朱傳杰 劉思遠(yuǎn) 伍厚榮 劉 廳 殷紹林成艷英 李連云 王小兵 劉 謙

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川省成都市，610091；3.四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司綠水洞煤礦, 四川省華鎣市，638601；4.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，福建省龍巖市，364012)

煤層瓦斯(或稱之為煤層氣)的主要成分是甲烷(CH4)，在過去的幾十年間是煤礦重特大災(zāi)害事故的主要源頭。隨著全球氣候變暖加劇，CH4也被認(rèn)為是主要的溫室氣體，其溫室效應(yīng)是二氧化碳(CO2)的28～34倍[1]，其中煤炭開采是CH4釋放到大氣中的主要途徑之一。當(dāng)然，CH4也被認(rèn)為是一種高效的清潔能源[2]，與其他化學(xué)能源相比，其燃燒主要產(chǎn)生CO2和水分，其他污染物極少。

通過地面井或井下鉆孔進(jìn)行抽采，被認(rèn)為是減少CH4排放和提高其利用率的最主要途徑[3-5]，但煤層的低透氣性導(dǎo)致瓦斯抽采率低，已經(jīng)成為制約瓦斯高效抽采的瓶頸問題。為此，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層瓦斯的強(qiáng)化抽采技術(shù)(Enhancement of Coalbed Methane Recovery，ECBM)進(jìn)行了大量的研究。其中，國(guó)內(nèi)普遍采用的技術(shù)措施主要分為高壓水力壓裂(或驅(qū)替)[6-7]、水分割縫(或沖孔)[8-13]、煤層預(yù)裂爆破(炸藥爆破、CO2相變爆破、高壓電脈沖致裂等)[14-18]三大類。這些技術(shù)的共同點(diǎn)是通過在煤層內(nèi)產(chǎn)生人工裂隙，增加瓦斯運(yùn)移通道，改善煤層的滲透率，從而提高瓦斯抽采率。但每個(gè)技術(shù)又有一定的區(qū)別和各自的適用條件。

煤層預(yù)裂爆破措施主要適用于硬度較大的煤層(例如無煙煤)，在軟煤中難以形成裂隙，起不到增透的目的；相對(duì)而言，水分割縫(或沖孔)技術(shù)的適用范圍更廣一些，水力沖孔主要用于松軟且具有自噴特征的煤層，為防止高強(qiáng)度的噴孔，通常采用較低的壓力，水力割縫適用于硬度稍大的煤層，對(duì)于硬度很高的煤層，近年來又發(fā)展出超高壓水力割縫技術(shù)；高壓水力壓裂(或驅(qū)替)技術(shù)可以適用于各種煤層，其注水有效影響半徑大，可以大大節(jié)省技術(shù)成本，但問題是“水鎖”效應(yīng)目前還沒有得到有效解決[19]。

CH4主要吸附在煤的納米級(jí)孔隙中(具有高吸附性的特征)，以上技術(shù)從原理上來講主要是改善煤層的透氣性，難以促進(jìn)納米級(jí)孔隙中瓦斯的解吸，并不能徹底解決煤層瓦斯抽采率低的問題。國(guó)外目前采用較多的主要是CO2驅(qū)替(CO2-ECBM)技術(shù)，其原理是利用CO2吸附能力高于CH4的特點(diǎn)，置換驅(qū)替煤層中的CH4[20-21]。該技術(shù)以美國(guó)應(yīng)用最為成功，該技術(shù)主要用于變質(zhì)程度不高、開采價(jià)值低的低階煤或其他原因不開采的煤層。但該技術(shù)在我國(guó)很難推廣，主要是CO2注入煤層后，在突出煤層中會(huì)誘發(fā)突出事故，且后期回采過程中，易造成回風(fēng)流中CO2超限。

在此背景下，筆者提出了低透氣煤層高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯技術(shù)，即通過向煤層中注入高壓水使其預(yù)裂，同時(shí)置換驅(qū)替納米級(jí)孔隙中的CH4，然后注入高壓空氣接觸“水鎖”效應(yīng)，并驅(qū)動(dòng)多相介質(zhì)運(yùn)移。

1 高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯技術(shù)原理

煤孔隙對(duì)水的吸附能力要遠(yuǎn)高于瓦斯，水分的加入會(huì)抑制瓦斯的吸附，或者說，向煤體中注入水分，可以通過競(jìng)爭(zhēng)吸附置換出部分瓦斯，這一點(diǎn)已經(jīng)被很多研究者通過試驗(yàn)或分子模擬結(jié)果證實(shí)。例如，Krooss等人通過試驗(yàn)對(duì)比了水分對(duì)3種不同變質(zhì)程度煤吸附瓦斯能力的影響，水分的加入確實(shí)大大降低了煤孔隙吸附瓦斯的能力[22]。以此為基礎(chǔ)，高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯的技術(shù)原理如圖1所示。

首先，向煤層內(nèi)注入高壓水，當(dāng)水的壓力高于煤體的破裂壓力時(shí)，會(huì)在煤體內(nèi)部壓裂形成新的人工裂隙，一方面可以加快煤體的潤(rùn)濕過程，另一方面可以為后期瓦斯運(yùn)移提供通道。

其次，隨著高壓水在煤體內(nèi)部的迅速擴(kuò)散，不斷潤(rùn)濕煤體，水分子進(jìn)入煤體納米級(jí)孔隙，由于水的吸附能力要高于瓦斯，因此，水分子通過競(jìng)爭(zhēng)吸附置換出很大一部分瓦斯分子，這些置換出的瓦斯和水分在孔裂隙內(nèi)形成瓦斯-水兩相介質(zhì)。

最后，向煤層中注入高壓空氣，瓦斯-水兩相介質(zhì)及原來煤體孔裂隙中的部分雜質(zhì)，在高壓空氣的推動(dòng)下在煤體孔隙和裂隙中運(yùn)移，高壓空氣在此過程中起到了高壓推動(dòng)作用，一方面提高了混相介質(zhì)的運(yùn)移效率，另一方面間接起到解堵效果。

圖1 低透氣煤層高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯技術(shù)原理

2 高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯技術(shù)裝備及工藝

2.1 裝備組成

根據(jù)礦井水力壓裂試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)區(qū)域煤層破裂壓力18 MPa；故312北瓦斯抽放巷水力壓裂設(shè)備選擇使用額定壓力30 MPa，額定流量315 L/min，壓力可在0～30 MPa間任意調(diào)節(jié)的乳化泵?？諝鈮毫堰x擇高壓增壓壓縮機(jī)，氣量2.0 m3/min，壓力可在0～42 MPa間任意調(diào)節(jié)，功率55 kW。除乳化泵、增壓機(jī)外，水力壓裂混壓系統(tǒng)由壓力表、卸壓閥、單向閥、高壓膠管及相關(guān)裝置連接接頭等組成，具體如圖2所示。

圖2 高壓氣水混壓裝備系統(tǒng)

2.2 氣水混壓工藝流程

從以上原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯技術(shù)的工藝流程，主要工藝過程如圖3所示，主要步驟如下：

(1)首先在煤層內(nèi)施工瓦斯抽采鉆孔，并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采，該步驟也可以放在最后，即首先進(jìn)行高壓氣水混壓，再施工瓦斯抽采鉆孔；

(2)在普通抽采鉆孔之間選取合適的區(qū)域施工高壓注入鉆孔，并進(jìn)行抗高壓密封；

(3)密封完畢后，向高壓注入鉆孔內(nèi)注入高壓水進(jìn)行水力壓裂，升壓過程需要逐步加壓，并檢查升壓過程中管路、接頭及鉆孔是否漏水；

(4)開啟空氣壓縮機(jī)和高壓增壓機(jī)，向先前的高壓水注入鉆孔壓入高壓氣體，觀察增壓機(jī)出氣端輸出壓力逐步升壓達(dá)到預(yù)定值(一般在10～20 MPa之間)，實(shí)現(xiàn)煤體孔裂隙中的水分、瓦斯和雜質(zhì)的驅(qū)替；

(5)停止注氣，降壓排采瓦斯。

圖3 低透氣性煤層高壓氣水混壓壓裂驅(qū)替瓦斯工藝流程

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)基本情況

試驗(yàn)地點(diǎn)選取川煤集團(tuán)綠水洞煤礦K1煤層，煤厚1.30～2.79 m，一般厚2.52 m。采區(qū)構(gòu)造為一單斜構(gòu)造，煤層傾角比較穩(wěn)定，變化不大，總體為南較北陡，下較上陡。

該煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，煤層原始瓦斯含量10.6 m3/t、瓦斯壓力為0.4～3.0 MPa，煤的瓦斯放散初速度△P為7～15、堅(jiān)固性系數(shù)f為0.19～0.36。煤層透氣性系數(shù)λ為0.010261～0.022090 m2/(MPa2·d)，均值為0.0161755 m2/(MPa2·d)，屬于單一較難抽放煤層。

以往礦井掘進(jìn)條帶采用穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯方法作為區(qū)域防突措施，預(yù)抽效果差，不僅延長(zhǎng)了煤層預(yù)抽時(shí)間，煤層達(dá)不到消突的目的，還直接造成礦井采掘接替緊張，甚至在巷道掘進(jìn)過程中，時(shí)常造成瓦斯?jié)舛瘸蓿o瓦斯管理帶來較大的困難。礦井還先后嘗試各種傳統(tǒng)強(qiáng)化瓦斯抽采措施，都沒有達(dá)到效果。為此，在該礦312瓦斯抽放巷(底抽巷)進(jìn)行穿層高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)及鉆孔布置如圖4所示。

3.2 煤層殘余瓦斯含量

在煤層內(nèi)注入高壓水進(jìn)行壓裂，并注氣驅(qū)替后，在多個(gè)點(diǎn)取樣測(cè)試了煤層的殘余瓦斯含量，殘余瓦斯含量的測(cè)試采用直接法(《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法(GB/T23250-2009)》)。在圖4(a)所示的8號(hào)和9號(hào)鉆孔之間、12號(hào)和13號(hào)鉆孔之間及13號(hào)和14號(hào)鉆孔之間均勻布孔取樣。另外，在試驗(yàn)區(qū)域重新測(cè)定了煤層的原始瓦斯含量為9.03 m3/t。取樣點(diǎn)相對(duì)比較集中的原因是避免因?yàn)橥咚官x存差異造成的誤差，測(cè)試獲得的殘余瓦斯含量如圖5所示。

從圖5可以看出，大部分區(qū)域的殘余瓦斯含量降低到了原始瓦斯含量(9.03 m3/t)以下，也都低于7 m3/t，除了一個(gè)測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量為10.51 m3/t(該測(cè)點(diǎn)位于12號(hào)和13號(hào)鉆孔中間)。推測(cè)可能是瓦斯在高壓氣水的推動(dòng)下，集中運(yùn)移到該位置，使該處的瓦斯含量升高，而在后期降壓排采的過程中，抽采影響半徑未到達(dá)該區(qū)域，使其殘余瓦斯含量較高。其他幾個(gè)鉆孔測(cè)試獲得的瓦斯含量都較低，最低的甚至降至1.75 m3/t。煤層瓦斯含量總體降幅在25.14%～80.62%(未考察瓦斯含量升高的異常點(diǎn))，平均降幅53.17%，這是以往其他單一預(yù)抽技術(shù)措施都很難達(dá)到的效果。

圖4 高壓氣水混壓施工地點(diǎn)及鉆孔剖面示意圖

3.3 瓦斯抽采流量和濃度

(1)年度抽采流量對(duì)比。采取高壓氣水混壓措施后，2018年1-12月瓦斯抽采流量和濃度變化情況如圖6所示。312瓦斯抽放巷實(shí)施高壓氣水混壓措施后，瓦斯抽放濃度一直穩(wěn)定在45%以上，最高62%；瓦斯抽放量最高4.9 m3/min，并穩(wěn)定不衰減。

(2)單孔流量對(duì)比。2017年10月和12月采取措施前后平均單孔瓦斯抽采純量對(duì)比如圖7所示。2017年10月，在對(duì)312瓦斯抽放巷施工的壓裂孔壓裂前，通過膜式煤氣表和高濃度瓦檢器實(shí)測(cè)，平均單孔抽放量測(cè)試為2.43 L/min，平均抽采濃度為31.3%。采取高壓氣水混壓后，2017年12月份測(cè)試獲得平均單孔抽放量為13.53 L/min，平均抽采濃度為49.7%。2018年4-6月再次通過膜式煤氣表和高濃度瓦檢器進(jìn)行檢測(cè)，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)平均單孔抽放量測(cè)試為6.45 L/min，抽放濃度為47.6%，比312瓦斯抽放巷高壓氣水混壓前的單孔瓦斯抽采純量增加了2.65倍，抽放濃度增加了16.3%。

圖6 瓦斯抽采流量和濃度演化情況

圖7 采取措施前后平均單孔抽采純量對(duì)比(2017年)

圖8 2018年4-6月平均單孔抽采純量變化趨勢(shì)

(3)礦井瓦斯抽采總流量。礦井通過實(shí)施氣水混壓增透技術(shù)后，單孔抽放流量、濃度均得到提升，目前礦井抽采純量達(dá)到10.03 m3/min；抽放濃度達(dá)到35%以上，最高達(dá)到41%，較2017年同期相比，抽采濃度增長(zhǎng)了32.4%，2018年礦井瓦斯抽采總量較2017年同期增長(zhǎng)了50.2%。礦井瓦斯抽采濃度的提升，還可以為高濃度瓦斯的利用提供潛在基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)提出了高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯技術(shù)的技術(shù)原理，即高壓水的注入起到了破裂煤體的作用，為水分和瓦斯運(yùn)移提供通道，水分子潤(rùn)濕煤體進(jìn)入煤的孔隙內(nèi)通過競(jìng)爭(zhēng)吸附置換瓦斯，最后注入高壓空氣可以提高混相介質(zhì)的運(yùn)移效率，并起到煤體孔裂隙解堵的作用。

(2)研發(fā)了高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯技術(shù)配套工藝及裝備，主要裝備包括乳化液泵、空壓機(jī)、高壓增壓機(jī)、壓力表、卸壓閥、單向閥、高壓膠管及相關(guān)裝置連接接頭等，主要技術(shù)工藝包括6個(gè)核心步驟。

(3)在四川綠水洞煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，平均單孔瓦斯抽采純量從2.43 L/min提高到6.45 L/min，增加了2.65倍，平均抽采濃度從31.3%提高到47.6%，增加了16.3%。煤層瓦斯含量總體降幅在25.14%～80.62%，平均降幅53.17%，取得了顯著的效果。

目前雖然已初步探索出了高壓氣水混壓增透驅(qū)替瓦斯技術(shù)工藝和裝備，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施取得了較好的初步效果，但是由于該技術(shù)是國(guó)內(nèi)外所做的首次嘗試，很多基礎(chǔ)理論、設(shè)備工藝參數(shù)以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)等問題今后還需要深入研究。