王公達，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.煤炭資源高效開采和潔凈利用國家重點實驗室，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95%的開采煤層屬于低滲煤層，常規(guī)鉆孔抽采很難在規(guī)定時間內(nèi)抽采達標(biāo)，需要通過各種技術(shù)手段增大煤層滲透率，其中尤以采動卸壓增滲效果最為顯著[1-2]，對于無采動卸壓開采條件的單一低滲煤層，必須采取其他人工強制增滲措施?？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)場試驗應(yīng)用后，在國內(nèi)很多礦區(qū)取得了較好的效果。然而我國煤層的特點是，除了滲透率較低外，其煤層瓦斯飽和度也較低，即使通過不同的技術(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入衰竭期，瓦斯流動力不足，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?；诖耍瑥奶岣呙簩油咚沽鲃域?qū)動力、促進孔隙瓦斯解吸的角度出發(fā)，引入了ECBM技術(shù)。

楊宏民[8]在煤礦開展了注空氣促排、促抽以及注純氮氣促排的工程試驗，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]在井下開展了注空氣驅(qū)替煤層氣的工程試驗，試驗結(jié)果表明，相對于現(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?。李元星[10]在汾西礦業(yè)集團開展了為期16 d的連續(xù)與間歇壓風(fēng)驅(qū)替試驗，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，目前井下注氣試驗主要采用空氣作為注氣氣源，僅有楊宏民[8]開展了井下注氮驅(qū)替的微型試驗，試驗全程采用高壓氮氣瓶作為氣源，并且注氣時間較短(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，但是對于易自燃煤層，長時間注入空氣存在引起煤體自燃的風(fēng)險。與之相比較，氮氣本身就是一種惰性氣體。除此之外，與二氧化碳、甲烷相比較，氮氣是一種弱吸附性氣體，誘導(dǎo)煤體突出的可能性很小。因此，從兼顧安全性及經(jīng)濟性角度綜合考慮，氮氣可作為煤礦井下實施注氣強采技術(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采欠壓瓦斯技術(shù)。分析了注氣增壓強采技術(shù)作用機理，以建立的二元氣體對流數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，開展了注氣強采瓦斯效果分析，并在澳大利亞Sydney Basin實施了持續(xù)注氮強采欠壓煤層瓦斯的現(xiàn)場試驗。上述研究為煤礦井下注氣強采技術(shù)的實施及推廣提供了實踐經(jīng)驗及理論基礎(chǔ)。

1 常規(guī)抽采的煤層瓦斯流動原理

瓦斯災(zāi)害事故是礦井安全生產(chǎn)的主要危險源之一，同時也是一種優(yōu)質(zhì)的潔凈能源。在煤炭開采之前對煤層瓦斯進行抽采，消除其突出危險性且減少瓦斯異常涌出，并對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。從煤層瓦斯流動機理來說，煤層是由基質(zhì)煤塊和塊間裂隙組成的雙重孔隙介質(zhì)，在煤田的煤化過程中產(chǎn)生的瓦斯分子主要以吸附的形態(tài)儲藏在基質(zhì)煤塊當(dāng)中，并和塊間裂隙中一定壓力的自由瓦斯達到相對平衡的狀態(tài)[6-7]，如圖1所示。

圖1 煤層瓦斯賦存與流動的基本原理

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；隨著抽采時間的延長，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散，對裂隙中的游離態(tài)瓦斯起到了補充(氣源)的作用。然而隨著抽采過程的進行，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)。該過程可以歸納為以下3個特點：①瓦斯壓力梯度促使裂隙瓦斯向抽采鉆孔流動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速度。

圖2 煤層瓦斯抽采過程

由于我國大部分地區(qū)煤儲層的煤體強度都很低，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瓦斯相關(guān)研究領(lǐng)域的研究重點。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吸附量時的吸附壓力。以常見煤的吸附曲線為例(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性并減少掘進與回采過程中的瓦斯涌出量。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，進而造成了“瓦斯流動驅(qū)動力”不足，這是瓦斯抽采進入衰竭期后的瓦斯純流量通常都會大幅度減少，但煤層瓦斯含量仍然居高不下的原因。

2 注氣增壓強采欠壓瓦斯原理

瓦斯抽采是“動力”(瓦斯壓力)與“阻力”(煤層滲透率)共同作用的氣體流動過程。單純地通過提高煤層滲透率來減小“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)，筆者提出了通過向煤層內(nèi)注入較高壓力的異元氣體，從而保持煤層內(nèi)氣體流動“驅(qū)動力”的抽采衰竭期注氣增壓強采欠壓瓦斯技術(shù)，如圖4所示。

圖4 注氣強采技術(shù)提升煤層瓦斯流動動力示意

此外，煤層滲透率實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，不僅其流動的驅(qū)動力不足，煤層滲透率也會有一定幅度的降低。與之相反，通過向煤層內(nèi)注入較高壓力的氣體，除了促進煤層氣體流動的作用外，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。

通過向煤層內(nèi)注入不會誘發(fā)突出的氣體，還能夠通過壓力作用對難以解吸和擴散的瓦斯分子產(chǎn)生擠壓、置換的作用，通過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，在強化瓦斯抽采機理上具有非常明顯的優(yōu)越性。

3 注氣強采二元氣體對流數(shù)學(xué)模型

在注氣增壓強采欠壓瓦斯過程中，具備一定壓力的注入氣體，通過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；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散，裂隙中濃度較高的注入氣體向孔隙內(nèi)擴散，并進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。整個物理過程如圖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程[13-14]；擴散方程控制了孔隙-裂隙間自由氣體的擴散過程[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的滲流過程；而將所有這些過程聯(lián)系起來的，則分別是基質(zhì)煤塊和裂隙中流進與流出氣體的質(zhì)量守恒[17-18]?？紤]自由氣體狀態(tài)方程、吸附解吸與吸附膨脹方程、絕對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)過程見文獻[19]。

圖5 注氣強采煤層瓦斯的流動過程與控制因素示意

通過數(shù)值模擬軟件，例如COMSOL multiphysics、CBM-SIM、COMET、SIMEDWin等，解算非線性方程組[19]可以得到隨著時間推移煤層中瓦斯和注入氣體摩爾濃度變化，并進而計算煤層中的含量/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計算的注氣強采10 d后的煤層瓦斯含量變化趨勢如圖6所示。

圖6 注氣強采瓦斯10 d后煤層瓦斯含量分布

4 現(xiàn)場應(yīng)用

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

圖7 澳大利亞Sydney Basin現(xiàn)場試驗設(shè)計

圖8 澳大利亞Sydney Basin試驗現(xiàn)場照片

以其中1組試驗(10 m×18 m區(qū)域注氣強采)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表1。相同時間條件下常規(guī)抽采瓦斯效果見表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，注氣強采能更有效降低煤層瓦斯含量，實現(xiàn)欠壓煤層的快速強采。

表1 注氣強采瓦斯含量變化

表2 常規(guī)抽采瓦斯含量變化

其常規(guī)抽采與注氣強采的鉆孔瓦斯流量對比曲線如圖9所示，圖中黑色線為注氣強采混合流量，紅色線為注氣強采瓦斯純量，青色線為常規(guī)抽采瓦斯純量?？梢钥闯觯鈴姴裳杆偬嵘顺椴赏咚够旌狭颗c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 注氣強采與常規(guī)抽采的鉆孔瓦斯流量對比

5 結(jié) 論

1)常規(guī)抽采只有將煤層瓦斯壓力降到一個極低的程度，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性并減少掘進與回采過程中的瓦斯涌出量，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，瓦斯流動驅(qū)動力不足，抽采進入衰竭期。

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

3)推導(dǎo)的注氣強采二元氣體對流數(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、絕對滲透率方程與視滲透率方程，以模型為基礎(chǔ)進行結(jié)算可以定量化預(yù)測注氣強采效果，具有非常重要的意義。

4)澳大利亞Sydney Basin的現(xiàn)場試驗表明，注氣強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，注氣強采能更有效提高煤層瓦斯抽采效果，大幅度減少了煤炭開采過程中的煤與瓦斯突出危險性及瓦斯異常涌出可能性。