王偉東 李 濱 王 理

（1.沈陽(yáng)焦煤股份有限公司 紅陽(yáng)三礦，遼寧 沈陽(yáng) 110100；2.沈陽(yáng)焦煤股份有限公司 紅陽(yáng)二礦，遼寧 沈陽(yáng) 110100；3.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

煤層氣存儲(chǔ)于煤層中，是煤礦開(kāi)采的附屬產(chǎn)物，我國(guó)已探明的煤層氣儲(chǔ)量36.81萬(wàn)億m3，居世界第三[1]。煤層氣作為燃?xì)?，具有高熱值、燃燒產(chǎn)物清潔等特點(diǎn)；作為瓦斯，嚴(yán)重威脅和制約煤礦的安全高效生產(chǎn)，導(dǎo)致了大量人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。為了發(fā)展綠色新能源，促進(jìn)綠色節(jié)能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，加大綠色經(jīng)濟(jì)比，有效預(yù)防煤礦瓦斯事故，需要對(duì)煤層氣進(jìn)行抽采。但紅陽(yáng)二礦煤層氣的抽采受到煤礦復(fù)雜的地質(zhì)條件以及現(xiàn)有施工條件的限制，抽采效果較差，需要對(duì)煤層進(jìn)行增透以提高產(chǎn)量。紅陽(yáng)二礦現(xiàn)主采煤層為多分層煤層，煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，在煤層氣抽采及增產(chǎn)措施的使用上存在一定的盲目性。為了提高煤層氣抽采效果，提高煤層氣抽采效率，急需優(yōu)選出一套適用于紅陽(yáng)二礦的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)紅陽(yáng)二礦使用過(guò)的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)選出增產(chǎn)技術(shù)措施，對(duì)類(lèi)似礦井具有一定的參考價(jià)值。

1 常用煤層氣增產(chǎn)技術(shù)介紹

1.1 順層鉆孔預(yù)抽技術(shù)

順層鉆孔預(yù)抽煤層氣技術(shù)是在煤巷掘進(jìn)期間或者工作面回采之前，向掘進(jìn)工作面或者回采工作面前方施工大量足夠控制范圍和距離的順層抽采鉆孔的技術(shù)。抽采鉆孔為扇形布置，增加了煤層透氣性和煤層氣涌出通道，能夠在短時(shí)間內(nèi)抽出大量煤層氣[2]。

1.2 穿層密集鉆孔預(yù)抽技術(shù)

穿層密集鉆孔預(yù)抽技術(shù)是在煤巷掘進(jìn)前，從底板巖巷中向煤層施工高密度穿層抽采鉆孔，進(jìn)行強(qiáng)化煤層氣抽采的一種措施。大量抽采孔能增加煤層透氣性和煤層氣的涌出通道，該技術(shù)可用于大面積預(yù)抽采煤層氣，也可達(dá)到局部預(yù)防突出的效果[3-4]。

1.3 水力沖孔技術(shù)

水力沖孔技術(shù)是在底板巖巷施工穿層鉆孔，后用高壓水射流沖擊鉆孔周?chē)拿后w，在煤體內(nèi)形成孔洞的技術(shù)。該技術(shù)使孔洞附近煤體卸壓，同時(shí)釋放大量煤層氣，大幅度增加孔洞周?chē)后w的透氣性，有效地提高了抽放效果，起到綜合防突的作用。

1.4 水力割縫技術(shù)

水力割縫技術(shù)的做法是將高壓水射流噴嘴輸送到煤層，在噴射高壓水射流的同時(shí)移動(dòng)噴嘴，使高壓水射流線性運(yùn)動(dòng)，最后組合成面，在煤層中形成一層水射流切割面，從而增大煤層暴露面積，增加煤層氣流通通道。

1.5 水力壓裂技術(shù)

水力壓裂增透技術(shù)是從巖巷向煤層施工穿層壓裂鉆孔，然后通過(guò)壓裂鉆孔向待壓裂煤層內(nèi)注入大量壓裂液，使煤層中產(chǎn)生大量不規(guī)則的裂隙，增大煤體內(nèi)部暴露面積，同時(shí)也能對(duì)煤層卸壓，最終達(dá)到增加煤層透氣性目的的一種技術(shù)。

1.6 增產(chǎn)技術(shù)對(duì)比

表1 煤層氣常用增產(chǎn)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)[2-5]

2 紅陽(yáng)二礦煤層氣增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用介紹

2.1 紅陽(yáng)二礦及西部采區(qū)簡(jiǎn)介

沈陽(yáng)焦煤股份有限公司紅陽(yáng)二礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a。西二下部采區(qū)、西三下部采區(qū)的主采煤層為12煤和13煤，均為復(fù)合煤層。其中12煤平均厚4m，13煤平均厚度2.9m，煤層傾角平均5°。實(shí)測(cè)該區(qū)域瓦斯壓力最大為7.6 MPa，瓦斯含量最高為13.5m3/t。

2.2 煤層氣增產(chǎn)技術(shù)措施

針對(duì)紅陽(yáng)二礦的多分層復(fù)合煤層的特點(diǎn)，先后采用了穿層鉆孔、穿層密集鉆孔、水力沖孔、水力壓裂四種煤層氣增產(chǎn)技術(shù)措施。

順層鉆孔技術(shù)是紅陽(yáng)二礦最先使用的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)，主要應(yīng)用在掘進(jìn)期間和工作面的區(qū)域煤層氣增產(chǎn)。典型應(yīng)用是西三采區(qū)1201工作面前掘期間順層預(yù)抽和回采前順層預(yù)抽，如圖1所示。

圖1 1201工作面煤巷前掘期間順層鉆孔竣工平面示意圖

穿層密集鉆孔技術(shù)在紅陽(yáng)二礦的典型應(yīng)用地點(diǎn)是西二區(qū)1205運(yùn)順瓦斯巷，穿層鉆孔布置方式為“5*5”布置方式，即：每5m施工一組穿層鉆孔，單組相鄰鉆孔孔底間距5m，如圖2所示。

圖2 1205運(yùn)順穿層鉆孔竣工平面示意圖

水力沖孔技術(shù)最先應(yīng)用于西三下部采區(qū)1203運(yùn)順，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為每隔5m分別布置一組密集鉆孔或水力沖孔鉆孔，密集鉆孔和水力沖孔鉆孔交叉布置，設(shè)計(jì)密集鉆孔孔底間距為5m，水力沖孔鉆孔孔底間距為10m，如圖3所示。水力沖孔鉆孔沖孔完成之后也進(jìn)行封孔接抽，一并連入抽采系統(tǒng)。

圖3 1203運(yùn)順?biāo)_孔及抽采鉆孔竣工平面示意圖

水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于西三下部采區(qū)1204中順煤層氣巷，每隔50m布置一個(gè)水力壓裂孔，每隔5m布置一組密集鉆孔，設(shè)計(jì)密集鉆孔孔底間距為5m，如圖4所示。

圖4 1204中順?biāo)毫鸭俺椴摄@孔竣工平面示意圖

2.3 煤層氣增產(chǎn)效果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)多個(gè)地點(diǎn)施工前后煤層氣含量及壓力進(jìn)行總結(jié)，初步獲得了增產(chǎn)措施的應(yīng)用效果，如表2所示。在施工之前，煤層氣含量及壓力基本相同，順層鉆孔預(yù)抽技術(shù)施工地點(diǎn)煤層氣含量及壓力相對(duì)稍低，主要因?yàn)樵诿合锞蜻M(jìn)期間產(chǎn)生了卸壓，釋放出了部分煤層氣。

表2 不同增產(chǎn)措施效果對(duì)比

為了進(jìn)一步直觀分析數(shù)據(jù)，將施工前后的煤層氣含量及壓力求出均值，相減得出抽采出的煤層氣量和煤層氣壓力降幅，并作出效果對(duì)比圖，即圖5和圖6。

圖5 煤層氣抽采率效果對(duì)比圖

圖6 煤層氣抽采后壓力降幅對(duì)比圖

從圖5可看出在實(shí)施不同種增產(chǎn)措施后，煤層氣抽采效果最好的為水力壓裂技術(shù)，抽采率可達(dá)68.8 %，其次是水力沖孔技術(shù)（53.5 %）、穿層密集鉆孔技術(shù)（52.6 %）、順層鉆孔技術(shù)（43.7 %）。主要是因?yàn)樗毫鸭夹g(shù)在壓裂期間的高壓水能夠撐開(kāi)煤層，形成大量水力裂縫，并連通天然裂縫，增加天然裂縫開(kāi)度，大范圍增加煤層透氣性，同時(shí)促進(jìn)煤層氣解析，最終達(dá)到高效抽采煤層氣的目的。而其他增產(chǎn)措施，增透范圍有效，增透效果較差，導(dǎo)致抽采效果并不理想。

從圖6中得出抽采后煤層氣壓力衰減率最大也為水力壓裂施工區(qū)域（95.7%），其次是水力沖孔技術(shù)（94.9 %）、穿層密集鉆孔技術(shù)（95.1 %）、順層鉆孔技術(shù)（90.6 %）。因?yàn)椴煌霎a(chǎn)技術(shù)施工后對(duì)煤層產(chǎn)生了卸壓，特別是抽采孔的局部卸壓能夠使周?chē)拿簩託鈮毫Υ蠓档?，所以施工抽采后煤層氣壓力基本相同。由于順層鉆孔技術(shù)施工前煤層氣壓力較低，故其壓力衰減率相對(duì)較小。

綜上所述，可以對(duì)紅陽(yáng)二礦采用過(guò)的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行性能排序，最優(yōu)為水力壓裂技術(shù)，其次是水力沖孔技術(shù)、穿層密集鉆孔技術(shù)、順層鉆孔技術(shù)。

3 多分層煤層氣增產(chǎn)技術(shù)總結(jié)

紅陽(yáng)二礦積極采用先進(jìn)的煤層氣增產(chǎn)措施，并對(duì)不同增產(chǎn)措施在紅陽(yáng)二礦的應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)分析，確定了現(xiàn)階段最優(yōu)的增產(chǎn)技術(shù)措施為水力壓裂技術(shù)。即先對(duì)待抽采區(qū)域進(jìn)行水力壓裂，然后在水力壓裂范圍內(nèi)布置多組密集鉆孔，最大限度地增加煤層透氣性，提升煤層氣抽采量。