瓦斯强化抽采措施的分析

季长江，蔺海晓，信 凯

（1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000;2.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000; 3.中国矿业大学 （北京）土地复垦与生态重建实验室，北京 100083）

瓦斯强化抽采措施的分析

季长江1，蔺海晓2，信 凯3

（1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000;2.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000; 3.中国矿业大学 （北京）土地复垦与生态重建实验室，北京 100083）

根据国内外的研究与实验，目前主要的瓦斯抽采措施有:水力压裂、高压水射流扩孔、水力割缝、深孔控制预裂爆破和水力挤出等技术。对目前各种强化抽采措施进行了归纳总结与对比分析研究，对各种增透方法进行了进一步的研究，有助高效、合理地进行瓦斯治理和利用。

水力压裂;高压水射流;水力割缝;深孔控制预裂爆破;水力挤出

煤炭作为我国主要的能源支柱，在国家经济的快速发展中起着发动机的作用。在我国一次能源消费中，煤炭占70%左右［1］。随着目前矿井开采深度的增加，瓦斯含量和瓦斯压力也逐渐增大，导致瓦斯事故频发。如何解决煤矿生产中的瓦斯问题，是当前煤矿安全的首要任务。我国目前瓦斯防治措施概括起来可分为两大类［2］:一是增强矿井通风能力，将瓦斯稀释;二是强化抽放瓦斯的力度，降低煤层瓦斯含量。由于矿井通风能力有限，对煤矿瓦斯进行抽采能在根本上解决瓦斯问题。同时抽采出的瓦斯又可作为清洁能源，缓解我国由于天然气资源的严重不足所带来的能源供给紧张局面。

瓦斯抽采效果主要取决于被抽采层的煤层透气性，透气性越好，抽采效果越显著。我国的煤层普遍属于低渗透煤层，导致抽放效果不理想。我国煤层渗透率的范围一般在 （0.001～0.1）×10－3μm2［3］，中国渗透率最大的抚顺煤田，其渗透率在（0.54～3.8）×10－3μm2，比美国煤田的渗透率低2～3个数量级［4］。所以增加煤层裂隙范围和密度，从而增加煤层的透气性，是提高高瓦斯低渗透煤层瓦斯抽采效果的重要手段。

据国内外研究实验情况，目前对于高瓦斯低渗透性煤层的强化增透技术主要有:水力压裂、高压水射流扩孔、水力割缝、深孔控制预裂爆破和水力挤出等技术。

1 瓦斯强化抽采措施

1.1 水力压裂

水力压裂技术从1947年在美国堪萨斯州试验成功后，经历半个多世纪的发展，已广泛地应用于油、气田的开发中。近年来由于地面煤层气井的快速开发，水力压裂技术在煤层气井的压裂中也得到了越来越广泛的应用。其原理是将高黏度液体以远大于地层吸收能力的排量注入到井中，在井底附近，当压力超过地应力和地层抗张强度时，在地层中形成裂缝［5］。水力压裂技术主要以煤层气井达到抽采瓦斯的目的。从1953年美国圣胡安盆地的第一口煤层气试验井到现在，地面水力压裂工艺日渐成熟。特别是近年来在沁东南地区、铁法、寿阳等少数地区取得了不错的抽放效果和经济效益。

由于地面水力压裂施工规模较大，成本较高，同时对煤储层易造成不同程度的伤害。而且水力压裂对煤层顶、底板稳定性破坏力大，且施工抽采周期较长，所以不适用于正在生产煤矿的瓦斯抽采。

1.2 高压水射流扩孔

高压水射流扩孔技术是将一种可喷出高压水射流、自行旋转的扩孔射流器下到已施工的小钻孔中，对钻孔进行旋转切割，从而达到扩大钻孔直径增加钻孔附近煤体的暴露面积，将钻孔卸压范围和影响半径扩大，提高钻孔瓦斯抽放效果。该技术先后在芙蓉矿务局白皎煤矿、松藻矿务局打通二矿［6］，新庄孜矿［7］等地进行了试验。虽然高压水射流扩孔技术取得了一定的效果，但扩孔直径较小，一般不超过1m，卸压范围有限，同时下行孔的排渣问题也很难得到有效地解决。

1.3 水力割缝

水力割缝技术是在已有的钻孔内，采用高压水射流对钻孔两侧的煤体进行切割，在煤体中形成一定深度的扁平缝槽，同时将切下来的煤块用水流带出孔外，在扁平缝槽周围的煤体应力得到局部释放、卸压，从而达到改善瓦斯的涌出通道，提高瓦斯抽采效率的目的［8］。水力割缝技术在一定程度上能使煤层局部应力重分布，取得一定的增透效果。但由于切割的裂缝宽度有限，一般只有30～50mm［9］。所以导致裂缝延伸长度和卸压范围有限，一般不超过4～10m［10］，增透效果也有限。

1.4 深孔控制预裂爆破

深孔控制预裂爆破技术是利用炸药爆炸的威力、瓦斯压力和控制孔的导向、补偿作用，使爆破孔和控制孔之间的原始径向裂隙先扩张，形成长裂缝，并形成大量的封闭贯通裂缝，同时产生新的裂隙，从而提高煤层的透气性，增加瓦斯排放量，缩短抽放时间［11］。其主要特点是爆破孔和控制孔相间排列，在炸药爆炸后，由于爆破孔附近辅助自由面——控制孔的存在，压缩应力波传到该自由面时，会使介质从自由面向里偏落，使裂隙进一步扩展延伸，增加裂隙区的范围，提高煤层的透气性［12］。多次的试验表明深孔控制预裂爆破在提高煤层透气性，增加煤层瓦斯抽放效率方面取得了一定的成效。但该技术受地应力、瓦斯压力、煤体坚固性、钻孔孔径和孔间距等诸多因素的影响。地应力大，不利于爆破裂隙的扩展、延伸;煤体坚固性对裂隙发展也有很大的影响;孔间距过大也不利于裂隙的延伸。综合以上因素，地应力、煤体坚固性、孔间距越小，瓦斯压力越大，越有利于裂隙的扩展。但在瓦斯压力较大的软煤中进行爆破又容易诱发突出。所以，深孔控制预裂爆破技术应用具有很大的局限性。

1.5 水力挤出

水力挤出技术目前多应用于有突出危险的煤层掘进作业之前，其基本机理是对掘进工作面前方的煤体进行注水，煤体在水流挤压作用下部分开裂，煤体整体向巷道有少量位移，同时部分瓦斯得到释放，因而会在前方煤体中形成一定的卸压、瓦斯排放区域，在该区域内可预防突出的发生［13］。我国于20世纪70年代由煤炭科学研究总院抚顺和重庆分院在湖南白沙、贵州六枝等矿区进行了试验研究，由于操作和安全管理较为复杂，该技术仅在回采工作面使用，而掘进工作面未能得到推广，近年来先后在焦作、鹤壁等矿区进行了掘进工作面试验，取得一定的成果［14］。但水力挤出技术有其明显先天性不足，由于其注水泵多选用额定压力较低的乳化液泵，其提供的注水压力过低。同时由于水力挤出施工的钻孔深度一般为8～10m，封孔深度一般为2.5～3m，导致其注水量一般也较低，在0.2m3左右［15］。所以注水形成的煤层裂隙有限，影响范围也较小，不能在很大程度上提高煤体的透气性，瓦斯释放的体积也有限。

2 结论

通过以上对现行几种强化抽采瓦斯技术的分析，水力压裂、高压水射流扩孔、水力割缝、深孔控制预裂爆破和水力挤出等技术都有其适用的条件，并对每种技术的优缺点进行了分析研究。地面水力压裂技术相对成熟，可以较为有效地改善煤层的透气性，在很大程度上解决煤层瓦斯突出问题，并提高煤层瓦斯的抽放效率，所以地面水力压裂是相对较为有效的强化瓦斯抽采技术。但由于其也具有一定的伤害性，局限性及排采周期长，所以探索全新的，针对低透气性突出煤层井下有效的瓦斯抽采技术迫在眉睫。

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Analysis of Methane Strengthening Drainage Measures

JIChang-jiang1，LIN Hai-xiao2，XIN Kai3

（1.Resources＆Environment School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China; 2.Civil Engineering School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China; 3.Land Rehabilitation and Ecological Rebuilding Laboratory，China University of Mining＆Technology（Beijing），Beijing100083，China）

Domestic and foreign document showed that currentmainmethane drainagemethods included hydro-fracture，high-pressure water jet，hydraulic cutting，deep-hole pre-splitting blasting and hydraulic extrusion.This paper compared and analyzed thesemethods，which was helpful for rational and high-efficient treating and utilizingmethane.

hydro-fracture;high-pressure water jet;hydraulic cutting;deep-hole pre-splitting blasting;hydraulic extrusion

TD712.6

A

1006-6225（2011）06-0006-02

2011－07－11

河南省重点学科项目 （509919）

季长江 （1986－），男，江苏徐州人，硕士，主要从事煤及煤层气的开采研究。

［责任编辑:王兴库］