低滲透性煤層瓦斯治理技術研究

徐夢雅，趙 凱

（西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089）

煤炭作為我國的主要能源，在我國的能源結構中有著重要的位置。我國煤層普遍具有煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力高和滲透性低的特點，存在煤與瓦斯突出危險，給現場生產、人員生命和設施安全造成了嚴重威脅。在我國所有煤炭儲量中，厚煤層占比達到44%左右，厚煤層產煤率可達45%左右[1]。綜采放頂煤以其產量高、效率高、成本低等優(yōu)點，已成為當前厚煤層開采中的主要采煤方法。但隨著開采深度、瓦斯含量、壓力等指標的增加，大大增加了井下事故發(fā)生的概率。因此，高瓦斯綜放工作面瓦斯治理技術已成為我國煤礦亟待解決的難題。工程實踐表明，工作面推進過程中會引起煤層和巖石的移動或破壞，導致地應力釋放，所產生的裂縫會增加煤層的滲透率，促進瓦斯流動，引起工作面瓦斯集聚，進而引發(fā)嚴重安全事故[2]。因此，開展低滲煤層工作面瓦斯治理技術研究及其在安全開采中的應用顯得尤為重要。

1 應力和滲透性的基本理論分析

1.1 巖層的變形和滲透性

煤是一種天然裂縫性儲層，其滲透率受割理的流體傳導性和其他結構流體傳導性控制。研究表明，煤的滲透率對有效應力非常敏感，會隨著有效應力的釋放而增加。煤層開采后，頂板周圍的應力平衡將被破壞并進行重新分布，導致上覆巖層變形、破壞和移動。為有效控制頂板，諸多學者對開采煤層的上覆巖層進行了研究，如中國工程院提出了砌體梁模型和關鍵層理論[3]。而煤層頂板一般可分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[4]。

煤層裂隙是在煤巖分層中發(fā)育的一個原始斷裂系統，呈正交狀態(tài)或2組交叉。裂隙的主要特性包括長距離延伸和滲透性，且在斷裂面中存在間歇性延伸或終止，原始裂隙系統如圖1所示。

圖1 原始裂隙系統Fig.1 Primitive fissure system

裂隙是煤層滲透率的主要表現形式，也是抗拉強度的力學分界面。當受到水力裂縫作用時，會優(yōu)先出現煤層損傷，形成一個沿原始裂縫方向的滲透并發(fā)展成裂縫系統。而原始構造裂縫是指僅出現在煤層中且不會損壞頂板和底板的小型構造裂縫，通常為拉伸裂縫或充滿煤粉的滑動平面，垂直位移通常不明顯[5]。裂隙是在構造變形過程中形成的，可以是一組或多組，其方向主要由地質構造控制。

煤層垮落帶是由大小不一的巖石塊堆積在采空區(qū)中形成的，具有相對較高的滲透性。隨著工作面的推進，垮落帶由于上覆地層的塌陷而逐漸被壓實，但達不到原始體積大小，存在大量的連通裂縫[6]。根據裂縫的連通性，垮落帶可分為貫通裂縫帶（滲透率較好）和非貫通裂縫帶（滲透率相對較差）。因此，為了進行瓦斯的高效抽采，應在貫通裂縫帶鉆孔。

1.2 煤層應力再分布及滲透性

隨著工作面的推進，工作面前部的應力變化會重新分布，引起巖體的各種變形。上覆巖層所受的重力由液壓支柱進行支撐，而在采空區(qū)頂部上方應力會降低，工作面周圍的應力則會增加。工作面周圍應力重新分布會導致煤巖被拉伸或壓縮，從而發(fā)生變形和破裂。根據高位鉆孔坡面分布情況（圖2），工作面附近區(qū)域可劃分為5個區(qū)域：原巖應力區(qū)、應力增高區(qū)、應力集中區(qū)、卸壓區(qū)和重新壓實區(qū)[7]。對于原始煤層而言，煤巖體中存在豐富的原生裂縫，且煤巖體中的滲透率和流體流動模式對應力大小非常敏感。

圖2 高位煤層鉆孔剖面Fig.2 Drilling section of high coal seam

隨著應力的增加，裂縫會縮小，而當應力減小時，裂縫會擴大。從圖2可以看出，在開采過程中，工作面煤層應力會出現明顯的集中和釋放過程，靠近工作面的煤壁上的應力較小，但在煤層內部應力很高[8]。在支承應力重新分布和演變的作用下，工作面前部煤巖發(fā)生了壓縮和膨脹過程，應力場的運動導致煤層裂縫的形成和發(fā)展。另一方面，當煤以各向異性方式斷裂時，會在煤中形成次生裂縫。煤巖的局部應力場、非均質性和裂縫界面共同決定了裂縫的擴展、偏轉，從而決定了其滲透率的大小。

1.3 裂隙帶瓦斯聚集特征

隨著工作面的推進，本煤層及鄰近層的瓦斯將在裂隙帶內聚集。對于彎曲下沉帶，由于形成了大量的橫向裂隙，其穿透性也明顯增加，來自鄰近煤層的瓦斯會沿著裂隙通道轉移到本煤層中[9]。此外，隨著工作面的不斷推進，裂隙帶和彎曲下沉帶會不斷變化。特別是采用U型通風系統的工作面，在風流壓力下，采空區(qū)的瓦斯往往會集中在工作面上隅角區(qū)域，引起上隅角瓦斯超限。因此，加強對工作面上隅角瓦斯的治理十分重要。

2 瓦斯治理技術

2.1 工程概況

以某礦5號煤層為工程背景，煤層厚5.8～13.0 m，為可開采的主要煤層之一。5號煤層為單斜構造，平均傾角約12°，受構造應力作用，煤層松軟、易碎裂[10]。5號煤層的51109工作面采用綜采放頂煤采煤法，通風方式為U型通風。煤層頂底板巖性如圖3所示。

圖3 煤層巖性結構示意Fig.3 Schematic of the lithological structure of the coal seam

2.2 水力壓裂技術

（1）壓裂設備。水力壓裂采用以下裝備及材料：BYW315/55 型泵組、壓裂封孔管、高壓膠管、高壓閥門、高精度光學瓦檢儀、鉆機、壓裂鉆孔封孔水泥、注漿管、抽放管路、孔板流量計、壓差計、礦用電纜 （ 泵組315 kW）、瓦斯抽采管等[11]。

（2）水力壓裂鉆孔布設。根據煤層地質情況及51109工作面實際生產情況，選定位于終采線120 m處為研究區(qū)域。水力壓裂試驗鉆孔的壓裂半徑設計為15、20 m。水力壓裂孔設在51109工作面回風巷道內，孔徑為89 mm，深度為180 m。在第1組壓裂試驗中，沿工作面51109的回風巷道內設置15 m的壓裂半徑，建造3個斷裂孔（壓1號—壓3號）；在第2組壓裂試驗中，沿51109工作面回風巷道按20 m的壓裂半徑設置3個壓裂孔（壓4號—壓6號）。為了研究壓裂設計參數在該壓裂過程中的有效性，第1組壓裂試驗在距離水力壓裂孔兩側15 m的位置，分別布設4個輔助孔（輔1號—輔4號）；在第2組斷裂試驗中，在距離壓裂孔兩側20 m處分別布設4個輔助孔（輔5號—輔8號）。51109工作面壓裂孔及輔助孔布置如圖4所示。

圖4 水力壓裂鉆孔布置Fig.4 Hydraulic fracturing drilling layout

2.3 水力壓裂瓦斯治理技術

煤層鉆孔完成水力壓裂，在掘進工作面或采煤工作面前方鉆孔，將1個或多個水力壓裂裝置送入鉆孔，用封孔器封孔后，從水力噴射閥噴出高壓水，使煤層破裂；然后退出壓裂管，封閉鉆孔、泵送或直接挖掘。水力壓裂施工中的幾個關鍵環(huán)節(jié)：①根據煤的力學特性優(yōu)化水力壓裂壓力（隨著煤強度的增加，水力壓裂壓力會增加）；②選擇煤體結構良好的分層鉆進，避免分層平順、塌孔堵塞；③壓裂鉆孔的軌跡應平直，孔壁應光滑，孔內應清潔少煤粉，以保證壓裂裝置的順利投料和拆除；④在壓裂裝置啟動和排放過程中，應對作業(yè)區(qū)域內的氣體濃度進行可靠監(jiān)測，以確保施工人員的安全；⑤裂縫鉆探深度設計為60～100 m，根據裂縫區(qū)天然氣地質條件和裂縫應用目的進行優(yōu)化；⑥裂隙后的引流和封堵非常重要，密封段應盡量避開裂縫段，以保證密封質量，提高抽采氣體的濃度和流量。

水力作用裂縫下的特點是持續(xù)時間長。水力壓縮時，破裂炸藥前部高壓沖擊范圍不形成穿孔地層，只形成一個大的裂縫陷阱。因此，水力裂壓的特征主要是生長裂縫和大型裂縫的圈閉，這是控制的關鍵因素之一，提高煤層低滲透氣體綜合管理效率。

2.4 瓦斯排放規(guī)律及其組成

通過對瓦斯氣體排放現象的大量觀察和統計，得出：5號煤層的瓦斯氣體排放具有以下顯著特征：①采煤機頂角和尾部排放的瓦斯量和濃度較高，瓦斯氣體濃度可高至2%左右。更重要的是，這一區(qū)域可能成為瓦斯氣體排放管理的盲區(qū)。②工作面的瓦斯氣體排放量和濃度呈周期性規(guī)律。受頂層塌落影響，剩余煤釋放大量瓦斯氣體，在短時間內排放到工作面，導致瓦斯氣體超標，報警信息持續(xù)提醒3～4 h。更嚴重的是，可能導致工作人員窒息。瓦斯分布情況如圖5所示?？梢钥闯?，采空區(qū)瓦斯氣體排放對工作面瓦斯氣體積累造成了嚴重的威脅。因此，采煤區(qū)瓦斯氣體釋放和應力的有效控制，對于工作面排放瓦斯氣體的管控至關重要。

圖5 瓦斯分布情況示意Fig.5 Gas distribution diagram

2.5 瓦斯控制技術方案

根據礦壓應力和裂縫的分布規(guī)律，選擇三維抽采技術方法對工作面進行綜合控制。該抽采方法包括長鉆孔、斜交叉鉆孔和上隅角柔性抽采管道，并結合水力壓裂。在山西某礦區(qū)實際地質條件的基礎上，采用FLAC3D軟件模擬，充分考慮到爆破的防火措施，在垂直方向上，鉆孔分別放置在塌陷區(qū)和斷裂區(qū)的交匯點；在水平方向上，鉆孔設置在回風巷道約15 m處，長鉆孔的分布如圖6所示。斜交叉鉆孔主要用于煤體排放瓦斯時的預抽采，同時用于排瓦斯。沿煤礦工作面方向，按一定間距、連續(xù)布置多個壓裂孔，不同鉆孔的裂縫釋放層的邊界相互重疊。

斜交叉鉆孔設置在煤壁方向，水平方向30°～35°，仰角15°～20°。這些排放瓦斯的鉆孔的長約50 m，孔的末端將鉆進到5號煤層的頂部約5 m處。為了減少上隅角瓦斯積聚，同時減少長鉆孔排放瓦斯的負擔，將幾根柔軟的瓦斯排放管插入采空區(qū)上部區(qū)域，如圖7所示。

3 工程應用

3.1 鉆孔和抽采系統的施工

在5號煤層頂部，采用VLD1000鉆孔系統鉆進長鉆孔，方向為工作面前進方向且平行于回風路。

圖6 三維壓裂裂縫方向示意Fig.6 Schematic diagram of 3D fracturing fracture direction

圖7 采空區(qū)抽放管技術治理瓦斯Fig.7 Gas control by technology of drainage pipe in goaf

由于研究區(qū)地質的影響，1號孔深度約648 m，2號孔深度約585 m，直徑為96 mm。與設計的孔洞軌跡相比，1號孔洞的水平偏差范圍為0.10～0.50 m，垂直偏差范圍為0.30～4.50 m；2號孔的水平偏差范圍為0.50～2.50 m，垂直偏差范圍為0.30～1.00 m。同時，分支孔在水平方向的偏差范圍為1.00 m左右，在垂直方向約為0.50 m。水力壓裂鉆孔按圖6施工，鉆孔末端將鉆入5號煤層頂部約5 m處，所有鉆孔均采用聚氨酯材料堵塞。

3.2 頂板損傷分析

為了防止水力壓裂技術對工作面頂板的破壞，確保工作面整體結構的完整性，在應用水力壓裂技術之前，應分析水力壓裂對頂板的損傷情況。首先，在煤層中央預制長度為10 m、縫高為 0.2 m 的水壓裂縫（圖8）；然后，在裂縫上下2個面上施加 20 MPa的壓應力，模擬水力壓裂過程以及泵壓通過水對裂縫面作用的情況。

圖8 水壓裂縫模擬布置方式Fig.8 Simulation layout of hydraulic fractures

模擬煤層厚度H分別為1、2、3、4、5 m，20 MPa注水壓力下水力壓裂過程中煤層頂板的損傷情況（圖9）。在注水壓力及地應力狀態(tài)一定的條件下，隨著高壓水不斷注入，水力壓裂區(qū)域頂板在受壓應力作用下，開始發(fā)生變形。隨著煤層厚度的增加，高壓水作用于煤層頂板的面積逐漸減小；壓裂區(qū)域邊緣處為水壓裂集中區(qū)域，煤層處于拉應力狀態(tài)，并且隨煤層厚度增加，拉應力逐漸減小，未達到煤層頂板的斷裂的極限，符合工程要求。

圖9 不同厚度煤層頂板損傷情況Fig.9 Roof damage of coal seam with different thickness

3.3 瓦斯抽采效果及分析

在本技術實施前，采用上隅角瓦斯派抽采法和沿煤層水平平行鉆進瓦斯鉆孔。由于煤層的滲透性較低，瓦斯抽采只能達到30%左右。在煤礦開采過程中，瓦斯排放明顯加強。

工作面局部瓦斯?jié)舛茸罡呖蛇_2%左右，嚴重影響煤礦安全開采。三維瓦斯抽放技術先后在山西某煤礦區(qū)51109、51105工作面應用，相應監(jiān)測數據如圖10所示。

圖10 瓦斯抽放監(jiān)測數據曲線Fig.10 Gas drainage monitoring data curve

與以往抽放技術對比，51109工作面總瓦斯抽采率由30%左右顯著提高至67.33%，51105工作面提升為76.44%?？梢钥闯?，在51109工作面和51105工作面的瓦斯抽采管理中，長鉆孔、斜交叉鉆孔抽放瓦斯的有效率為63.36%和72.69%。瓦斯抽放泵站監(jiān)測數據顯示，瓦斯凈抽采量約為4.20 m3/min，瓦斯抽放濃度維持在10%左右。該瓦斯抽放技術使巷道中的瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.0%大幅降低至0.3%左右（波動范圍為0.2%～0.4%），保障了井下煤礦的安全生產。

4 結語

煤礦開采需要有效的技術方法來控制瓦斯排放，以確保煤礦能夠安全生產。根據山西某煤層地質條件，結合開采裂縫發(fā)育和抽采瓦斯移動規(guī)律，提出了長鉆孔、斜交叉鉆孔和上隅角柔性抽采管道的綜合瓦斯抽采新方法，并在井下進行了工程實踐。與以往瓦斯抽采相比，總瓦斯抽采率由30%顯著提高至67.33%（51109工作面）和76.44%（51105工作面）。工作面通風空氣瓦斯?jié)舛却蠓陆?，下降?.3%左右，保障了井下煤礦安全生產，為煤礦企業(yè)瓦斯的治理提供了依據。