透气性，对煤层抽采效果显著的作用。水力冲孔技术在两淮矿区和西南地区得到了很好的应用，并遍及北部矿区。其中，淮南矿区，潘三矿等矿山进行的爆破水力爆破试验表明，水力冲孔作业对松软低渗透性突出矿井的提前消除有显着影响。煤体的抽采半径增加了2～3 倍，瓦斯抽采量增加了3 倍以上，有效降低了煤层突出危险性。

2.4.2 水力割缝

水力割缝技术是将高压水通过钻孔对预增透的煤体进行切割增透，通过切割使钻孔产生大量缝隙，提高煤层透性，破坏了煤体的物理结构，提高了单孔瓦斯抽采量，为瓦斯流动提供了良好的条件。同等深度的煤层，通过水力割缝技术后煤层瓦斯放散初速度大幅度提高为普通钻孔的2～2.5 倍，水力割缝对埋藏越深的煤层作用效果更加明显，同时割缝技术对释放煤层体积力，使煤层中的内部结构发生改变，使煤层内部的应力分布重新分配。在割缝技术的作用下，煤层中原有的裂隙数量和长度都得到了增加，提高了煤层内部之间的裂缝联系和孔隙连通的面积，进而提高了煤层的渗透率。

目前研发单位提出了多种射流割缝操作工艺，根据装备的割缝工艺主要可分为钻割一体作业和钻割分离作用。钻－割分离作业技术是在打钻完成后通过再通过专业的割缝设备进行割缝处理作业；其优点是设备简单操作、密封技术要求不高；缺点是工序复杂难操作，工序时间长。钻割一体化作业是指在对增透煤体进行打钻或退钻时进行水射流割缝作业；其优点是工序简单操作、工序实践短；缺点是对设备的密闭性、设备设计要求高。各研究单位也提出了多种射流割缝操作工艺，为进一步提高射流切割能力，促进瓦斯解吸，自激振荡[35]、脉动、磨料、空化射流[36]等多种射流形式被相继提出。水力割缝方式示意图如图7。

煤矿井下水射流割缝技术也已在多个煤业集团公司取得推广应用。例如平煤八矿底板穿层钻孔水力割缝技术应用显示：在水射流割缝技术作用下3～4 m 的煤层均匀切割需要1～2 h，并且在钻孔切割的过程中可以割出大量煤炭，为煤层压提供了良好的空间，煤层在切割的作用下形成大量裂隙网，煤层瓦斯抽采量得到了提高

2.4.3 大直径钻孔增透技术

理论研究发现，煤层施工钻孔后其周围应力发生变化，且钻孔周边的卸压区域的大小与钻孔的直径成正比例关系。当钻孔直径增加到一定程度后，可大大增加钻孔的卸压半径，扩大煤体的暴露表面积，起到增加煤层透气性的效果。目前煤矿井下钻孔直径一般为65、75、94、113、133 mm，中煤科工集团西安研究[37]等单位研制了大直径钻机，直径可达到153 mm，甚至200 mm，经扩孔后达到450、650 mm。中煤科工集团沈阳研究院[38]研制的大直径钻机，一次成孔孔径能够达到300～650 mm。

大直径钻机使用有一定的适用条件，针对松软低透煤层，钻孔直径增大到一定值时，虽增大了煤体的卸压范围，但也增大了对煤体的扰动，容易出现夹钻、喷孔等动力现象，因此针对不同特性煤层选择施工适合直径钻孔尤为重要。对于低透气性非突煤层及采取了区域消突措施后的突出煤层，抽排钻孔直径越大，提高煤层透气性的效果越好。

3 现有增透技术的优缺点及适用条件

针对我国煤层多具有构造复杂、透气性差、高瓦斯含量、且多为煤与瓦斯突出煤层等特点，且煤层开采条件不尽相同。依据上述分析，对煤层增透技术方法进行了分类比较，结合我国低透气性煤层的特点和各种增透技术的优缺点，分析了各种增透技术的适用条件，各增透方法的优缺点及适应条件见表1。

4 高瓦斯低透气性煤层增透技术展望

随着煤矿开采日益加深，地应力和瓦斯压力都呈现出增大的趋势，与之相关的动力灾害也日趋复杂和严重，导致的采掘失调问题严重将影响煤矿的安全高效生产[15]。煤层增透技术与装备将面临更大的需求与挑战，煤层增透技术将会不断涌现新的方法，今后高瓦斯低透气性煤层增透技术的发展方向可归结为3 个方面：

1）各种增透技术需要形成一个完整的理论体系。相对来说，保护层开采已经形成了行业技术规范，明确了适用条件与选择原则，制定了保护层开采和瓦斯抽采规划，有公认的保护范围及保护效果考察方法。 而其他增透方法还没有形成公认的增透机理、适用条件和增透范围测定，这将是科研人员今后攻关的方向。

2）煤层增透技术将向集成化和综合化发展。每种增透技术都有自己的局限性，如何充分发挥每种项技术的长处并尽量克服其缺陷，是煤层增透技术发展必然要面对和解决的问题，这就需要未来的煤层增透技术在不断完善的基础上，开展多种增透方式的联合增透，实现不同增透手段的集成化和多元化，形成优势互补。例如地面压裂与井下水平钻孔联合抽采技术、高能气体压裂与水力压裂联作技术等就是将不同增透原理的增透方法相结合增加煤层透气性。

3）未来增透技术及装备的将向无人值守方向发展，同时向自动化、智能化、环保的方向发展。由于煤层增透作业环境昏暗，且作业的方式多为高压、高速等方式，具有很大的危险性。因此，增透技术装备的研发将会向高可靠性、安全性和实用性发展，并与远程监控、智能化控制、无人化值守等技术相结合，营造出本质安全的井下增透作业环境。

5 结 语

提高煤层透气性必须改变煤体的结构或实现煤体卸压，依据增透原理对提高煤层透气透气性的技术方法进行了系统分类，并就相关研究成果阐述了煤层增透机理、增透工艺及现场应用效果。结合我国低透气性煤层的特点和各种增透技术的优缺点，指出了各种增透技术的适用范围。随着我国煤炭开采强度和深度的加大，导致瓦斯等动力灾害日趋严重，结合增透技术的日趋成熟，指出了增透技术将向多种增透方式联合作业，增透设备将向智能化、无人化的方向发展。