張宏杰

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西晉城 048000)

淺析低透氣性煤層瓦斯抽采技術(shù)研究現(xiàn)狀

張宏杰

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西晉城 048000)

針對我國絕大部分煤層屬于低透氣性煤層，瓦斯涌出量較少，瓦斯吸附程度高，抽采困難，論述和分析了低透氣性煤層瓦斯抽采的高壓磨料射流割縫強化抽采技術(shù)、水力壓裂和深孔控制預(yù)裂爆破強化抽瓦斯技術(shù)等瓦斯抽采技術(shù)。給低透氣性煤層瓦斯抽采提供了技術(shù)指導(dǎo)，解決礦區(qū)實際問題。研究低透氣性煤層瓦斯抽采具有廣闊的應(yīng)用前景與價值。

瓦斯災(zāi)害 低透氣性煤層 瓦斯抽放

低透氣性煤層的瓦斯抽放是制約我國煤礦安全和高效生產(chǎn)的主要因素，也是制約我國煤層氣開采的主要因素。隨著我國煤礦開采深度的增加，地應(yīng)力大、煤層瓦斯壓力高、瓦斯含量大，因煤質(zhì)松軟、煤層的透氣性變差，煤層瓦斯吸附能力高，通常從煤層中抽不出瓦斯，這一特點給煤層安全高效開采和煤層瓦斯抽采帶來了困難[1]。

1 煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀

我國煤層氣開發(fā)有地面抽采和井下抽采兩種方式。地面抽采技術(shù)主要包括地面標(biāo)準(zhǔn)井和地面采空區(qū)井抽采技術(shù)。井下抽采技術(shù)已應(yīng)用于許多礦區(qū)，是現(xiàn)在和近期煤礦礦區(qū)煤層氣開發(fā)的主要技術(shù)。煤層氣的地面開發(fā)有兩種途徑：一種是抽采未開采煤層中的煤層氣，另一種是抽采生產(chǎn)礦區(qū)內(nèi)煤層氣。我國自90年代開始試驗和推廣煤層氣地面回收技術(shù)，到目前為止已取得長足的進(jìn)展，但大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)仍未取得突破性進(jìn)展。

我國煤礦礦區(qū)煤層氣的井下抽采起步較早，目前各種抽采技術(shù)已十分成熟，基本上處于世界領(lǐng)先水平，并已形成完整的井下抽采技術(shù)體系，適合各種地質(zhì)條件的煤層氣抽采。常用的井下抽采技術(shù)包括本煤層抽采、鄰近層抽采、采空區(qū)抽采和綜合抽采法。其中鄰近層抽采利用工作面回風(fēng)副巷布置鉆場，鉆場打在回采工作面所形成的裂隙帶內(nèi)并到達(dá)鄰近層。鄰近層卸壓煤層氣抽采法在全國得到了最廣泛的應(yīng)用。當(dāng)鄰近層瓦斯涌出量大于30m3/min的時候，采用該方法的抽放率可達(dá)到85%以上[3，4]。

2 低透氣性煤層抽采過程中存在問題及分析

我國抽放率低的原因主要有以下幾點：一是煤層基礎(chǔ)條件差，透氣性普遍較低，抽采困難，我國煤層80%是低透氣性煤層，透氣性系數(shù)低于0．01m2/(MPa2·d)，其顯現(xiàn)特征是微孔隙、低滲透率、高吸附；二是我國煤層賦存特殊，煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜三是有些礦井該建抽放系統(tǒng)而未建。小煤礦普遍沒有瓦斯抽放系統(tǒng)，基本依靠井下通風(fēng)排放，國有重點煤礦高瓦斯、高突礦井中，仍有沒有建立抽放系統(tǒng)，即使一些工作較好的煤炭企業(yè)，其抽放利用也仍然處在較低的水平上，尚未從根本上控制瓦斯災(zāi)害；四是鉆孔工程量少，有些礦井雖然建立了抽放系統(tǒng)，但對瓦斯抽放的認(rèn)識不高，也缺乏相應(yīng)的巷道和鉆孔工程；五是抽放方法和工藝落后，一些重大技術(shù)難題尚未能得到解決，有些礦區(qū)缺乏對瓦斯抽放工藝方法的研究，尤其是采煤方法改變以后原有的抽放方法不能適應(yīng)產(chǎn)量大、瓦斯涌出劇烈的特點，抽放效果差，難以滿足安全生產(chǎn)的要求[2]。

3 低透氣性煤層瓦斯抽采技術(shù)

幾十年來，根據(jù)我國煤層地質(zhì)條件和瓦斯賦存特點，不同的煤層，采取不同的抽采技術(shù)，比如我國開展技術(shù)包括：高壓磨料射流割縫、深孔控制預(yù)裂爆破、水力壓裂等。

3.1 高壓磨料射流割縫強化抽采

對于單一煤層而言，只有在煤層內(nèi)部采取措施，張開原有裂隙、產(chǎn)生新裂隙以及局部卸壓，進(jìn)而改善煤層內(nèi)部瓦斯流動狀況[3]。高壓磨料射流割縫是對低透氣性系數(shù)低、原始瓦斯含量大、有突出危險的煤層進(jìn)行超前割縫。這種方法即是在煤層中先打鉆孔，然后在鉆孔內(nèi)利用高壓磨料射流對鉆孔兩側(cè)的媒體進(jìn)行切割，在鉆孔兩側(cè)形成一條具有一定深度的扁平縫槽，利用水流將切割下來的煤體帶到孔外。

采用高壓磨料射流割縫措施后，首先增加了煤體的暴露面積，且扁平縫槽相當(dāng)于在局部范圍內(nèi)開采了一層極薄的保護(hù)層，達(dá)到層內(nèi)的自我解放，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動創(chuàng)造了良好的條件，其結(jié)果是縫槽上下的煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性，使縫槽周圍的煤體向縫槽產(chǎn)生一定的移動，因而更加擴大了縫槽卸壓、排放瓦斯的范圍。

3.2 水力壓裂

水力壓裂的基本原理是通過鉆孔將大量混入石英砂或其它支撐劑的高壓液體壓入油氣儲層，迫使儲層破裂形成垂直或平行層面的裂縫，使支撐劑充滿裂縫，以便在停止壓裂后支撐住裂隙，利用壓裂在鉆孔周圍造成大量裂縫以提高儲層的滲透性。但由煤層構(gòu)造復(fù)雜，煤質(zhì)松軟，常導(dǎo)致壓裂的方向不易控制或支撐劑容易嵌入煤體，目壓裂液進(jìn)入煤體后不易排除，很難較大范圍地提高煤層的透氣性[4]。

3.3 旋轉(zhuǎn)水射流擴孔強化抽采

旋轉(zhuǎn)射流具有擴散角大，射程短，卷吸和摻混能力非常強，且存在回流區(qū)等特性[5]。旋轉(zhuǎn)射流擴孔通過擴大鉆孔直徑，達(dá)到增加鉆孔的煤層暴露面積和卸壓范圍，增加鉆孔的抽排瓦斯量，提高鉆孔的抽排效果，為提高低透氣性煤層的瓦斯抽采效果和擴大防突起措施的效果提供了一個可行的技術(shù)途徑。隨著高壓水旋轉(zhuǎn)射流技術(shù)的不斷革新，它在防突領(lǐng)域中的應(yīng)用前景非常廣闊。

3.4 深孔控制預(yù)裂爆破強化抽瓦斯技術(shù)

深孔控制預(yù)裂爆破強化抽放瓦斯技術(shù)實質(zhì)是，在回采工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷每隔一定距離，平行打一定深度的爆破孔，二者交替布置。利用壓風(fēng)裝藥器向爆破孔進(jìn)行連續(xù)耦合裝藥。利用炸藥的能量、瓦斯壓力及控制孔的導(dǎo)向和補償作用使煤體產(chǎn)生新的裂隙，并使原生裂隙得以擴展，從而提高煤層的透氣性，達(dá)到提高抽放效果的目的[6]。

理論分析和現(xiàn)場試驗表明：對于低透氣性突出危險煤層，采用深孔預(yù)裂控制松動爆破能充分合理地利用炸藥的爆炸能量，起到控制孔的導(dǎo)向與補償作用；預(yù)裂爆破后使煤體中原生裂隙得以擴展，同時產(chǎn)生新的裂隙，較大地提高了煤層透氣性，能有效降低或消除煤層突出危險性[7]。通過深孔預(yù)裂爆破產(chǎn)生了相互溝通的裂紋，再加上抽排系統(tǒng)，為松軟低透氣性煤層瓦斯抽采提供了一個較好的解決方案。

3.5 卸壓區(qū)淺孔抽放技術(shù)

卸壓區(qū)淺孔抽放瓦斯技術(shù)的機理是，將鉆孔終孔打入應(yīng)力集中區(qū)一定深度，使應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的瓦斯及其潛能得以釋放，并增加卸壓區(qū)寬度，從而降低或消除突出危險。極限平衡區(qū)煤體中的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯量大小，尤其是卸壓區(qū)的長短及其承載能力，對煤與瓦斯突出影響較大。卸壓區(qū)的存在，一方面使?jié)B透性急劇提高，有利于瓦斯釋放，另一方面在工作面與集中應(yīng)力區(qū)之間構(gòu)筑一道安全屏障。研究表明：卸壓區(qū)的大小決定了煤體中儲存的彈性潛能和瓦斯內(nèi)能是否能夠釋放，突出是否能夠形成，如果采掘面前方始終存在一定寬度的卸壓區(qū)，就不會發(fā)生動力現(xiàn)象[8]。

3.6 本煤層定向長鉆孔抽瓦斯技術(shù)

煤層定向長鉆孔抽放瓦斯技術(shù)，對于單一煤層和低透氣性煤層利用工作面回采產(chǎn)生的卸壓效應(yīng)，抽放工作面前方的卸壓瓦斯以達(dá)到自我卸壓、自我保護(hù)的目的。長鉆孔成孔率高低的關(guān)鍵因素是鉆孔的定向鉆進(jìn)技術(shù)，而采用合理的鉆進(jìn)參數(shù)和鉆具組合，可使鉆孔達(dá)到預(yù)定的終孔位置。煤層定向長鉆孔的布置方式一般有兩種，一種是沿回風(fēng)巷迎工作面推進(jìn)方向打斜交長鉆孔，一種是平行工作面從腰巷(或在上山處)打垂直于工作面的長鉆孔。煤層定向長鉆孔成孔工藝與抽放瓦斯技術(shù)近幾年在很多礦得到應(yīng)用，并取得了較好的效果。

4 結(jié)語

我國低透氣性煤層分布廣、抽采困難，是煤炭企業(yè)普遍存在的技術(shù)難題，也是制約安全生產(chǎn)水平的主要因素及落實“先抽后采”瓦斯治理方針的瓶頸。根據(jù)最近幾年一些瓦斯抽放技術(shù)的研發(fā)及現(xiàn)場應(yīng)用，大大提高了低透氣性煤層瓦斯抽放的效果及煤層氣的利用率，尤其是高壓磨料射流割縫等技術(shù)，在提高煤層透氣性方面取得了顯著效果。由此我們應(yīng)積極探索及支持低滲透性煤層抽放新技術(shù)在礦區(qū)的實際應(yīng)用，建立示范工程，為有效控制煤礦瓦斯事故提供技術(shù)支持。

[1]袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

[2]馬丕梁.我國煤礦抽放瓦斯現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].煤礦安全,2007(3):48-51.

[3]林柏泉,張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007,(2).

[4]趙嵐,馮增朝,趙陽升,等.水力割縫提高低滲透率煤層的滲透性實驗研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2001,32(2):109-111.

[5]許江,鮮學(xué)福.含瓦斯煤的力學(xué)特性的實驗分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報,1993,16(5)：26-32.

[6]魏國營,張書君,辛新平.突出煤層掘進(jìn)面防突技術(shù)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報.2005,15(6):100-104.

[7]蔡峰,劉澤功,張朝舉,等.高瓦斯低透氣性煤層深孔預(yù)裂爆破增透數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報,2007,32(5):499-502.

[8]楊光軍.擴孔卸壓抽放在低透氣性煤層石門揭煤中的運用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2008,35(5):56-58.

張宏杰(1984-),男,2008年畢業(yè)于河南理工大學(xué)安全工程專業(yè),現(xiàn)現(xiàn)任天地王坡煤業(yè)有限公司通防隊隊長兼通風(fēng)部經(jīng)理。