王公達(dá)，陳善文，孫 峰，趙 晶，楊 鑫，宋 鑫

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 2.煤炭資源高效開(kāi)采和潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013;3.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西 河津 043300; 4.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

瓦斯抽采是防治瓦斯的根本途徑，需要注意的是，我國(guó)95%的開(kāi)采煤層屬于低滲煤層，常規(guī)鉆孔抽采很難在規(guī)定時(shí)間內(nèi)抽采達(dá)標(biāo)，需要通過(guò)各種技術(shù)手段增大煤層滲透率，其中尤以采動(dòng)卸壓增滲效果最為顯著[1-2]，對(duì)于無(wú)采動(dòng)卸壓開(kāi)采條件的單一低滲煤層，必須采取其他人工強(qiáng)制增滲措施?？紤]破煤介質(zhì)的差異，大體可以分為水力化增滲技術(shù)與爆破增滲技術(shù)[3-7]兩大類，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用后，在國(guó)內(nèi)很多礦區(qū)取得了較好的效果。然而我國(guó)煤層的特點(diǎn)是，除了滲透率較低外，其煤層瓦斯飽和度也較低，即使通過(guò)不同的技術(shù)手段，例如水力壓裂、水力割縫、預(yù)裂爆破、二氧化碳致裂爆破等，能夠一定程度上提高煤層滲透性，但較低的瓦斯飽和度仍使得瓦斯抽采迅速進(jìn)入衰竭期，瓦斯流動(dòng)力不足，煤體微孔隙內(nèi)仍然賦存大量瓦斯，從而大幅制約了瓦斯抽采效率?；诖?，從提高煤層瓦斯流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力、促進(jìn)孔隙瓦斯解吸的角度出發(fā)，引入了ECBM技術(shù)。

楊宏民[8]在煤礦開(kāi)展了注空氣促排、促抽以及注純氮?dú)獯倥诺墓こ淘囼?yàn)，結(jié)果表明，注氣后的鉆孔純甲烷流量較注氣前都有明顯提高。方志明[9]在井下開(kāi)展了注空氣驅(qū)替煤層氣的工程試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于現(xiàn)行單純抽采方法，注混合氣體驅(qū)替煤層瓦斯有較好的效果，驅(qū)替大幅提高了鉆孔瓦斯?jié)舛群土髁俊＠钤荹10]在汾西礦業(yè)集團(tuán)開(kāi)展了為期16 d的連續(xù)與間歇壓風(fēng)驅(qū)替試驗(yàn)，結(jié)果表明連續(xù)驅(qū)替提高了44.52%的瓦斯抽采量，間歇驅(qū)替提高了17.53%的抽采量，但間歇驅(qū)替的置換效率更高。

可以看出，目前井下注氣試驗(yàn)主要采用空氣作為注氣氣源，僅有楊宏民[8]開(kāi)展了井下注氮驅(qū)替的微型試驗(yàn)，試驗(yàn)全程采用高壓氮?dú)馄孔鳛闅庠矗⑶易鈺r(shí)間較短(不到40 min)。雖然井下配備完善的壓風(fēng)系統(tǒng)，可為低壓注氣提供穩(wěn)定的氣源，但是對(duì)于易自燃煤層，長(zhǎng)時(shí)間注入空氣存在引起煤體自燃的風(fēng)險(xiǎn)。與之相比較，氮?dú)獗旧砭褪且环N惰性氣體。除此之外，與二氧化碳、甲烷相比較，氮?dú)馐且环N弱吸附性氣體，誘導(dǎo)煤體突出的可能性很小。因此，從兼顧安全性及經(jīng)濟(jì)性角度綜合考慮，氮?dú)饪勺鳛槊旱V井下實(shí)施注氣強(qiáng)采技術(shù)的最優(yōu)氣體。

基于此，筆者提出了抽采衰竭期注氣增壓強(qiáng)采欠壓瓦斯技術(shù)。分析了注氣增壓強(qiáng)采技術(shù)作用機(jī)理，以建立的二元?dú)怏w對(duì)流數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，開(kāi)展了注氣強(qiáng)采瓦斯效果分析，并在澳大利亞Sydney Basin實(shí)施了持續(xù)注氮強(qiáng)采欠壓煤層瓦斯的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。上述研究為煤礦井下注氣強(qiáng)采技術(shù)的實(shí)施及推廣提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及理論基礎(chǔ)。

1 常規(guī)抽采的煤層瓦斯流動(dòng)原理

瓦斯災(zāi)害事故是礦井安全生產(chǎn)的主要危險(xiǎn)源之一，同時(shí)也是一種優(yōu)質(zhì)的潔凈能源。在煤炭開(kāi)采之前對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采，消除其突出危險(xiǎn)性且減少瓦斯異常涌出，并對(duì)瓦斯資源加以利用已經(jīng)成為了全球范圍內(nèi)通用的礦井瓦斯管理辦法。從煤層瓦斯流動(dòng)機(jī)理來(lái)說(shuō)，煤層是由基質(zhì)煤塊和塊間裂隙組成的雙重孔隙介質(zhì)，在煤田的煤化過(guò)程中產(chǎn)生的瓦斯分子主要以吸附的形態(tài)儲(chǔ)藏在基質(zhì)煤塊當(dāng)中，并和塊間裂隙中一定壓力的自由瓦斯達(dá)到相對(duì)平衡的狀態(tài)[6-7]，如圖1所示。

圖1 煤層瓦斯賦存與流動(dòng)的基本原理

抽采鉆孔可以深入煤層內(nèi)部，并在抽采負(fù)壓的作用下將鉆孔內(nèi)的氣體壓力保持在一個(gè)比較低的狀態(tài)，與鉆孔周邊煤體形成一定的瓦斯壓力梯度(壓力差)，促使塊間裂隙中的游離態(tài)瓦斯向抽采鉆孔流動(dòng)；隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，煤層裂隙中的瓦斯壓力逐漸降低，吸附態(tài)瓦斯與游離態(tài)瓦斯間的動(dòng)態(tài)平衡被打破，吸附態(tài)瓦斯發(fā)生解吸并從基質(zhì)煤塊向塊間裂隙中擴(kuò)散，對(duì)裂隙中的游離態(tài)瓦斯起到了補(bǔ)充(氣源)的作用。然而隨著抽采過(guò)程的進(jìn)行，煤層中的總體瓦斯含量不斷降低，煤層與鉆孔間的瓦斯壓力梯度也逐漸減小，瓦斯抽采純量不斷降低(圖2)。該過(guò)程可以歸納為以下3個(gè)特點(diǎn)：①瓦斯壓力梯度促使裂隙瓦斯向抽采鉆孔流動(dòng)并降低煤層整體瓦斯壓力；②瓦斯壓力降低使吸附態(tài)瓦斯發(fā)生解吸與擴(kuò)散，煤層整體瓦斯含量降低；③煤層滲透率決定了同等瓦斯壓力梯度下的氣體流動(dòng)速度。

圖2 煤層瓦斯抽采過(guò)程

由于我國(guó)大部分地區(qū)煤儲(chǔ)層的煤體強(qiáng)度都很低，不能形成聯(lián)通貫穿的大規(guī)模煤層裂隙，再加上煤層埋深較深，地應(yīng)力很大，使得煤儲(chǔ)層的滲透率較差。在大部分情況下，低滲透率是制約瓦斯抽采的主要因素，增透措施也成為了我國(guó)瓦斯相關(guān)研究領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。需要指出的是，煤層瓦斯壓力與煤層瓦斯含量之間的關(guān)系遵從著典型的Langmuir(郎格繆爾)曲線[8]，該曲線的擬合參數(shù)a和b反映了飽和吸附含量和1/2吸附量時(shí)的吸附壓力。以常見(jiàn)煤的吸附曲線為例(圖3)，其郎格繆爾吸附特征決定了即使抽采工作可以使煤層瓦斯壓力大幅下降，如以1 MPa下降至0.5 MPa為例，其煤層內(nèi)賦存的殘余瓦斯含量仍高達(dá)7 m3/t左右，抽采所降低的煤層瓦斯含量只有約2 m3/t。

圖3 煤等溫吸附曲線

從上述分析可以看出，只有將煤層瓦斯壓力降到一個(gè)極低的程度，才能大幅減少煤層瓦斯含量，從根本上消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性并減少掘進(jìn)與回采過(guò)程中的瓦斯涌出量。然而值得注意的是，隨著煤層瓦斯壓力的逐步降低，抽采煤體與抽采鉆孔間的瓦斯壓力梯度大幅度減小，進(jìn)而造成了“瓦斯流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力”不足，這是瓦斯抽采進(jìn)入衰竭期后的瓦斯純流量通常都會(huì)大幅度減少，但煤層瓦斯含量仍然居高不下的原因。

2 注氣增壓強(qiáng)采欠壓瓦斯原理

瓦斯抽采是“動(dòng)力”(瓦斯壓力)與“阻力”(煤層滲透率)共同作用的氣體流動(dòng)過(guò)程。單純地通過(guò)提高煤層滲透率來(lái)減小“阻力”已經(jīng)不能滿足瓦斯抽采快速降低煤層瓦斯含量的需要。從這種全新的視角出發(fā)，筆者提出了通過(guò)向煤層內(nèi)注入較高壓力的異元?dú)怏w，從而保持煤層內(nèi)氣體流動(dòng)“驅(qū)動(dòng)力”的抽采衰竭期注氣增壓強(qiáng)采欠壓瓦斯技術(shù)，如圖4所示。

圖4 注氣強(qiáng)采技術(shù)提升煤層瓦斯流動(dòng)動(dòng)力示意

此外，煤層滲透率實(shí)際上是由煤體裂隙剛度、外界應(yīng)力(垂直與水平地應(yīng)力)和煤層瓦斯壓力所共同決定的動(dòng)態(tài)變化參數(shù)。即外界應(yīng)力起到了壓縮煤體、減小煤層滲透率的作用，而瓦斯壓力起到了撐開(kāi)煤體、增大煤層滲透率的作用。在通常狀態(tài)下，隨著煤層瓦斯壓力的降低，不僅其流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力不足，煤層滲透率也會(huì)有一定幅度的降低。與之相反，通過(guò)向煤層內(nèi)注入較高壓力的氣體，除了促進(jìn)煤層氣體流動(dòng)的作用外，還能起到減小煤層所受的有效應(yīng)力(即外加應(yīng)力減去氣體壓力)，提高煤層滲透率的作用。

通過(guò)向煤層內(nèi)注入不會(huì)誘發(fā)突出的氣體，還能夠通過(guò)壓力作用對(duì)難以解吸和擴(kuò)散的瓦斯分子產(chǎn)生擠壓、置換的作用，通過(guò)置換作用提升煤層瓦斯的抽采效果。

綜上，抽采衰竭期注氣增壓強(qiáng)采欠壓瓦斯技術(shù)能夠起到促流、增透和置換的三重效果，在強(qiáng)化瓦斯抽采機(jī)理上具有非常明顯的優(yōu)越性。

3 注氣強(qiáng)采二元?dú)怏w對(duì)流數(shù)學(xué)模型

在注氣增壓強(qiáng)采欠壓瓦斯過(guò)程中，具備一定壓力的注入氣體，通過(guò)鉆孔或地面鉆井流入煤層裂隙中，與裂隙中原有的瓦斯相遇成為自由態(tài)的混合氣體，并在壓力梯度作用下向抽采鉆孔或煤層氣產(chǎn)出井流動(dòng)；由于孔隙中自由氣體與裂隙中自由氣體的濃度存在差異，在濃度梯度的作用下，原本孔隙中濃度較高的瓦斯向裂隙擴(kuò)散，裂隙中濃度較高的注入氣體向孔隙內(nèi)擴(kuò)散，并進(jìn)而促使了吸附的瓦斯發(fā)生解吸和注入氣體在孔隙中發(fā)生吸附。整個(gè)物理過(guò)程如圖5所示，其中，氣體狀態(tài)方程控制了孔隙和裂隙中的自由氣體狀態(tài)[9-12]；吸附解吸方程控制了基質(zhì)煤塊中氣體的吸附與解吸過(guò)程[13-14]；擴(kuò)散方程控制了孔隙-裂隙間自由氣體的擴(kuò)散過(guò)程[15-16]；在吸附膨脹應(yīng)變、裂隙中混合氣體壓力和煤體外加應(yīng)力共同作用下，Darcy流和Klinkenberg效應(yīng)共同控制了裂隙中自由氣體向自由面流動(dòng)的滲流過(guò)程；而將所有這些過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的，則分別是基質(zhì)煤塊和裂隙中流進(jìn)與流出氣體的質(zhì)量守恒[17-18]。考慮自由氣體狀態(tài)方程、吸附解吸與吸附膨脹方程、絕對(duì)滲透率方程與視滲透率方程，可推導(dǎo)基質(zhì)煤塊與塊間裂隙中的氣體質(zhì)量控制方程，其詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。

圖5 注氣強(qiáng)采煤層瓦斯的流動(dòng)過(guò)程與控制因素示意

通過(guò)數(shù)值模擬軟件，例如COMSOL multiphysics、CBM-SIM、COMET、SIMEDWin等，解算非線性方程組[19]可以得到隨著時(shí)間推移煤層中瓦斯和注入氣體摩爾濃度變化，并進(jìn)而計(jì)算煤層中的含量/壓力，注入和產(chǎn)出氣體總量，產(chǎn)出氣體組分等工程應(yīng)用中最為重要的數(shù)據(jù)。采用COMSOL multiphysics計(jì)算的注氣強(qiáng)采10 d后的煤層瓦斯含量變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 注氣強(qiáng)采瓦斯10 d后煤層瓦斯含量分布

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

筆者在澳大利亞Sydney Basin煤層工作面10 m×18 m區(qū)域開(kāi)展了抽采衰竭期注氣增壓強(qiáng)采欠壓瓦斯技術(shù)研究試驗(yàn)研究，鉆孔布置與現(xiàn)場(chǎng)情況如圖7、圖8所示。

圖7 澳大利亞Sydney Basin現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖8 澳大利亞Sydney Basin試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

以其中1組試驗(yàn)(10 m×18 m區(qū)域注氣強(qiáng)采)結(jié)果為例，注氣前后煤層瓦斯含量、瓦斯含量減少量與降幅見(jiàn)表1。相同時(shí)間條件下常規(guī)抽采瓦斯效果見(jiàn)表2，可以看出，注氣期間瓦斯含量減少量為5.28 m3/t，降幅73.90%，常規(guī)抽采期間瓦斯含量減少量為2.93 m3/t，降幅39.1%。結(jié)果表明，與常規(guī)抽采相比較，注氣強(qiáng)采能更有效降低煤層瓦斯含量，實(shí)現(xiàn)欠壓煤層的快速?gòu)?qiáng)采。

表1 注氣強(qiáng)采瓦斯含量變化

表2 常規(guī)抽采瓦斯含量變化

其常規(guī)抽采與注氣強(qiáng)采的鉆孔瓦斯流量對(duì)比曲線如圖9所示，圖中黑色線為注氣強(qiáng)采混合流量，紅色線為注氣強(qiáng)采瓦斯純量，青色線為常規(guī)抽采瓦斯純量。可以看出，注氣強(qiáng)采迅速提升了抽采瓦斯混合量與純量，在注氣后期，由于煤層中含有的基本都是封閉孔隙內(nèi)的不可解吸瓦斯，因此產(chǎn)量中瓦斯純量迅速下降。

圖9 注氣強(qiáng)采與常規(guī)抽采的鉆孔瓦斯流量對(duì)比

5 結(jié) 論

1)常規(guī)抽采只有將煤層瓦斯壓力降到一個(gè)極低的程度，才能大幅度減少煤層瓦斯含量，從根本上消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性并減少掘進(jìn)與回采過(guò)程中的瓦斯涌出量，但隨著煤層瓦斯壓力的逐步降低，抽采煤體與抽采鉆孔間的瓦斯壓力梯度大幅度減小，瓦斯流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力不足，抽采進(jìn)入衰竭期。

2)相較常規(guī)抽采，抽采衰竭期注氣增壓強(qiáng)采欠壓瓦斯技術(shù)能夠起到“促流”、“增透”和“置換”的三重效果，在強(qiáng)化瓦斯抽采機(jī)理上具有非常明顯的優(yōu)越性。

3)推導(dǎo)的注氣強(qiáng)采二元?dú)怏w對(duì)流數(shù)學(xué)模型考慮了自由氣體狀態(tài)方程、吸附解吸與吸附膨脹方程、絕對(duì)滲透率方程與視滲透率方程，以模型為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)算可以定量化預(yù)測(cè)注氣強(qiáng)采效果，具有非常重要的意義。

4)澳大利亞Sydney Basin的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，注氣強(qiáng)采能夠迅速提升抽采瓦斯混合量與純量，注氣期間瓦斯含量減少量為5.28 m3/t，降幅73.90%，常規(guī)抽采期間瓦斯含量減少量為2.93 m3/t，降幅39.1%。與常規(guī)抽采相比較，注氣強(qiáng)采能更有效提高煤層瓦斯抽采效果，大幅度減少了煤炭開(kāi)采過(guò)程中的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性及瓦斯異常涌出可能性。