王世斌，吳學(xué)明，王 鵬，宋 超

(1.陜西煤業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安710065；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065；4.煤炭行業(yè)煤炭綠色開采工程研究中心，陜西 西安 710065)

0 引言

瓦斯作為影響礦井安全生產(chǎn)的重要因素，一直是煤礦防治的重點。受煤層埋藏與覆存條件的影響，陜煤集團(tuán)所屬的韓城、銅川、彬長、黃陵等礦區(qū)礦井均為高瓦斯礦井且瓦斯資源存藏豐富。其中，韓城礦區(qū)桑樹坪煤礦、下峪口煤礦為煤與瓦斯突出礦井，彬長礦區(qū)胡家河煤礦、孟村煤礦為沖擊地壓礦井，黃陵礦區(qū)二號煤礦為煤油氣共生礦井，各種災(zāi)害相互交織，大大增加了礦井瓦斯治理難度，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。近年來，陜煤集團(tuán)在瓦斯治理方面做了大量研究工作，采用了開采保護(hù)層、CO2爆破—相變致裂[1]、大直徑鉆孔、高位鉆孔等一系列手段，形成了一批代表性成果。但隨著礦井采掘速度的提升，采掘接續(xù)矛盾加大，“采—抽”不平衡日益凸顯，急需開發(fā)一種瓦斯高效抽采工藝。同時，瓦斯作為一種清潔能源，其熱值高，工業(yè)附加值大，但受制于瓦斯抽采濃度低，乏風(fēng)量大，管路漏氣嚴(yán)重，抽采濃度不穩(wěn)定等一系列因素的影響，礦井瓦斯利用還處在較低水平。

研究表明[2]，要實現(xiàn)瓦斯的高效抽采，其關(guān)鍵點是破壞瓦斯存、儲、蓋等大環(huán)境，釋放瓦斯煤體周邊應(yīng)力，通過施加外部動力，克服分子間范德華力，達(dá)到卸壓、消突及瓦斯高效抽采的目的?；谏鲜隼砟?，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者開展了大量的現(xiàn)場研究工作，并取得了積極的效果。任仲久應(yīng)用水力沖孔技術(shù)實現(xiàn)了低透氣性突出煤層瓦斯的高效抽采[3]，蘇偉等采用變徑高位鉆孔布置技術(shù)實現(xiàn)了瓦斯抽采濃度與存量的大幅提升[4]，筆者等采用液態(tài)CO2置換驅(qū)替CH4技術(shù)將桑樹坪二號井抽采體積分?jǐn)?shù)和存量分別提升[5]。上述研究或采用卸壓方式，或采用驅(qū)替方式，其中，卸壓方式作用范圍有限，卸壓半徑不大，對煤體大量吸附瓦斯不能有效脫附；驅(qū)替方式由于煤體致密，煤體內(nèi)沒有大量裂隙存在，運移通道不暢，實際效果并不明顯。

基于此，結(jié)合高壓水射流割縫和液態(tài)CO2驅(qū)替的技術(shù)特點，提出了“2-111”礦井瓦斯高效抽采新理念，即在單孔內(nèi)開展2種技術(shù)作業(yè)，1次割縫卸壓，1次氣相脫附驅(qū)替及1次導(dǎo)向擴沖驅(qū)氣的瓦斯高效抽采新模式。

1 礦井瓦斯“2-111”高效抽采理念

隨著對瓦斯資源認(rèn)知的轉(zhuǎn)變及國家對環(huán)境的大力保護(hù)，出現(xiàn)了一批以提高瓦斯抽采濃度及高效利用新技術(shù)、新工藝。如：以穿層孔、高位(大直徑)鉆孔、隅角埋管等為主的鉆孔卸壓抽采技術(shù)[6]；以水力壓裂、水力割縫、深孔爆破、二氧化碳爆破等為主的鉆孔卸壓增透技術(shù)；利用N2、CO2等液態(tài)惰性氣體對煤層瓦斯進(jìn)行驅(qū)替，降低游離瓦斯及吸附量的注氣技術(shù)；采用超聲波激勵、電磁脈沖、人工地震等物理機械方法為主的物理場激勵增透技術(shù)。而要實現(xiàn)瓦斯高效抽采，大幅提升瓦斯抽采濃度，就必須考慮瓦斯在煤體中的流動特征和煤體吸附瓦斯快速脫附特性。

“2-111”抽采理念從技術(shù)上可有效解決“卸”與“脫”的抽采難題，形成“以割卸壓、以氣驅(qū)替、監(jiān)測監(jiān)控、高效利用”的新模式，可實現(xiàn)礦井瓦斯高效抽采及高效利用，達(dá)到礦井瓦斯“零排放”目標(biāo)，其技術(shù)模式如圖1所示。

圖1 瓦斯煤體“2-111”高效抽采技術(shù)理念

1.1 高壓水射流割縫卸壓增透原理

高壓水射流割縫技術(shù)是一種充分利用高壓水作為沖擊動力源(如圖2所示)，從抽采鉆孔孔壁至煤體進(jìn)行掃圈式切割、排渣，最終在煤體中形成縫槽的技術(shù)。這種方法是用鉆割一體鉆頭在煤層中先打一定孔徑卸壓鉆孔，然后退鉆時在鉆孔內(nèi)利用高壓水射流沿孔壁對煤體進(jìn)行切割，在垂直鉆孔方向形成多條具有一定寬度和深度的扁平縫槽，利用水流將切割下來的煤渣排出孔外。從而達(dá)到煤體增透、降溫、降塵、卸壓的目的。

圖2 高壓水射流噴嘴出水現(xiàn)場(出水壓力80 MPa)

采用高壓水射流割縫措施后，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)得到充分卸壓，增大了煤層的透氣性，使縫槽周圍的煤體向縫槽產(chǎn)生一定的位移，擴大了縫槽卸壓和排放瓦斯的范圍，降低預(yù)抽時間，減少瓦斯抽采鉆孔數(shù)，實現(xiàn)快速高效抽采目的。

1.2 CO2氣相驅(qū)替原理

CH4和CO2與煤分子之間作用力的差異，導(dǎo)致煤對CH4和CO2吸附能力有所不同。研究發(fā)現(xiàn)，沸點越高，被吸附的能力越強，甲烷沸點-161.49 ℃，CO2沸點-78.48 ℃，因此CO2在煤表面具有更強的吸附能力。通過對單組份氣體的吸附實驗可知，同一煤樣對不同氣體的吸附量大小順序為CO2>CH4，相互間的比值卻隨壓力和煤種的變化而變化，隨壓力的升高，CO2/CH4的吸附量比值逐漸降低。當(dāng)壓力較高時，吸附量增加幅度為CH4>CO2，所以在低壓下有利于進(jìn)行CO2驅(qū)替煤層瓦斯。

圖3為煤體瓦斯與CO2吸附競爭過程，液態(tài)CO2注入煤體后，其迅速轉(zhuǎn)化為氣體，隨著高壓水射流割縫裂隙圈的形成，儲存在煤層中的CH4會沿裂隙釋放出來，由于煤對CO2的吸附能力大于煤對CH4的吸附能力，而且對CO2的吸附速度也快于對CH4的吸附速度。當(dāng)煤層中注入CO2后，由于CO2的強吸附力，CO2與煤基質(zhì)微孔隙中的瓦斯產(chǎn)生了競爭吸附，從而將原來吸附在煤層中的CH4置換出來，達(dá)到驅(qū)替目的。

a-煤體原始CH4；b-CO2注入中；c-CO2與CH4競爭；d-CO2驅(qū)替CH4圖3 煤體瓦斯與CO2吸附競爭過程

2 礦井瓦斯高效抽采工藝

2.1 高壓水射流割縫工藝

高壓水射流割縫系統(tǒng)包括鉆割一體鉆頭、高壓輸水鉆桿、進(jìn)口高壓旋轉(zhuǎn)器、獨立轉(zhuǎn)頭、鉆切轉(zhuǎn)換器、高壓輸水膠管、高壓泵組等。系統(tǒng)能提供100 MPa的水射流高壓，在進(jìn)行切割時，配用鉆機作為推進(jìn)旋轉(zhuǎn)器，現(xiàn)有鉆機無需進(jìn)行改動。

其中，鉆割一體化鉆頭是集鉆進(jìn)和切縫為一體，在正常鉆進(jìn)時，操作方式不變，高壓鉆桿接旋轉(zhuǎn)水變，鉆頭前面的軸向水孔正常出水，鉆進(jìn)至設(shè)計深度；鉆孔到位后拆除鉆桿使鉆割一體化鉆頭后退移動至設(shè)計切縫位置，高壓鉆桿后加高壓旋轉(zhuǎn)水變，鉆機勻速轉(zhuǎn)動帶動鉆割一體化鉆頭轉(zhuǎn)動，開啟高壓泵鉆頭軸向水道關(guān)閉。徑向射流噴嘴開啟，在鉆孔的煤壁上切割。連續(xù)割縫10～15 min，采用后退方式逐步卸掉鉆桿，完成割縫頭的分段后退，實現(xiàn)同一鉆孔內(nèi)煤體分段割縫。

該工藝完整操作流程為：鉆機、高壓泵等設(shè)備轉(zhuǎn)運至鉆場→固定鉆機、高壓泵等設(shè)備→確定方位、傾角→開孔→鉆進(jìn)至終孔→連接高壓管路→開啟高壓泵→鉆機旋轉(zhuǎn)鉆頭切割→關(guān)閉高壓泵→泄壓→拆除規(guī)定根數(shù)鉆桿→連接高壓管路→開啟高壓泵→鉆機旋轉(zhuǎn)鉆頭切割→關(guān)閉高壓泵→退鉆。

2.2 液態(tài)CO2氣相驅(qū)替工藝

液態(tài)壓注工藝系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)主要由液態(tài)CO2槽車、柱塞加壓泵、數(shù)據(jù)采集儀、渦輪流量計、壓力變送器、耐壓輸送管路、控制閥等組成。

圖4 液態(tài)CO2壓注試驗設(shè)備連接示意圖

液態(tài)CO2槽車自身壓力一般為0～2.4 MPa，壓注壓力為2～3 MPa，壓注量根據(jù)抽采鉆孔自身體積周邊裂隙影響圈范圍(煤體體積)計算，同時考慮CO2脫附置換量，盡可能留有富余；壓注工藝流程為：采用“兩堵一注”工藝對高壓水射流割縫后的瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行封孔，完成封孔質(zhì)量檢測；將CO2槽車的排氣口與加壓泵進(jìn)氣相入口連接，將CO2槽車的排液口與加壓泵進(jìn)液相入口連接，將加壓泵出液口與出液總管路連接；打開CO2槽車排氣口閥門和封孔器注液閥門1、管路閥門2，建立槽車、加壓泵和鉆孔的氣相平衡；關(guān)閉CO2槽車排氣口閥門，打開CO2槽車排液口閥門，并在加壓泵出液口與閥門2連接管路上安裝流量計，開啟加壓泵，向孔內(nèi)壓注液態(tài)CO2；液態(tài)CO2經(jīng)加壓泵持續(xù)進(jìn)入壓注孔，在線監(jiān)測鉆孔壓力、管路流量，持續(xù)觀察檢驗孔的壓差變化；注液結(jié)束后，關(guān)閉壓注孔口閥門，對鉆孔保壓，放空管路壓力；最后打開抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽采及觀測收集單孔和單日瓦斯抽采數(shù)據(jù)。

為了掌握“2-111”高效抽采工藝全過程中CO2壓注及瓦斯抽采變化過程，及早發(fā)現(xiàn)注入過程中的安全隱患，可采用改進(jìn)型瓦斯抽采實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動、連續(xù)、實時采集作業(yè)施工區(qū)域CH4與CO2濃度、壓注孔口壓力、壓注流量、瓦斯抽采量等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動接收、自動分析處理，實時判斷注入CO2量達(dá)標(biāo)及瓦斯抽采狀態(tài)，及時發(fā)出指令，防止事故發(fā)生，確保壓注安全可控。當(dāng)系統(tǒng)檢測到抽采管路中CO2濃度升高時，即可轉(zhuǎn)動截止閥，調(diào)整或關(guān)閉液態(tài)CO2注入量。

3 高效抽采相關(guān)案例分析

3.1 案例分析

山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司屯蘭礦采取高壓水射流割縫增透技術(shù)后，瓦斯抽采平均濃度為常規(guī)鉆孔的2.86倍，支管瓦斯抽采純流量是未割縫前的2.6倍，煤層殘余瓦斯含量下降了3.618 m3/t[8]。平寶煤業(yè)公司首山一礦采取高壓水射流割縫增透技術(shù)后，單孔瓦斯抽放量提高3～4倍，最高達(dá)到5倍以上，瓦斯抽放濃度基本穩(wěn)定在60%～80%，提高2～3倍[9]。義馬煤業(yè)集團(tuán)新安礦采取高壓水射流割縫增透技術(shù)后，比未割縫前瓦斯抽采濃度增加了2～3倍，鉆孔瓦斯涌出初速度最大值由割縫前的20 L/min降到割縫后的4 L/min，下降80%左右，有效消除了突出危險[10]。韓城礦區(qū)桑樹坪二號井采用液態(tài)CO2驅(qū)替技術(shù)后，抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)是原始體積分?jǐn)?shù)的2.5倍，抽采純量為原始純量的3.5倍，液態(tài)CO2驅(qū)替CH4試驗的有效影響半徑達(dá)到18 m，效果顯著，消除了突出危險[5]。

由表1可知，高壓水射流割縫增透技術(shù)和液態(tài)CO2驅(qū)替技術(shù)均能有效提高煤層瓦斯抽采效率，根據(jù)事件概率加法原理，提出的“2-111”瓦斯高效抽采技術(shù)理念可大幅度提升瓦斯抽采效率。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)抽采方法相比，礦井瓦斯“2-111”高效抽采技術(shù)模式具有以下優(yōu)勢：

表1 高效抽采前后瓦斯參數(shù)數(shù)據(jù)對比

(1)提前弱化煤體結(jié)構(gòu)，增大驅(qū)氣范圍，同時增加煤體濕潤半徑，有效降低開采過程中煤塵和煤體溫度。

(2)可大幅減少抽采鉆孔數(shù)，實現(xiàn)一孔復(fù)用，降低瓦斯治理費用，高壓水射流割縫鉆孔相比傳統(tǒng)瓦斯抽放鉆孔，可減少一半以上工程量，相應(yīng)的施工時間減少50%。

(3)對煤與瓦斯突出煤層、沖擊地壓煤層等嚴(yán)重災(zāi)害礦井，能達(dá)到煤(巖)體卸壓目的，能有效降低沖擊造成的大面積瓦斯超限及事故發(fā)生概率。

(4)礦井瓦斯“2-111”高效抽采技術(shù)縮短了抽采達(dá)標(biāo)時間，大大緩解回采工作面接續(xù)緊張的局面。

(5)通過高壓水射流割縫與液態(tài)CO2氣相驅(qū)替2種技術(shù)作業(yè)及特點的融合，增加了瓦斯抽放孔周邊煤體的裂隙通道，煤體應(yīng)力重新分布，達(dá)到均衡狀態(tài)，煤體瓦斯抽采效率大大提升。

(6)壓注的液態(tài)CO2(可多次壓注)能有效降低煤體和采空區(qū)的溫度，鈍化了煤的自由基，可減緩煤自燃災(zāi)害的發(fā)生，有效降低防滅火的費用。

(7)可有效提升瓦斯抽采濃度，實現(xiàn)乏風(fēng)瓦斯大幅度降低，可解決高瓦斯低滲透煤層瓦斯抽采難題，實現(xiàn)瓦斯高質(zhì)量抽采。

(8)抽采出的高濃度瓦斯可實現(xiàn)高附加值的轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)高效清潔利用，大幅減少礦區(qū)碳排放量。

(9)礦井瓦斯“2-111”高效抽采可替代高抽巷(及高位鉆孔)的留設(shè)，減少巖巷掘進(jìn)量(及打鉆)費用，避免因留設(shè)高抽巷而衍生的采空區(qū)漏風(fēng)及煤自燃風(fēng)險。

4 結(jié)論

(1)礦井瓦斯“2-111”高效抽采技術(shù)理念是結(jié)合了高壓水射流割縫技術(shù)與液態(tài)低溫CO2驅(qū)替技術(shù)的特點、優(yōu)勢，實現(xiàn)在單孔內(nèi)開展2種技術(shù)作業(yè)，1次割縫卸壓，1次氣相脫附驅(qū)替及1次導(dǎo)向驅(qū)氣的“2-111”瓦斯高效抽采新模式，同時也為瓦斯“零排放”及高效利用提供了新方法。

(2)礦井瓦斯“2-111”高效抽采方法可大幅度降低抽采費用，提升抽采系統(tǒng)瓦斯流量及濃度，減少乏風(fēng)瓦斯量，減少瓦斯鉆孔數(shù)，節(jié)省抽采時間，同時可有效緩解煤自然發(fā)火難題，遏制沖擊造成的大面積瓦斯超限及事故發(fā)生概率，甚至可代替高抽巷及高位鉆孔功能。經(jīng)濟效益顯著，技術(shù)優(yōu)勢突出，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。