煤層瓦斯強(qiáng)化抽采水力增透技術(shù)綜述

郭孟志 許要濤 文要飛

摘要：由于我國(guó)大多數(shù)煤礦煤層透氣性都比較差，利用常規(guī)的瓦斯抽采技術(shù)，抽采純量和濃度偏低，嚴(yán)重影響了礦井正常生產(chǎn)，本文采用水力強(qiáng)化增透技術(shù)，增加煤體中的裂隙和孔隙，提高抽采濃度和抽采純量，使瓦斯抽采成本大大降低，保護(hù)了礦井的安全高效生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采；水力壓裂；強(qiáng)化抽采

引言

煤礦是我國(guó)主要能源之一。隨著煤礦的大量開采，礦井災(zāi)害也日益增加，煤礦安全生產(chǎn)的壓力也與日俱增。其中瓦斯事故是礦井災(zāi)害的主要事故之一。當(dāng)煤礦瓦斯與空氣混合并達(dá)到一定濃度時(shí)，容易發(fā)生爆炸事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，煤礦瓦斯也是一種可利用的清潔能源，其熱值是煤的2～5倍，可用于工業(yè)生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面。因此，進(jìn)行瓦斯抽采、降低煤礦瓦斯?jié)舛仁潜ＷC煤礦井下作業(yè)人員生命安全和煤礦安全生產(chǎn)的必要要求，也是開發(fā)利用新能源的需要。近年來，國(guó)家十分重視煤礦瓦斯的抽采利用，出臺(tái)了多項(xiàng)政策，鼓勵(lì)支持煤礦瓦斯的抽采利用工作。

一、我國(guó)煤層瓦斯抽采現(xiàn)狀

穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽煤體瓦斯是原始突出煤層

煤巷掘進(jìn)的主要防突措施，這些措施的應(yīng)用起到了一定的防突和綜合治理瓦斯效果。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于我國(guó)高瓦斯突出煤層透氣性低，原始煤層預(yù)抽瓦斯抽采半徑小，需采用密集鉆孔強(qiáng)化抽采才能達(dá)到防治煤與瓦斯突出規(guī)定的要求。煤層的透氣性是影響鉆孔抽采瓦斯效果的主要因素之一，對(duì)于低透氣性的高瓦斯煤層，采取切實(shí)有效的技術(shù)手段提高煤層的透氣性，是提高煤層瓦斯預(yù)抽效果的最佳途徑。多年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)層內(nèi)增大煤體透氣性進(jìn)行了大量的研究，如深孔預(yù)裂控制爆破，在爆破孔周圍形成壓縮粉碎圈和連通裂隙網(wǎng)；水力割縫，利用高壓水射流在煤層中切割水平裂縫，使原始煤層產(chǎn)生不均勻變形和破壞；水力沖孔，通過高壓水射流在煤體中沖出較大直徑的孔洞過程中排出大量瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，形成卸壓排放瓦斯區(qū)域；水力壓裂，通過鉆孔向煤層壓入水，使煤體裂隙暢通，以增大煤體透氣性，增加瓦斯排放量。目前被各礦區(qū)廣泛推廣應(yīng)用的卸壓增透措施有水力沖孔技術(shù)和水力壓裂技術(shù)，這兩項(xiàng)措施在不同煤層均取得較好的應(yīng)用效果，通過實(shí)施水力沖孔和水力壓裂措施，引起鉆孔周邊煤巖體應(yīng)力降低，卸壓增透，強(qiáng)化抽放效果。

二、強(qiáng)化抽采水力增透技術(shù)原理及應(yīng)用

（一）水力壓裂增透技術(shù)原理

水力壓裂通過以大于濾失速率向煤層中注入高壓水，最終在一定的范圍煤層內(nèi)形成大量裂縫，并溝通煤層原生和次生裂縫，提高煤層透氣性。在煤礦井下，受到設(shè)備排量限制，不能像地面水力壓裂實(shí)現(xiàn)大面積增透。多數(shù)情況下，水力壓裂的結(jié)果往往僅沿著最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生一條主裂縫，在垂直于最大主應(yīng)力方向的煤層通常得不到有效改造。這一點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)得到驗(yàn)證，主要表現(xiàn)為，壓裂鉆孔和最大主應(yīng)力方向附近鉆孔壓裂后抽采量有明顯提高，其余鉆孔抽采量提高幅度不大，甚至較壓裂前減小。水力沖孔利用高壓水射流的沖擊力，破壞、剝離作用范圍內(nèi)的煤體，在鉆孔周圍形成大的孔洞，孔洞周圍煤體在地應(yīng)力作用下向孔洞移動(dòng)，煤體膨脹變形，煤體得到充分卸壓，煤層透氣性大幅度增高，促進(jìn)瓦斯解吸和排放。然而，對(duì)于硬煤或者軟硬互層的煤層，水力沖孔往往不能有效破碎煤層致使增透效果大打折扣。水力壓沖將兩者結(jié)合起來，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，通過水力壓裂在煤層中形成主裂縫，形成瓦斯運(yùn)移高速通道，形成單元增透，并降低煤體強(qiáng)度。通過水力沖孔出煤卸壓，造成孔洞周圍煤體膨脹變形，增加裂縫數(shù)目；并借助水力沖孔誘導(dǎo)鉆孔噴孔，其周圍裂隙在高壓瓦斯作用下產(chǎn)生以拉伸為主的破壞，同時(shí)形成徑向引張裂隙、周緣引張裂隙、剪切裂隙和轉(zhuǎn)向裂隙。水力壓沖最終通過“水力壓裂單元增透，水力沖孔出煤卸壓”，在作用范圍內(nèi)形成多級(jí)裂隙體系，使煤層中縫網(wǎng)分布更加均勻，煤層透氣性得到最大程度的提高。

（二）穿層鉆孔孔群增透技術(shù)

穿層鉆孔孔群增透瓦斯抽采技術(shù)是在確保安全生產(chǎn)的前提下，對(duì)鉆孔施工順序進(jìn)行優(yōu)化的增透技術(shù)；在打鉆過程中采用高壓水力誘導(dǎo)噴孔，排出煤渣，促使孔群范圍內(nèi)形成多個(gè)噴孔孔洞；孔群范圍內(nèi)的煤體卸壓，煤體的透氣性增大，從而提升瓦斯抽采率。在底板巷道進(jìn)行網(wǎng)格式的上向穿層打鉆過程中，利用高壓水誘發(fā)鉆孔噴孔，在孔群范圍內(nèi)形成多個(gè)噴孔孔洞；孔群范圍內(nèi)煤體所受應(yīng)力重新分布，集中應(yīng)力對(duì)煤體造成破壞，并轉(zhuǎn)移到孔群作用范圍以外的煤體中；孔群范圍煤體裂隙經(jīng)過萌生、擴(kuò)展、貫通，向鄰近的噴孔孔洞發(fā)生膨脹變形，裂隙張開，瓦斯?jié)B流有效通道增大，孔群有效作用范圍內(nèi)煤體的滲透性增大。

（三）多重水力卸壓增透技術(shù)

從水力壓裂到水力沖孔再經(jīng)過孔間壓裂最后進(jìn)行二次水力沖孔的一系列卸壓技術(shù)稱為多重水力卸壓增透技術(shù)。首先實(shí)施高壓水力壓裂，然后在該區(qū)域內(nèi)采用水力沖孔技術(shù)，進(jìn)行水力壓裂后的煤體內(nèi)部裂隙發(fā)生擴(kuò)展，逐漸形成了裂隙網(wǎng)絡(luò)，再采用水力沖孔會(huì)增加瓦斯涌出量，由于孔內(nèi)鄰近煤體瓦斯壓力梯度較小，鉆孔周邊的煤體發(fā)生層狀剝離趨勢(shì)變緩，因而實(shí)施水力沖孔誘發(fā)孔內(nèi)突出的概率便會(huì)大大降低。在水力沖孔后進(jìn)行孔間煤體壓裂的主要方式是對(duì)部分鉆孔采用高壓注水壓裂，把注水孔的鄰近孔當(dāng)作自由孔，自由孔內(nèi)的空間可以作為鉆孔間煤體壓裂并產(chǎn)生位移的自由面。再次進(jìn)行高壓注水壓裂使鉆孔之間的煤體向水平方向發(fā)生膨脹變形，起到卸壓增透的作用。

結(jié)語

對(duì)于高瓦斯、低滲透性、構(gòu)造復(fù)雜的突出煤層，運(yùn)用傳統(tǒng)穿層鉆孔抽采瓦斯，存在孔徑變小、塌孔、抽采時(shí)間長(zhǎng)、抽采效率低的缺點(diǎn)，而穿層鉆孔水力噴射壓裂—沖洗卸壓強(qiáng)化技術(shù)能夠有效解決此類煤層的增透問題。通過高壓水射流切割煤體、高壓水力封堵壓裂和沖出煤粉卸壓等多種增透措施，可以在較大的影響范圍內(nèi)提高鉆孔的抽采瓦斯效果。對(duì)煤礦已經(jīng)聯(lián)抽但抽采量低下的穿層鉆孔進(jìn)行水力沖洗卸壓強(qiáng)化改造，提高抽采量。此類鉆孔強(qiáng)化作業(yè)需要根據(jù)已有鉆孔的情況設(shè)計(jì)合理的強(qiáng)化鉆孔布置和泵注程序，以最大限度地沖出煤粉，充分卸壓和疏通鉆孔為目標(biāo)。

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