1、1高瓦斯低透气性煤层抽采增透技术研究现状与发展方向摘 要：我国高瓦斯矿井所采煤层普遍为低透气性煤层，要对瓦斯充分抽采利用，必须研究增透技术。本文总结了高瓦斯低透气性煤层增透传统技术，研究了高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采及增透技术新进展，提出了瓦斯抽采及增透技术的研究方向。 关键词：低透气性煤层；瓦斯抽采；增透技术 0 引言 煤层气俗称“瓦斯” ，是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分，以吸附在煤基质颗粒表面为主，部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。一方面，煤矿开采是瓦斯涌出威胁着煤矿安全生产；另一方面，煤层气燃烧能产生大量的热，并且几乎不产生任何有毒有害的气体，是清洁能源。1m3 纯煤层气的热
2、值相当于 1.13kg 汽油、1.21kg 标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，所以它是非常好的燃料，可以用作工业燃料、生活燃料等，是 21 世纪具有重要战略资源的“绿色能源” 。不论是从煤矿开采安全的角度还是从能源利用的角度，都应在开采前或开采的同时对瓦斯进行抽采利用。但是我国 95%以上的高瓦斯矿井所开采的煤层都属于低透气性煤层，煤层的低透气性导致大部分煤层抽采困难，严重影响了瓦斯的抽采利用率，制约着这个清洁能源的开发利用的发展。所以，研究增加煤层的透气性的技术，从而加大瓦斯抽采率2是非常有必要的。 1 高瓦斯低透气性煤层增透技术研究现状 煤体透气性的影响因素主要有地应力、瓦
3、斯压力、孔隙裂隙结构等因素。为了增加煤层的透气性系数，国内外的许多研究人员从改变应力状态、卸压、增加孔裂隙发育程度等方面进行了不少探索，目前高瓦斯低透气性煤层增透技术大致有如下几种： 1.1 高瓦斯低透气性煤层增透传统技术 1.1.1 采动卸压增透技术 采动卸压增透技术主要是指利用临近煤层或临近区域开采、保护层开采，使本区域煤岩体或位于被保护层上、下层位的煤岩体受到采动的影响，煤岩体中应力应变状态和瓦斯压力参数发生变化，使煤体的渗透系数、煤体内瓦斯渗流速度、瓦斯涌出量剧增，导致瓦斯解吸，在孔裂隙中扩散渗流，从而为瓦斯抽采提供有利条件。保护层开采结合被保护层卸压瓦斯抽采已成为优先采用的区域性瓦斯
4、治理技术。另外还有利用采空区卸压增透，其原理都是煤体受采动扰动，造成应力重新分布，卸压，以达到增透的效果。 1.1.2 钻孔或造穴增透技术 利用钻孔等方法使煤岩体的某些区域形成一定的空洞，从而改变煤体应力状态，造成媒体内裂隙、孔隙的重新分布，使原有裂隙扩大、贯通或形成新的裂缝，以此提高媒体的透气性系数。比较传统的方法有钻孔卸压增透法，各项研究或工程实践根据实际开采和地质情况，采用不同的布孔方式，常采用的是密集布孔、网格式抽采、立体交叉、斜交与3垂直工作面结合等方法，各大科研机构和工程技术人员也进行了较为广泛的研究。 余长林1提出对于单一低透气性、高瓦斯煤层，采用斜交和垂直工作面布孔方式，经实践
5、证明可以达到增透，提高抽采率的效果。目前的研究和应用主要集中在各种布孔方式、不同孔径孔深、不同密集程度等的联合使用上。 另外，在钻孔的基础上进行掏穴或者称为造穴，通过二次扩孔的过程，对周围媒体进行再一次扰动，加大了煤体的膨胀变形，使卸压更加充分，从而使透气性进一步加大，增透效果更加显著。 蔡如法2等在底板巷穿层钻孔中进行了掏穴增透强化抽采技术试验。实践证明掏穴后钻孔中瓦斯浓度可以增长 56 倍，瓦斯抽采量明显增长，有些可以达到普通钻孔的 5 倍左右。掏穴增透强化抽采技术施工简单，不需要过多的仪器设备，但是效果很显著，为提高瓦斯抽采效果提供了一种行之有效的方法，值得推广应用。 1.1.3 高能液
6、体扰动致裂增透技术 此增透技术主要是利用注入高能液体扰动媒体，使应力场重新分布，煤体内的裂缝和裂隙的数量、长度、张开度均得到增加，增大了煤层内裂隙、裂缝和孔隙的连通面积，达到卸压进而改变煤层的透气性系数的目的。有关高能流体扰动卸压增透技术主要包括水力割缝、水力压裂、煤层注水、水力掏槽、水力扩孔、水力挤出以及后来兴起的高压磨料射流割缝等。 水力压裂是以水作为动力，使煤体裂隙畅通的一种措施。水力压裂4技术即是通过高压水的劈裂作用，使煤岩体中原有孔裂隙胀开、扩展和延伸，增加了煤体孔隙率，通过原有孔裂隙的延伸、扩展使裂隙之间联通，形成相互交织的裂隙网络，增加了瓦斯的扩散、渗流通道，形成更大范围的卸压区
7、域，煤体整体均匀卸压，吸附瓦斯快速解吸，致使煤体渗透率大大提高3。煤体卸压后，小部分瓦斯解吸随水流出煤体，大部分瓦斯通过钻孔抽出。水力致裂在井下保护煤层、单一突出危险煤层中大量使用，实践证明这种技术在这种煤层中提高储层渗透率效果显著，并且由于水力致裂技术的经济性和易操作性，使它成为在井下保护煤层、单一突出危险煤层中最常用的增透技术措施。 水力割缝是在减少钻孔数量的同时，在煤体中切割一定长度的扁平的裂缝，裂缝上面的煤体垮落后，煤体内应力重新分布，导致煤体内裂隙的数目、规模增加，使煤层达到较好的卸压和增透效果。大量实践证明，水力割缝措施可使煤层透气系数增加 12 个数量级，割缝区的钻孔瓦斯抽采量可
8、增加 12 倍4。由于水力割缝要求把钻孔之间割通，具有一定施工难度。有学者5通过分析煤层巷道煤与瓦斯突出机理，提出了整体卸压理念，开发了高压磨料射流割缝防突技术，并且在煤层巷道掘进工作面进行了实际应用。此法是在煤层开采过程中，利用高压磨料水射流对两侧的实体煤进行冲蚀、切割，随着切割的深入，在两侧煤体内形成一条扁平槽缝，槽缝具有一定的深度，被切割下来的煤体随水流带出钻孔外。通过射流割缝，钻孔内煤体的暴露面积增加，一方面槽缝周围的煤体在地压的作用下向槽缝空间移动，扩大了卸压和排瓦斯的范围；另一方面，从保护层角度考虑，槽缝就相当于开采了一层很薄的保5护层，从而层内自我解放，内部卸压，为煤体内瓦斯流动
9、和释放创造条件，增加了煤层的透气性 5。此技术有几大特点：首先是该技术可用于具有突出或冲击危险的煤层，使煤体得到充分和快速卸压、增透，提高抽采瓦斯的能力；同时还能将掘进面前方的更大区域的媒体中瓦斯和地应力进行快速释放，减少了掘进工作的危险性，使掘进工作环境更为安全；再次是它用水量相对较少、工艺简单、操作方便等；另外还可以减少用于消突的瓦斯排放钻孔的个数。所以它在技术上、安全上和经济上都具有实际应用价值。 1.1.4 控制爆破增透技术 利用深孔控制爆破技术使爆炸产生的爆生气体对煤体扰动，利用爆炸冲击波和爆炸应力波的动态冲击使煤体应力场重新分布，在爆破震裂、高压爆生气体和煤层原始瓦斯压力的尖劈致裂
10、的共同作用下，克服煤体强度及煤层地应力，使煤体内的裂缝和裂隙的数量、长度和张开度均得到增加，增大了煤体内裂缝、裂隙和孔隙的连通面积，从而改变煤体的透气性系数。如深孔聚能爆破增透技术、深孔松动爆破卸压增透技术、预裂爆破增透技术及水压爆破技术等。 深孔预裂爆破技术是除普通深孔以外，辅助以控制孔，实现爆炸孔之间、爆炸孔与控制孔之间及其周围煤体的定向预裂，从而达到卸压增透的效果。在实际应用和研究中，发现一般深孔爆破粉碎圈范围大而断裂带半径小，增透效果不足，目前也有用深孔聚能爆破和水压爆破，利用有聚能穴的装药方法和在聚能穴上安装聚能罩，或者在药柱和炮孔壁之间装水的方法，进一步增加径向裂隙个数和煤层渗透性
11、。 1.2 高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采及增透技术新进展 61.2.1 可控的煤与瓦斯突出开采技术 煤与瓦斯突出时会大量喷出瓦斯和粉煤流，虽然煤与瓦斯突出对煤矿开采来说是灾难，但是煤与瓦斯突出时的巨大能量其实是可以利用的，可以把灾难变成煤与瓦斯共采的一项技术，从“防治”改为“控制利用” 。煤与瓦斯突出的过程中瓦斯能粉碎煤体，使煤岩体发生破坏失稳和抛出，同时瞬间大量喷出瓦斯。煤与瓦斯突出的动力主要是煤体受地应力作用产生的弹性变形能和煤体内游离瓦斯的瓦斯膨胀能7。在低透气性高瓦斯煤层内瓦斯处于封闭状态，应力集中区的高压瓦斯是具备对外做功的瓦斯膨胀能，如果瞬间改变煤层内外的瓦斯压力差就可以使煤与瓦斯突
12、出；而注入气体保持煤层内外的压力差，使煤与瓦斯尽可能地连续发生突出，就可以连续抛出更为破碎的粉煤流，形成很大区域的卸压。如果这一过程能够得到很好控制，那么是可以利用这个煤层中瓦斯自有能力实现煤与瓦斯共采。但是目前的技术难题就是如何控制这一过程，如何回收突出的煤与瓦斯，这将是值得进一步深入研究的一项重大课题。1.2.2 超声激励增透开采技术 早在 20 世纪五、六十年代，美国和前苏联就开始了超声波处理油层的研究工作，并取得了良好的效果，但是超声波对低渗煤层增透机理研究较少。20 世纪 90 年代，鲜学福教授提出了利用可控功率超声波通过物理激励的办法来提高煤层气抽采率的理念。此后，国内众多学者为了
13、探讨超声波对低渗甲烷储层的增透机理研究，进行了不同地应力场、温度7场、静电场、交变电场、声场作用下不同煤质煤岩吸附甲烷特性和储层渗透特性的研究。任伟杰等8在空化理论基础上，通过一系列实验研究了功率超声对煤岩裂隙发育、发展、应力状态的改变以及对煤岩力学性能的影响；于永江、张春会等9-10从超声波机械效应和热效应的角度，采用理论和实验研究方法探讨了声场关键参数对煤层增透效果的影响，提出了功率超声损伤一机械震碎-热效应耦合的增透机理。国外Kawamura、Kawakata 等通过 CT 三维观测和 CT 射线观测对冰层中矿石岩样密度，花岗岩单轴和三轴受载过程的裂纹扩展过程进行观测11。这些研究结果都
14、证实了超声波可以达到增透的效果。 虽然超声激励煤层增透技术是一种不受甲烷储层地质条件和气源特性限制，具有普遍应用价值的增采技术，但由于煤岩致密和裂隙、孔隙度存在多尺度效应，甲烷解吸、渗流规律受储层介质尺度效应影响的增透促吸机理尚不明确11。所以探寻超声波增透机理，分析超声激励低渗透煤层前后变化规律，建立超声激励低渗储层煤层气运移理论，为设计适合工程现场的超声激励技术提供理论依据和实验基础，将是此技术将来的研究方向。 2 高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采增透技术发展方向 1）不断探索煤与瓦斯共采的技术，合理整合和改进现有增透技术，多种方法综合使用，分阶段、分区域合理布置，以达到最佳增透效果。 2）不断
15、探索煤与瓦斯突出等灾害发生机理，研究控制利用“灾害”的新理论、新技术、新方法，结合实际工程“变废为宝” ，以达到安全和高效的双赢。 83）不断探索其他领域已成熟技术在煤矿开采、瓦斯抽采和低透煤层增透等方面的应用，如超声激励增透技术等。 参考文献： 1 余长林.提高低透气性煤层钻孔抽放瓦斯量的途径J.煤矿安全，1999，05：35-36. 2 蔡如法，童校长.穿层钻孔掏穴增透强化抽采瓦斯技术研究J.安徽建筑工业学院学报（自然科学版） ，2011，04：47-50. 3 袁星旭，钟定云，董国福.水力压裂增透技术在 K_1 煤层掘进条带中的应用J.矿业安全与环保，2012，S1：39-41+44.
16、4 俞启香，周世宁.我国煤矿瓦斯抽放及 21 世纪展望A.中国煤炭学会（China Coal Society）.21 世纪中国煤炭工业第五次全国会员代表大会暨学术研讨会论文集C.中国煤炭学会（China Coal Society）：2001：7. 5 林柏泉，吕有厂，李宝玉，翟成.高压磨料射流割缝技术及其在防突工程中的应用J.煤炭学报，2007，09：959-963. 6 胡旭强.高压磨料水射流割缝卸压防突技术与应用J.中州煤炭，2013，07：98-100. 7 谢雄刚，冯涛，王永，黄寿元.煤与瓦斯突出过程中能量动态平衡J. 煤炭学报，2010，07：1120-1124. 8 任伟杰，袁旭东，潘一山.功率超声对煤岩力学性质影响的试验研究J.辽宁工程技术大学学报（自然科学版） ，2001，06：773-776. 9 于永江，张春会，王来贵. 超声波干扰提高煤层气抽放率的机9理J. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） ，2008，06：805-808. 10 张春会，李其廉，于永江，赵全胜. 功率超声致煤层瓦斯升温机理J. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） ，2009，04：525-528. 11 肖晓春，潘一山，吕祥锋，杨新乐.超声激励低渗煤层甲烷增透机理J.地球物理学报，2013，05：1726-1733.
