井下煤層注空氣強(qiáng)化瓦斯抽采效果試驗(yàn)研究*

孫 炳 興

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037）

0 前言

煤層注氣強(qiáng)化瓦斯抽采源于“氣驅(qū)油”技術(shù)，1995年，美國首先在圣胡安盆地進(jìn)行了CO2-ECBM現(xiàn)場試驗(yàn)[1]，煤層氣產(chǎn)量增加了1.5倍，采收率高達(dá)95%。此后，世界各國先后進(jìn)行了CO2-ECBM現(xiàn)場試驗(yàn)和相關(guān)理論研究[2-7]，證實(shí)注氣驅(qū)替煤層氣的可行性。2004年，我國在山西沁水盆地進(jìn)行了CO2-ECBM試驗(yàn)，也取得了良好的效果[8]。2006年，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所在平煤集團(tuán)八礦井下采用空氣進(jìn)行驅(qū)替煤層氣試驗(yàn)，證實(shí)了空氣驅(qū)替煤層氣技術(shù)的可行性[9]。2008-2010年，王兆豐、楊宏民[10-11]分別在沁水盆地陽泉礦區(qū)和重慶天府礦業(yè)公司進(jìn)行了井下煤體注氣強(qiáng)化抽采、快速消突的工業(yè)性試驗(yàn)，經(jīng)過2個(gè)多月的重復(fù)試驗(yàn)，抽采效率提高2～25倍，研究注氣強(qiáng)化瓦斯抽采對井下安全生產(chǎn)有重要意義。注氣強(qiáng)化瓦斯抽采理論是基于煤對不同氣體的吸附能力不同形成的，不少學(xué)者[12-14]研究了注CO2，N2，He置換驅(qū)替煤層瓦斯的機(jī)理和效應(yīng)，取得了一定結(jié)果，但對井下煤層注空氣強(qiáng)化瓦斯抽采的研究較少。

基于此，本文在豫西三軟低透煤層進(jìn)行注空氣試驗(yàn)，分析注氣前后壓力及瓦斯含量的變化，考察注空氣強(qiáng)化瓦斯抽采效果，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)礦井概況

試驗(yàn)礦井為河南大峪溝煤業(yè)集團(tuán)公司華泰煤礦，位于河南省鞏義市大峪溝鎮(zhèn)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬t/a，開采二-1煤層，突出礦井，礦井相對瓦斯涌出量為16.72 m3/t，絕對瓦斯涌出量為11.62 m3/min，煤層原始瓦斯含量7.17 m3/t。

礦井交通位置如圖1所示。

圖1 華泰煤礦交通位置示意圖

1.2 試驗(yàn)裝備

現(xiàn)場試驗(yàn)采用井下壓風(fēng)管路低壓注氣，注氣壓力為0.5 MPa，注氣系統(tǒng)如圖2所示，高壓管路耐壓10 MPa，管徑25 mm。

圖2 注氣系統(tǒng)布置示意圖

1.3 試驗(yàn)鉆孔布置方式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?組試驗(yàn)，一是注氣孔內(nèi)氣體壓力分布試驗(yàn)；二是注氣孔軸向和徑向注氣效果試驗(yàn)，鉆孔布置參數(shù)如圖3、圖4所示。

圖3 注氣鉆孔測壓布置示意圖

圖4 注氣置換/驅(qū)替試驗(yàn)鉆孔測試孔布置圖

1.4 試驗(yàn)步驟

1.4.1 孔內(nèi)注氣壓力測定步驟

1）施工注氣孔，在20、30、40、50m位置安裝紫銅套管，采用兩堵一注方式進(jìn)行封孔，封孔長度10m。

2）測定鉆孔氣體流量，30 min/次，不少于5次。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力表讀數(shù)。待流量穩(wěn)定后連接實(shí)驗(yàn)裝置。

4）注氣試驗(yàn)。實(shí)時(shí)觀測并記錄各測點(diǎn)氣體壓力。

5）關(guān)閉注氣控制閥門，通過卸壓閥緩慢釋放孔內(nèi)氣體，直到孔內(nèi)壓力降到0.1MPa。

1.4.2 注氣效果測定步驟

1）按設(shè)計(jì)施工鉆孔，并分段測試瓦斯含量和組分。

2）封孔24 h后，進(jìn)行注氣試驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄氣體壓力、流量、測試瓦斯?jié)舛取?/p>

3）流量穩(wěn)定后停止注氣，逐漸放氣至0.1 MPa。

4）注氣后，按設(shè)計(jì)測試瓦斯含量和組分。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 注氣孔內(nèi)氣體壓力分布規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)和試驗(yàn)步驟，分別記錄注氣孔不同深度氣體壓力，如圖5所示。

圖5 注氣后孔內(nèi)氣體壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

圖6 注氣后孔內(nèi)氣體壓力下降梯度隨時(shí)間變化規(guī)律

由圖5、6數(shù)據(jù)分析如下，注氣壓力由0.41 MPa上升到0.54 MPa，壓力梯度由0.44 MPa/100m下降到0.20 MPa/100m。注氣10 min，氣體壓力0.41 MPa，壓力梯度0.44 MPa/100 m；注氣孔內(nèi)平均氣壓為0.47 MPa，孔內(nèi)沿孔長壓力遞減梯度為0.32 MPa/100 m；注氣30 min后，注氣孔內(nèi)平均氣壓為0.53 MPa，孔內(nèi)沿孔長壓力遞減梯度為0.30 MPa/100 m；注氣40 min后，注氣孔內(nèi)平均氣壓為0.53 MPa，孔內(nèi)沿孔長壓力遞減梯度為0.22 MPa/100 m；注氣50 min后，注氣孔內(nèi)平均氣壓為0.54 MPa，孔內(nèi)沿孔長壓力遞減梯度為0.20 MPa/100m。

2.2 沿注氣孔不同深度注氣促排瓦斯效果分析

根據(jù)試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)和試驗(yàn)步驟，分別注氣結(jié)束12 h后，按設(shè)計(jì)施工測試鉆孔，取樣測試瓦斯含量和組分，測試分析結(jié)果如圖7、圖9所示。

圖7 注氣前后煤樣全組分瓦斯含量變化規(guī)律

圖8 注氣前后煤樣瓦斯含量變化規(guī)律

由圖7-9分析如下，距注氣孔0.5 m測試孔不同取樣深度瓦斯含量測試結(jié)果顯示，注氣前后，煤層瓦斯含量和組分都有大幅度的下降，下降的程度隨取樣深度逐漸減小，下降值為2.26～0.94m3/t，下降幅度為15%～38%。同時(shí)也反映出，注氣后時(shí)間足夠長，注源氣體不斷從煤層中解吸出來，不存在高壓氣體存留。

2.3 垂直注氣孔不同距離注氣影響范圍和效果

2.3.1 注期前后距注氣孔不同距離煤樣瓦斯含量變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)和試驗(yàn)步驟，注氣結(jié)束12 h后，施工測試鉆孔，孔深20 m，取樣測試瓦斯含量和組分，結(jié)果如圖10所示。

圖10 注氣前后煤樣瓦斯含量變化規(guī)律

由圖10可得出，注氣前后，距離注氣孔2 m范圍內(nèi)煤層瓦斯含量和組分均發(fā)生不同程度的下降，距注氣孔越近，下降的越多，下降比例都超過了25%。距注氣孔0.5～2.5 m，瓦斯含量平均下降2.47～1.58 m3/t。

2.3.2 垂直注氣孔方向不同距離測試孔瓦斯流量變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)和試驗(yàn)步驟，實(shí)時(shí)監(jiān)測排放鉆孔的流量，測試結(jié)果見圖11、圖12和表5。

圖11 距注氣孔不同距離的排放鉆孔流量變化規(guī)律

由圖11、圖12可以看出，垂直注氣孔方向2 m范圍內(nèi)，注氣后排放孔瓦斯流量增加近7倍，促排瓦斯效果明顯。

圖12 距注氣孔不同距離的排放鉆孔流量變化

3 結(jié)論

1）隨著注氣時(shí)間由10 min增長到50 min，注氣孔氣體壓力由0.41 MPa上升到0.54 MPa，沿孔長壓力遞減梯度每100 m由0.44 MPa下降到0.20 MPa；注氣孔氣體壓力與注氣時(shí)間成正比關(guān)系，沿孔長壓力遞減梯度與注氣時(shí)間成反比關(guān)系。

2）注氣前后，煤層瓦斯含量和組分都有大幅度的下降，下降值為2.26～0.94 m3/t，下降幅度為15%～38%，注氣強(qiáng)化瓦斯抽采效果明顯。

3）垂直注氣孔方向2 m范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量和組分均不同程度的下降，距注氣孔越近，下降的越多，注氣后排放孔瓦斯流量增加近7倍，促排瓦斯效果明顯。