李 墨

(河南平寶煤業(yè)有限公司)

1 低透氣性煤層瓦斯抽采現(xiàn)狀

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，開采條件越來越復(fù)雜，礦井瓦斯成為制約安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。我國煤儲層構(gòu)造復(fù)雜，滲透率普遍較低，許多高瓦斯煤層均屬于低透氣性煤層，且隨著煤礦開采深度的逐步加大、應(yīng)力增高，煤層的透氣性系數(shù)進一步降低。在透氣性差的礦井進行未卸壓煤層瓦斯預(yù)抽，效果都不理想，因此，煤層卸壓增透技術(shù)顯得尤為必要［1］?，F(xiàn)階段，我國煤層卸壓瓦斯抽采技術(shù)主要有:保護層開采、水力壓裂、水力割縫和深孔爆破等，其優(yōu)缺點見表1。

國內(nèi)外在煤層瓦斯抽采理論和技術(shù)方面進行了相關(guān)研究，但針對松軟、低透、突出煤層，研究結(jié)果都存在一定的局限性。在高瓦斯松軟低透氣性煤層增透過程中，利用惰氣溫度和壓力的耦合作用，構(gòu)建溫壓惰氣增透瓦斯抽采系統(tǒng)，是提高松軟低透煤層瓦斯抽采率的有效辦法。

表1 現(xiàn)有卸壓瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)缺點

2 煤層溫壓惰氣增透技術(shù)

根據(jù)松軟煤層遇水易泥化、瓦斯解吸困難、不利于瓦斯抽采和在松軟突出煤層高壓壓裂極易誘導(dǎo)突出的問題，且溫度自20℃升高到60℃，瓦斯的解吸速度可以增加1～2倍的特點，提出了具有“溫壓效應(yīng)”的中溫中壓惰氣增透技術(shù)，即在工作面煤層中部布置增透孔，在以增透孔為中心的等邊三角形頂點上布置瓦斯抽采孔，逐一對增透孔注入溫壓惰性氣體。惰氣通過“水浴”升溫裝置，使其溫度升高到50～80℃，為瓦斯解吸提供動能，從而增高煤層瓦斯的解吸速度;再經(jīng)過增壓設(shè)備，惰氣壓力增加到1.6～5 MPa，防止了壓裂增透過程中誘突現(xiàn)象出現(xiàn)。通過溫壓惰性氣體的“溫度+壓力”的耦合作用，惰性氣體壓開煤體小尺度裂隙，使煤體中原始閉合裂隙展開、擴展，且不誘導(dǎo)突出，加快瓦斯脫離煤體速度，使煤體中難以解吸的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離瓦斯，便于瓦斯被大流量、快速抽采。增透介質(zhì)為氣體，增透后氣體會通過裂隙通道排出煤體，不會堵塞瓦斯流動通道，為瓦斯抽采提供了條件。

2.1 溫壓惰氣增透研究思路

綜合運用礦山工程力學(xué)、巖石力學(xué)、傳熱學(xué)、采礦工程、災(zāi)變學(xué)、流體力學(xué)和安全工程等多學(xué)科及其交叉前沿理論，采用理論研究、實驗室試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試等多種方法，開展高瓦斯松軟低透氣性煤層增透影響區(qū)范圍的瓦斯解吸與流動規(guī)律的系統(tǒng)研究，解析溫壓惰氣增透技術(shù)的“溫壓效應(yīng)”作用機制及提高抽采效率的作用原理，建立高瓦斯松軟低透氣性煤層整體增透的理論判據(jù)，為提高高瓦斯松軟低透氣性煤層瓦斯抽采效率，實現(xiàn)高瓦斯松軟低透氣性煤層的安全開采提供條件。總體研究思路如圖1所示。

2.2 溫壓惰氣增透技術(shù)關(guān)鍵點

2.2.1 惰氣氣源的選擇

圖1 溫壓惰氣增透技術(shù)研究思路

煤對氣體吸附能力由強到弱的順序是CO2＞CH4＞N2，CO2，注入煤層后，雖然可以大量地置換吸附游離狀態(tài)的CH4，但存在以下3個方面的不足:①CO2注入煤層后，吸附大量CO2的煤體具有更強的突出危險性;②CO2氣體進入抽采管路會影響煤層氣的純度;③CO2的制取成本較高。在具有煤自燃傾向性的礦井，能采用制氮機制氮。因此，從防誘突、瓦斯利用和注氣氣源獲取方面考慮，惰性氣體選用 N2比較合適［2］。

2.2.2 密封鉆孔蓄壓

密封鉆孔蓄壓是實施溫壓惰氣增透的基礎(chǔ)，只有鉆孔內(nèi)惰氣壓力達到一定值，才能達到增透的目的。采用高壓注漿固孔，封孔深度20～30 m，封孔深度要保證在巷道松動圈以外。

2.2.3 惰氣升溫

煤礦井下氮氣升溫的前提是保證安全，升溫裝置要求具有防爆性。通過綜合考慮，決定采用“水浴”加熱方式，具有受熱均勻，容易控制溫度的優(yōu)點;氮氣升溫設(shè)備由保溫層、溫度控制器、水層和電加熱器組成，保證了氮氣溫度能夠穩(wěn)定在50～80℃。

2.2.4 惰氣增壓

氮氣增壓設(shè)備要求具有防爆性，且能有效控制壓力范圍。為了能實時監(jiān)控進入鉆孔氮氣的溫度和流量，在增透孔入口處安裝了溫度計和流量計，在鉆孔內(nèi)設(shè)有測壓裝置，實時觀測孔內(nèi)壓力。其構(gòu)建的系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 溫壓惰氣增透系統(tǒng)

2.3 現(xiàn)場試驗

2.3.1 鉆孔布置

試驗過程分4組:增透孔孔深分別為35，55，75和95 m，對應(yīng)抽采孔孔深為40，60，80和100 m(如圖3所示)。圖3中心為增透孔，當(dāng)孔深為35和55 m時，直徑42 mm，封孔深度8 m;當(dāng)孔深為75 m和95 m時，直徑為75 mm，封孔深度8 m。周圍布置8個抽采孔，直徑75 mm，封孔深度6 m，聚氨酯封孔，其中1-1和1-2的抽采孔距增透孔50 cm;2-1和2-2的抽采孔距增透孔100 cm;3-1和3-2的抽采孔距增透孔150 cm;4-1和4-2的抽采孔距增透孔200 cm。間距變化布置有助于確定增透孔的影響范圍，以指導(dǎo)下一步溫壓惰氣增透的增透孔和抽采孔布置。

圖3 鉆孔布置(單位:cm)

2.3.2 試驗要求及安全措施

①增透前要檢查系統(tǒng)的氣密性和抗壓性，防止漏氣和不安全因素出現(xiàn);②增透前抽采孔必須密封完畢;③密封后開始注氣，注氣壓力由小到大逐漸增加，直到目標(biāo)壓力，注氣過程中密切關(guān)注有無異?，F(xiàn)象(突出預(yù)兆);④增透結(jié)束后拆除增透系統(tǒng)，增透孔按抽采孔要求進行封孔抽采瓦斯;⑤每班測定增透孔和抽采孔的瓦斯流量和濃度，并詳細記錄測定時間。

2.3.3 溫壓惰氣增透試驗

系統(tǒng)連接后，打開制氮機，保持連續(xù)制氮;體積分數(shù)達到97%的氮氣進入“水浴”增溫裝置，氮氣溫度上升到50～80℃，中溫氮氣進入氮氣增壓機，壓力達1.6～5.0 MPa;通過溫度計測量氣體溫度，流量計測量進入鉆孔的氮氣流量，進入鉆孔的氮氣對煤體進行增透，表2為數(shù)據(jù)記錄表。

表2 溫壓惰氣增透記錄表

2.4 現(xiàn)場試驗效果考察

采用CJZ70瓦斯抽放綜合參數(shù)測定儀，對單孔瓦斯抽采流量和濃度進行考察，見圖4。

圖4 CJZ70瓦斯抽放綜合參數(shù)測定儀

3 增透設(shè)備

3.1 升溫設(shè)備

通過綜合考慮，決定采用“水浴”加熱的方式，具有受熱均勻，容易控制溫度;水浴升溫設(shè)備設(shè)計為圓柱形，左面為入氣口，右邊為出氣口，中間留有自由空間，以保證進、出氣溫度均勻;采用浸入式電加熱器，時刻維持“水浴”的溫度，插入水浴部分產(chǎn)生的熱能100%的傳遞給水介質(zhì)，熱效率極高，電氣接線部分設(shè)計為隔爆結(jié)構(gòu)，可在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)爆炸性氣體場所安全工作。溫度控制器通過熱電偶傳感控制水浴的溫度，保證氣體溫度在要求范圍內(nèi);保溫層使設(shè)備內(nèi)氣體處于良好的蓄熱環(huán)境，且防止現(xiàn)場人員被升溫設(shè)備燙傷。設(shè)計原理如圖5。

圖5 升溫設(shè)備加熱原理

3.2 增壓設(shè)備

氣驅(qū)增壓泵采用大直徑氣體驅(qū)動活塞與小直徑加壓活塞連接在一起，利用兩個活塞的面積比產(chǎn)生壓力比，通過壓力比可以計算出最大輸出壓力。增壓設(shè)備設(shè)計為單級增壓，增壓動力為氣體，防爆。為達到所需壓力氣體，輸入氣壓需要一定程度的預(yù)增，因達到的最大壓力不同而開發(fā)出5種不同增壓比設(shè)備，見表3。工作時，驅(qū)動活塞向高壓柱塞端反向運動時，入口處的單向閥打開，出口處單向閥關(guān)閉，將介質(zhì)吸入泵內(nèi)。當(dāng)活塞反向運動時，在介質(zhì)一側(cè)會形成一定壓力，壓力會將進口單向閥關(guān)閉，出口處單向閥打開，將高壓介質(zhì)輸出。增壓泵通過一個兩位四通氣控滑閥和一個兩位兩通先導(dǎo)閥，實現(xiàn)連續(xù)運行，兩位兩通先導(dǎo)閥控制滑閥。先導(dǎo)閥由空氣驅(qū)動的活塞來控制，先導(dǎo)閥不斷的填充和排空氣控滑閥室，使驅(qū)動氣體交替作用于活塞的底部表面和頂部表面，從而實現(xiàn)了泵的連續(xù)工作。圖6為增壓設(shè)備示意圖［3］。

表3 增壓設(shè)備型號及性能

4 結(jié)語

我國松軟低透氣性煤層比例高，現(xiàn)場抽放效率一直處于較低水平，因此打破傳統(tǒng)思路，采取新技術(shù)，變瓦斯低效抽放為高效抽采，不僅可大大減少工程質(zhì)量，還能及早降低煤層瓦斯含量，在保障安全生產(chǎn)的同時，將創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟和社會效益。

圖6 增壓設(shè)備示意

［1］ 余長林.提高低透氣性煤層鉆孔抽放瓦斯量的途徑［J］.煤礦安全，1999(5):35-36.

［2］ 唐書恒，郝多虎，湯達禎.煤對二元氣體等溫吸附過程中的組分分餾效應(yīng)［J］.科學(xué)通報，2004(S1):64-69.

［3］ 高黎明，郝福利.氮氣增壓設(shè)備故障維修［J］.設(shè)備管理與維修，2010(11):15-16.