含瓦斯煤體機械振動增透的應力機制初探

摘要：基于我國大部分煤層滲透率低、煤層瓦斯抽采效率低的現(xiàn)狀，對增加煤體滲透能力的多種技術進行了應力機制分析；分析表明，采用的多種技術的共同特點是降低煤體的有效應力，從而提高煤體的孔隙和裂隙發(fā)育程度，提高煤體的滲透能力。在理論分析和實驗研究的基礎上提出了聲頻振動波增透煤體的新思路，對防治煤礦瓦斯災害和提高煤層氣抽采率具有重要的參考價值。

關鍵詞：瓦斯；滲透率；聲波

中圖分類號：TD712文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0014-04

基金項目：國家自然科學基金資助項目（40972105）；安徽省高校自然科學研究資助項目（KJ2011B181）；宿州學院教授（博士）科研啟動基金資助項目（2011jb05）

作者簡介：李建樓（1973-），男，安徽宿州人，講師，博士，從事煤地質(zhì)與瓦斯地質(zhì)方面的研究。

中國目前的能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，煤炭分別占一次能源生產(chǎn)和消費總量的77%和70%。即使考慮技術進步和節(jié)能工藝的推廣應用，全國煤炭消費總量仍將呈現(xiàn)增長態(tài)勢，到2020年國內(nèi)煤炭消費需求總量將超過25億t。然而，隨著煤層開采深度的增加和開采速度的加快，煤礦安全事故時有發(fā)生，尤其是煤礦瓦斯災害嚴重。煤礦瓦斯災害給國家和人民的生命財產(chǎn)安全帶來巨大威脅，煤礦瓦斯災害防治始終關系到煤礦的安全高效生產(chǎn)。

煤礦瓦斯事故的發(fā)生與煤田地質(zhì)條件密切相關。我國大部分煤田構(gòu)造煤發(fā)育，原生孔隙和割理系統(tǒng)遭到破壞，后經(jīng)長期的地應力和地溫共同作用下重新壓實固結(jié)，構(gòu)造運動活動期產(chǎn)生的大量裂隙閉合，煤層透氣性降低，造成瓦斯抽采困難。因此，解決煤層透氣性的問題是瓦斯地質(zhì)災害防治和煤層氣開采的關鍵。

目前我國采用的煤層增透技術主要包括開采解放層、水力壓裂和深孔松動爆破，其它的增透技術仍處于試驗研究階段。

1煤體增透技術應力機制

1.1開采解放層提高滲透率的增透技術

煤礦開采煤層時，首先開采解放層，使被解放層煤體得到卸壓，煤體滲透性提高，從而促進瓦斯解吸。文獻[1]針對低透氣性、高吸附性、高瓦斯煤層群的安全高效開采技術難題，以淮南礦區(qū)為主要試驗基地，研究了卸壓開采采場內(nèi)巖層移動及應力場分布規(guī)律、裂隙場演化及分布規(guī)律、卸壓瓦斯運移規(guī)律等科學規(guī)律。現(xiàn)場資料表明，煤層開采后，周圍的煤巖層向采空區(qū)移動，采空區(qū)下方巖體向采空區(qū)膨脹開裂成裂隙，使得采空下方煤巖體應力釋放產(chǎn)生位移、透氣性增加、瓦斯壓力減小，煤體中瓦斯解吸。利用煤層群多層開采后對底板煤巖層產(chǎn)生重復卸壓膨脹增透效應。

該技術理論依據(jù)在實驗室中也得到了驗證，煤層瓦斯的滲透率與煤層壓力呈負相關關系，且按指數(shù)規(guī)律變化；隨著煤體固體骨架有效應力的降低，固體骨架發(fā)生顯著變形，通氣的有效裂隙和孔隙張開度增大，滲透率顯著增大[2-5]。

開采解放層是最經(jīng)濟的方法，在一定程度上增加了被解放層的滲透性，兩煤層之間的間距越大，其增透效應越為緩慢，在時效上可能滿足不了煤礦高效生產(chǎn)的要求。

1.2水力壓裂增透技術

水力壓裂技術是國內(nèi)外煤層氣井增產(chǎn)的主要手段，美國14000余口煤層氣井中90%以上的煤層通過水力壓裂改造獲得商業(yè)化產(chǎn)量；中國20余年的煤層氣勘探開發(fā)實踐中，幾乎所有產(chǎn)氣量1000m3/d以上的煤層氣井均經(jīng)過壓裂改造[6]。

新集煤層氣開發(fā)試驗區(qū)采用水力壓裂技術進行增透，獲得了單井最大日產(chǎn)氣量3278m3/d[7]。一些煤礦為防治煤與瓦斯突出，采用了水力壓裂技術增加含瓦斯煤體的滲透能力，在低透氣性突出煤層中起到了明顯的增透、消突、降塵作用。

新義礦西區(qū)首采工作面采用了水力沖孔卸壓增透措施，結(jié)果使瓦斯抽放率達到50%以上，煤層透氣系數(shù)擴大了近10倍[8]。義安礦某工作面采用水力壓裂后，抽放濃度達到壓裂前的19倍多，且壓裂后多個孔的總平均濃度是壓裂前的總平均濃度的5倍[9]。貴州省水城縣晉家沖煤礦采用高壓水射流技術進行了增透試驗，煤層瓦斯含量得到了降低[10]。四川某煤礦松軟煤層進行了高壓脈沖水射流增透試驗，大大提高了瓦斯抽采率[11]。

文獻[12]建立了煤層氣井水力壓裂壓力曲線分析模型，研究了有效應力影響下滲透率和孔隙度的變化對動態(tài)濾失系數(shù)的影響，結(jié)果表明：綜合濾失系數(shù)隨有效應力的減少而呈指數(shù)形式增加。

然而水力壓裂煤層氣開采法具有雙重作用，一方面增加了煤層的滲透性，便于瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)為游離態(tài)沿著滲流通道被采出；另一方面由于高壓水對煤層瓦斯的封堵作用，使得游離態(tài)轉(zhuǎn)為吸附態(tài)，并且滲流通道被水“封閉”，不利于瓦斯的采出，且已有的工業(yè)試驗證實注水后會降低煤層瓦斯的解吸率，對瓦斯的抽采產(chǎn)生負面的影響[13-16]。

1.3深孔松動爆破增透技術

深孔松動爆破增透技術利用煤層瓦斯壓力、炸藥爆炸產(chǎn)生的能量及控制孔的導向和補償作用，使煤體在預定的幾個方向形成能量和應力集中，使煤體原有裂隙得以擴展并產(chǎn)生新的裂隙，釋放煤體應力和瓦斯壓力。

爆破后，炮眼周圍煤體破裂、松動形成卸壓圈，工作面前方集中應力帶向煤體深部移動，消除了煤體結(jié)構(gòu)不均勻性，降低了能量梯度，從而達到治理煤層瓦斯突出的目的；同時，炮孔附近煤體瓦斯的排放及遷移進一步降低了煤體的應力水平，使得瓦斯的排放成為一個由近區(qū)到遠區(qū)的連續(xù)過程，煤層透氣性系數(shù)大大增加，提高了煤層瓦斯抽放效率[17-20]。

深孔松動爆破技術不僅適用于煤巷掘進，也可用在回采工作面[21]。

1.4超聲波增透技術

聲震法提高煤層氣抽采率的思想提出于二十世紀九十年代后期[22]，并在實驗室采用超聲波增加煤體滲透性、促進瓦斯解吸方面取得了創(chuàng)新性的理論成果。

試驗研究表明，功率超聲影響煤巖裂隙發(fā)育、發(fā)展、應力狀態(tài)的改變以及煤巖力學性能，煤巖在功率超聲振動作用下抗壓強度、彈性模量具有降低趨勢[23]。超聲波能夠增加煤的孔隙體積，提高煤層的滲透率；其主要作用機理有機械作用、激波作用、定向作用、熱效應、空化作用，使煤體產(chǎn)生微裂隙，改變煤體的孔隙結(jié)構(gòu)，降低甲烷氣體的粘度[24]。超聲波機械振動和熱效應的綜合作用降低了煤體有效應力，提高了煤體的滲透性，促進了瓦斯解吸和放散，且滲透率與平均有效應力呈負指數(shù)關系[25-26]。

分析認為，超聲波增透的力學機制是降低煤體有效應力，增加煤體裂隙，從而提高煤體的滲透能力。然而，超聲波是高頻機械波，在煤體這種低頻黏彈性介質(zhì)中傳播時，傳播距離短，振動能量損失大，在實際應用時存在很大的局限性。

2聲頻機械振動增透技術

綜合前述的煤體增透技術認為，裂隙的發(fā)育特征是決定煤體滲透性能的內(nèi)在因素，煤體的裂隙發(fā)育特征在應力場改變時產(chǎn)生相應的變化，通過改變煤體所在的應力場環(huán)境，有望改善煤體的滲透性能。順此思路，聲頻機械振動增透煤體的試驗研究得到開展。

聲波頻率（20～20000Hz）的機械振動增透技術與理論研究是一個新型的研究課題，它借鑒了地面低頻振動采油技術[27-29]和超聲波振動增透方面的研究成果。通過對煤體施加一定頻率周期性應力波，記錄振動過程中有效應力變化特征和測量煤體滲透速度大小等一系列過程，探討了有效應力和滲透速度之間的關系。試驗表明，聲波振動可以降低煤體有效應力、增加煤體滲透率，促進了瓦斯的解吸和放散[30-32]。聲頻機械振動采用的試驗裝置如圖1所示。

試驗采用的聲頻振動參數(shù)主要包括頻率、振幅以及振動持續(xù)時間，不同的振動條件對煤體產(chǎn)生不同的增透效果，從而產(chǎn)生不同的瓦斯解吸和放散效果。振動頻率與煤體固有頻率一致時，煤體可能發(fā)生“共振”，煤體將可能產(chǎn)生最佳的增透效果；聲波傳播過程中，能量發(fā)生衰減，頻率越高，衰減越快，傳播距離越短，不同頻率振動對煤層增透的空間范圍不同。高振幅的振動使質(zhì)點產(chǎn)生相對大的位移，能產(chǎn)生更強的振動效應。不同的振動持續(xù)時間，煤體裂隙發(fā)育的程度也可能不同。

煤礦大量微振監(jiān)測、瓦斯監(jiān)測和現(xiàn)場調(diào)查也表明，沖擊地壓伴隨著瓦斯的異常涌出[33]，這為聲頻機械振動增透技術理論提供了現(xiàn)實案例。

聲頻機械振動增透技術的優(yōu)勢是作用時間長度可人為控制，在周期性動荷載作用下，煤體不斷產(chǎn)生疲勞損傷，煤體裂隙持續(xù)發(fā)育，大大增加了煤體滲透率。

利用聲頻機械振動增加煤體滲透能力、促進瓦斯解吸與放散的研究目前仍局限于實驗室內(nèi)研究，工業(yè)性試驗研究剛剛起步。該基礎試驗研究對于煤礦井下開展聲頻振動波場增加煤體滲透能力的工業(yè)性試驗具有先導意義，對于提高瓦斯抽采效率、減少煤礦瓦斯災害、保障煤礦安全高效開采具有重要的現(xiàn)實意義。

3結(jié)語

綜合分析前述多種煤層增透技術認為，其共同的力學機制是通過降低煤體的有效應力，提高煤體的孔隙和裂隙發(fā)育程度，實現(xiàn)煤體滲透能力的提高。另外，隨著煤體增透技術理論研究的不斷深入，煤體增透技術的應用將可能由單一技術應用過渡到多種技術的綜合應用，煤層瓦斯抽采效率將不斷提高。

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（責任編輯：何學華，范君）