張 一

(鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南省鄭州市，450000)

煤層透氣性差是我國(guó)煤層瓦斯賦存的普遍特征[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大部分地區(qū)礦井為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，其中95%以上高瓦斯和突出礦井所開(kāi)采的煤層為低透氣性煤層。煤層低滲透性是當(dāng)前制約我國(guó)瓦斯抽采的瓶頸問(wèn)題[2]。目前突出煤層采用的強(qiáng)化瓦斯抽采增透技術(shù)措施主要有水力壓裂[3]、高壓水射流割縫[4]、水力沖孔[5]、煤體致裂爆破[6]等，對(duì)應(yīng)于不同的煤層條件，上述技術(shù)措施均取得了一定的效果，但是每一種方法都有其局限性。鄭州礦區(qū)是我國(guó)典型的“三軟”煤層發(fā)育區(qū)，主采山西組二1煤，受滑動(dòng)構(gòu)造影響，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層破壞嚴(yán)重，煤體松軟、透氣性差，煤層滲透率為0.003～0.008 md。針對(duì)鄭州礦區(qū)“三軟”煤層瓦斯地質(zhì)特性，鄭煤集團(tuán)相繼在煤礦井下展開(kāi)水力沖孔、水力作業(yè)機(jī)鉆孔修復(fù)再利用、水力壓裂、水力割縫、深孔預(yù)裂爆破增透的試驗(yàn)與應(yīng)用。結(jié)果表明，穿層鉆孔水力沖孔增透卸壓技術(shù)對(duì)于“三軟”突出煤層瓦斯抽采和防治煤與瓦斯突出工作取得了較好的效果。隨著礦區(qū)淺部資源不斷枯竭，逐漸轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采，原巖應(yīng)力、瓦斯含量、地質(zhì)復(fù)雜程度逐漸增大，煤層透氣性更差，造成煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)程度更大，致使底板巖巷穿層鉆孔水力沖孔卸壓增透預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施遇到了困難和障礙。

近年來(lái)，受注氣增產(chǎn)天然氣技術(shù)的啟發(fā)，向煤層中注氣促抽煤層瓦斯逐漸被廣大科技工作者關(guān)注。尤其是應(yīng)用二氧化碳或氮?dú)?N2)驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)已成為世界性的研究熱點(diǎn)。國(guó)際上，相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)已經(jīng)在美國(guó)、澳大利亞和加拿大等國(guó)家開(kāi)展[7-9]。在國(guó)內(nèi)，不同學(xué)者對(duì)于二元?dú)怏w的置換吸附現(xiàn)象[10-11]、驅(qū)替過(guò)程的滲透率變化規(guī)律[12-13]和地面、井下驅(qū)替的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[14-16]也都開(kāi)展了很多研究，研究結(jié)果表明向煤層中注入氮?dú)饪善鸬矫黠@的促排/抽瓦斯效果。

通過(guò)歸納、分析前人井下注氮促抽瓦斯試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：注氣氣源均為壓縮空氣，N2濃度不超過(guò)80%；注氣壓力基本上在1 MPa、注氣時(shí)間較短，最長(zhǎng)不超過(guò)7 d。目前，隨著注氮促抽瓦斯技術(shù)效果愈發(fā)顯著，工程應(yīng)用愈來(lái)愈多，技術(shù)宏觀(guān)層面上呈現(xiàn)高純度、高壓力、長(zhǎng)時(shí)間的趨勢(shì)特性，大量的試驗(yàn)表現(xiàn)為注氮純度>80%、注氮壓力>1 MPa、注氮時(shí)長(zhǎng)>7 d，但對(duì)該現(xiàn)象尚沒(méi)有深入、細(xì)觀(guān)的試驗(yàn)和研究，為此筆者對(duì)長(zhǎng)時(shí)間高壓注入高純度氮?dú)獯俪?排瓦斯進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期進(jìn)一步完善注氣技術(shù)理論，彌補(bǔ)該技術(shù)在廣度和深度上的研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備與研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

高壓注氣系統(tǒng)由煤礦用螺桿式移動(dòng)空氣壓縮機(jī)(MLG28.8/1.25-220G)、井下移動(dòng)式制氮機(jī)(DM-600/10(L))、高壓膠管、氣體增壓泵、高壓儲(chǔ)氣罐等組成，如圖1所示。

圖1 高壓注氮試驗(yàn)裝置

1.2 研究方法

為避免采動(dòng)影響，注氣試驗(yàn)采用穿層孔注氣，試驗(yàn)地點(diǎn)在趙家寨煤礦石門(mén)揭煤工作面穿層排放孔和底板巖巷穿層抽采孔進(jìn)行，試驗(yàn)所用氣體為高純氮?dú)?97%)。注氣試驗(yàn)前，對(duì)試驗(yàn)孔定時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛群土髁?，測(cè)試氣體組分，試驗(yàn)過(guò)程中間隔12 h測(cè)試一組上述參數(shù)。試驗(yàn)共分3組，第1組試驗(yàn)間歇注氣對(duì)煤層瓦斯自然排放效果的影響，注氣壓力為1.5 MPa；第2組試驗(yàn)間歇注氣對(duì)不同間距抽采孔的影響，注氣壓力為2.5～4 MPa；第3組試驗(yàn)連續(xù)注氣對(duì)不同間距抽采孔的影響，注氣壓力為6 MPa，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，鉆孔布置如圖2和圖3所示。

圖2 石門(mén)揭煤工作面注氮促排瓦斯試驗(yàn)鉆孔布置

圖3 底板巖巷穿層鉆孔注氮促抽瓦斯試驗(yàn)鉆孔布置

表1 井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2018年1月-7月，通過(guò)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，得到了不同注氣壓力、不同鉆孔間距條件下注氣前后的瓦斯流量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，如圖4～圖6所示。

圖4 注氣壓力1.5 MPa時(shí)注氣前后各測(cè)試孔流量變化規(guī)律(2018年)

圖5 注氣壓力2.5～4 MPa時(shí)注氣前后各測(cè)試孔抽采效果對(duì)比(2018年)

圖6 注氣壓力6 MPa時(shí)注氣前后各測(cè)試孔抽采效果對(duì)比(2018年)

2.1 注氮驅(qū)替瓦斯效果分析

從圖4可以看出，注氣實(shí)施后，產(chǎn)1-1、產(chǎn)1-2號(hào)鉆孔混合氣體流量有大幅度提高，分別由原來(lái)的0.093 L/min和0.047 L/min增加到2.03 L/min和0.423 L/min，增長(zhǎng)幅度分別為21.8和9倍；其純瓦斯流量分別由原來(lái)的0.074 L/min和0.026 L/min增加到0.311 L/min和0.16 L/min，分別增加了4.2和6.2倍。一旦停止注氣，混合氣體流量開(kāi)始明顯下降，但仍高于注氣前自然排放流量。隨著注-產(chǎn)鉆孔間距的增大，產(chǎn)氣孔混合流量增幅更緩慢，第1次停注(間歇性注氣11 d)前，產(chǎn)1-1號(hào)鉆孔增幅14.3倍，產(chǎn)1-2鉆孔增幅3.8倍。產(chǎn)1-3號(hào)鉆孔混合流量在注氣前、后沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明1.5 MPa的壓力下，注氣有效影響半徑達(dá)不到3 m。通過(guò)多次測(cè)試的綜合分析得出：在1.5 MPa壓力下，試驗(yàn)煤層有效注氣半徑為2 m，注氣后總瓦斯排放量較常規(guī)排放量提高3倍以上，促排瓦斯效果明顯。

從圖5可以看出，注氣試驗(yàn)開(kāi)始后(初始注氣壓力為2.5 MPa)，抽2-1、抽2-2號(hào)孔混合流量和瓦斯純量均有顯著提升，一旦停止注氣，流量便開(kāi)始下降；第4次注氣(2018年8月25日到9月4日，注氣壓力由2.5 MPa上調(diào)到4 MPa)期間，隨著注氣壓力逐漸增大，混合流量呈現(xiàn)出正比例增大的趨勢(shì)，說(shuō)明混合流量的增長(zhǎng)幅度與注氣壓力呈正比關(guān)系。

從圖6可以看出，注氣實(shí)施后，抽3-1、抽3-2和抽3-3號(hào)孔混合流量和瓦斯純量迅速增大，2018年9月28日混合流量和瓦斯純量下降后趨于穩(wěn)定，至10月16日無(wú)明顯變化，抽3-4號(hào)鉆孔因封孔注漿過(guò)程中堵死未觀(guān)測(cè)到氣體流量。對(duì)比分析圖5和圖6可得，長(zhǎng)時(shí)邊注邊抽的注抽效果好于間歇注抽效果。通過(guò)多次測(cè)試的綜合分析得出：在6 MPa壓力下，試驗(yàn)煤層有效注氣半徑為6 m，注氣后瓦斯抽采純量提高6倍以上，促抽瓦斯效果顯著。

2.2 注氣前后煤層瓦斯含量及瓦斯組分變化

注氣前分別利用抽2-1、抽3-2號(hào)鉆孔取樣，注氣35 d后，用同樣的方法在距注氣孔同樣的距離處取樣，進(jìn)行煤樣現(xiàn)場(chǎng)解吸、實(shí)驗(yàn)室抽真空殘存量對(duì)比測(cè)定。結(jié)果表明：注氣后煤層瓦斯含量分別由7.56 cm3/g和8.52 cm3/g下降到5.06 cm3/g和6.38 cm3/g，降低幅度分別為33.07%和25.38%，其中注氣后煤樣解吸24 h后的殘存瓦斯含量分別降低了17.3%和16.1%，注氣前后煤層瓦斯含量及瓦斯組分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，注氣后瓦斯不再是CH4占絕大比例，CH4成分分別由93.74%和97.12%下降到82.64%和79.06%，相應(yīng)的N2成分有大幅度上升，分別由原來(lái)的1.25%和0.94%增加到7.28%和12.38%，這就從宏觀(guān)上證明了N2對(duì)CH4的置換作用。

表2 注氣前后煤層瓦斯含量及瓦斯組分測(cè)試結(jié)果

3 注氮驅(qū)替瓦斯分析

3.1 注氮驅(qū)替瓦斯機(jī)理

根據(jù)文獻(xiàn)2，在煤層連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)中，N2和CH4都表現(xiàn)為線(xiàn)性滲流作用，且以層流運(yùn)動(dòng)為主，符合達(dá)西(Darcy)定律，即：

(1)

式中：q——?dú)怏w總的滲流速度，m/s；

k——煤體的滲透率，m2；

μ——?dú)怏w組分的動(dòng)力粘性系數(shù)，N·S·m2；

p——總壓力，MPa；

▽——Hamilton算子，表示取其后面量的梯度。

當(dāng)游離瓦斯在煤體中流動(dòng)時(shí)，在瓦斯壓力梯度(壓力差)的驅(qū)使下向瓦斯壓力較低的暴露面(煤壁或鉆孔壁)流動(dòng)，隨著抽采過(guò)程的進(jìn)行，壓力梯度逐漸減小。當(dāng)瓦斯壓力梯度所提供的動(dòng)力不足以克服瓦斯流動(dòng)阻力時(shí)，煤層裂隙中的游離瓦斯就處于“停滯”狀態(tài)。高壓氮?dú)馔ㄟ^(guò)鉆孔被強(qiáng)制注入煤體后，增強(qiáng)了煤層內(nèi)本身流體(瓦斯+氮?dú)?的壓力，從而減小了煤層所受的有效應(yīng)力，增加了注氣端和析氣端的壓力梯度，即提供了滲流所需的能量，使滯留在裂隙中的瓦斯重新獲得了流動(dòng)動(dòng)力，如圖7所示。因此，氮?dú)庠诿簩恿严吨袑?duì)游離瓦斯實(shí)際上起到了“驅(qū)趕”的作用，增加了其流動(dòng)的動(dòng)力，使CH4被N2攜帶和運(yùn)載出來(lái)。

3.2 注-抽鉆孔布置分析

目前鄭煤集團(tuán)骨干突出礦井主要采用穿層鉆孔水力割縫增透卸壓技術(shù)作為區(qū)域瓦斯治理措施，鉆孔間距按6 m×6 m布置，平均抽采周期180 d。綜合上述底板巖巷穿層條帶孔注氮促抽瓦斯試驗(yàn)結(jié)果可知，在6 MPa壓力下，有效注氣半徑為6 m，即抽采鉆孔間距可按12 m×12 m布置，中間布置一排注氣鉆孔，瓦斯抽采期76 d。從本次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)可以得出，同樣消突范圍內(nèi)采用注氮驅(qū)替措施鉆孔工程量較采取水力割縫增透措施鉆孔工程量減少30%。

圖7 注氮驅(qū)替促抽瓦斯流動(dòng)動(dòng)力原理

3.3 經(jīng)濟(jì)分析

以走向長(zhǎng)度200 m、傾斜寬度65 m的煤巷條帶為例，采取穿層鉆孔水力割縫增透措施，按照鉆孔間距6 m×6 m布置，需要施工408個(gè)鉆孔，采取注氮驅(qū)替措施，按照鉆孔間距12 m×12 m布置，需要施工276個(gè)鉆孔，鉆孔平均孔深45 m。2種措施執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的費(fèi)用情況如圖8所示。

從圖8可以看出，同樣區(qū)域采取注氮驅(qū)替措施治理瓦斯所需費(fèi)用較采取水力割縫措施治理瓦斯所需費(fèi)用減少30%。

圖8 2種措施產(chǎn)生的費(fèi)用情況對(duì)比

4 結(jié)論

(1)煤層井下注氮驅(qū)替瓦斯試驗(yàn)表明，在注氣壓力為1.5 MPa時(shí)，注氣影響半徑不超過(guò)2 m。煤層注氮?dú)夂?，影響范圍?nèi)的排放瓦斯孔混合流量增加了9～21.8倍，純瓦斯流量增加了4.2～6.2倍，促排瓦斯效果明顯。

(2)井下穿層鉆孔注氣+抽采工藝措施的現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果表明，抽采孔混合流量的增長(zhǎng)幅度與注氣壓力呈正比關(guān)系，長(zhǎng)時(shí)邊注邊抽的注抽效果好于間歇注抽效果，在6 MPa壓力下，注氣有效半徑為6 m。注氣35 d后煤層瓦斯含量降低了25.38%，煤中解吸的氣體組分中，CH4濃度由97.12%下降到79.06%，N2濃度由0.94%增加到12.38%，從宏觀(guān)上證明了N2對(duì)煤中CH4的置換作用。

(3)在注氣壓力6 MPa，注氣有效半徑6 m條件下，同樣消突范圍內(nèi)采用注氮驅(qū)替措施鉆孔工程量較采取水力割縫增透措施鉆孔工程量減少30%，瓦斯治理費(fèi)用減少30%，預(yù)抽瓦斯達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短57%。