浅析低透气性煤层瓦斯抽采技术研究现状

张宏杰

(山西天地王坡煤业有限公司,山西晋城 048000)

浅析低透气性煤层瓦斯抽采技术研究现状

张宏杰

(山西天地王坡煤业有限公司,山西晋城 048000)

针对我国绝大部分煤层属于低透气性煤层，瓦斯涌出量较少，瓦斯吸附程度高，抽采困难，论述和分析了低透气性煤层瓦斯抽采的高压磨料射流割缝强化抽采技术、水力压裂和深孔控制预裂爆破强化抽瓦斯技术等瓦斯抽采技术。给低透气性煤层瓦斯抽采提供了技术指导，解决矿区实际问题。研究低透气性煤层瓦斯抽采具有广阔的应用前景与价值。

瓦斯灾害 低透气性煤层 瓦斯抽放

低透气性煤层的瓦斯抽放是制约我国煤矿安全和高效生产的主要因素，也是制约我国煤层气开采的主要因素。随着我国煤矿开采深度的增加，地应力大、煤层瓦斯压力高、瓦斯含量大，因煤质松软、煤层的透气性变差，煤层瓦斯吸附能力高，通常从煤层中抽不出瓦斯，这一特点给煤层安全高效开采和煤层瓦斯抽采带来了困难[1]。

1 煤矿瓦斯抽采现状

我国煤层气开发有地面抽采和井下抽采两种方式。地面抽采技术主要包括地面标准井和地面采空区井抽采技术。井下抽采技术已应用于许多矿区，是现在和近期煤矿矿区煤层气开发的主要技术。煤层气的地面开发有两种途径：一种是抽采未开采煤层中的煤层气，另一种是抽采生产矿区内煤层气。我国自90年代开始试验和推广煤层气地面回收技术，到目前为止已取得长足的进展，但大规模商业化开发仍未取得突破性进展。

我国煤矿矿区煤层气的井下抽采起步较早，目前各种抽采技术已十分成熟，基本上处于世界领先水平，并已形成完整的井下抽采技术体系，适合各种地质条件的煤层气抽采。常用的井下抽采技术包括本煤层抽采、邻近层抽采、采空区抽采和综合抽采法。其中邻近层抽采利用工作面回风副巷布置钻场，钻场打在回采工作面所形成的裂隙带内并到达邻近层。邻近层卸压煤层气抽采法在全国得到了最广泛的应用。当邻近层瓦斯涌出量大于30m3/min的时候，采用该方法的抽放率可达到85%以上[3，4]。

2 低透气性煤层抽采过程中存在问题及分析

我国抽放率低的原因主要有以下几点：一是煤层基础条件差，透气性普遍较低，抽采困难，我国煤层80%是低透气性煤层，透气性系数低于0．01m2/(MPa2·d)，其显现特征是微孔隙、低渗透率、高吸附；二是我国煤层赋存特殊，煤层地质结构复杂三是有些矿井该建抽放系统而未建。小煤矿普遍没有瓦斯抽放系统，基本依靠井下通风排放，国有重点煤矿高瓦斯、高突矿井中，仍有没有建立抽放系统，即使一些工作较好的煤炭企业，其抽放利用也仍然处在较低的水平上，尚未从根本上控制瓦斯灾害；四是钻孔工程量少，有些矿井虽然建立了抽放系统，但对瓦斯抽放的认识不高，也缺乏相应的巷道和钻孔工程；五是抽放方法和工艺落后，一些重大技术难题尚未能得到解决，有些矿区缺乏对瓦斯抽放工艺方法的研究，尤其是采煤方法改变以后原有的抽放方法不能适应产量大、瓦斯涌出剧烈的特点，抽放效果差，难以满足安全生产的要求[2]。

3 低透气性煤层瓦斯抽采技术

几十年来，根据我国煤层地质条件和瓦斯赋存特点，不同的煤层，采取不同的抽采技术，比如我国开展技术包括：高压磨料射流割缝、深孔控制预裂爆破、水力压裂等。

3.1 高压磨料射流割缝强化抽采

对于单一煤层而言，只有在煤层内部采取措施，张开原有裂隙、产生新裂隙以及局部卸压，进而改善煤层内部瓦斯流动状况[3]。高压磨料射流割缝是对低透气性系数低、原始瓦斯含量大、有突出危险的煤层进行超前割缝。这种方法即是在煤层中先打钻孔，然后在钻孔内利用高压磨料射流对钻孔两侧的媒体进行切割，在钻孔两侧形成一条具有一定深度的扁平缝槽，利用水流将切割下来的煤体带到孔外。

采用高压磨料射流割缝措施后，首先增加了煤体的暴露面积，且扁平缝槽相当于在局部范围内开采了一层极薄的保护层，达到层内的自我解放，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件，其结果是缝槽上下的煤体在一定范围内得到较充分的卸压，增大了煤层的透气性，使缝槽周围的煤体向缝槽产生一定的移动，因而更加扩大了缝槽卸压、排放瓦斯的范围。

3.2 水力压裂

水力压裂的基本原理是通过钻孔将大量混入石英砂或其它支撑剂的高压液体压入油气储层，迫使储层破裂形成垂直或平行层面的裂缝，使支撑剂充满裂缝，以便在停止压裂后支撑住裂隙，利用压裂在钻孔周围造成大量裂缝以提高储层的渗透性。但由煤层构造复杂，煤质松软，常导致压裂的方向不易控制或支撑剂容易嵌入煤体，目压裂液进入煤体后不易排除，很难较大范围地提高煤层的透气性[4]。

3.3 旋转水射流扩孔强化抽采

旋转射流具有扩散角大，射程短，卷吸和掺混能力非常强，且存在回流区等特性[5]。旋转射流扩孔通过扩大钻孔直径，达到增加钻孔的煤层暴露面积和卸压范围，增加钻孔的抽排瓦斯量，提高钻孔的抽排效果，为提高低透气性煤层的瓦斯抽采效果和扩大防突起措施的效果提供了一个可行的技术途径。随着高压水旋转射流技术的不断革新，它在防突领域中的应用前景非常广阔。

3.4 深孔控制预裂爆破强化抽瓦斯技术

深孔控制预裂爆破强化抽放瓦斯技术实质是，在回采工作面的进、回风巷每隔一定距离，平行打一定深度的爆破孔，二者交替布置。利用压风装药器向爆破孔进行连续耦合装药。利用炸药的能量、瓦斯压力及控制孔的导向和补偿作用使煤体产生新的裂隙，并使原生裂隙得以扩展，从而提高煤层的透气性，达到提高抽放效果的目的[6]。

理论分析和现场试验表明：对于低透气性突出危险煤层，采用深孔预裂控制松动爆破能充分合理地利用炸药的爆炸能量，起到控制孔的导向与补偿作用；预裂爆破后使煤体中原生裂隙得以扩展，同时产生新的裂隙，较大地提高了煤层透气性，能有效降低或消除煤层突出危险性[7]。通过深孔预裂爆破产生了相互沟通的裂纹，再加上抽排系统，为松软低透气性煤层瓦斯抽采提供了一个较好的解决方案。

3.5 卸压区浅孔抽放技术

卸压区浅孔抽放瓦斯技术的机理是，将钻孔终孔打入应力集中区一定深度，使应力集中区内的瓦斯及其潜能得以释放，并增加卸压区宽度，从而降低或消除突出危险。极限平衡区煤体中的应力状态、瓦斯量大小，尤其是卸压区的长短及其承载能力，对煤与瓦斯突出影响较大。卸压区的存在，一方面使渗透性急剧提高，有利于瓦斯释放，另一方面在工作面与集中应力区之间构筑一道安全屏障。研究表明：卸压区的大小决定了煤体中储存的弹性潜能和瓦斯内能是否能够释放，突出是否能够形成，如果采掘面前方始终存在一定宽度的卸压区，就不会发生动力现象[8]。

3.6 本煤层定向长钻孔抽瓦斯技术

煤层定向长钻孔抽放瓦斯技术，对于单一煤层和低透气性煤层利用工作面回采产生的卸压效应，抽放工作面前方的卸压瓦斯以达到自我卸压、自我保护的目的。长钻孔成孔率高低的关键因素是钻孔的定向钻进技术，而采用合理的钻进参数和钻具组合，可使钻孔达到预定的终孔位置。煤层定向长钻孔的布置方式一般有两种，一种是沿回风巷迎工作面推进方向打斜交长钻孔，一种是平行工作面从腰巷(或在上山处)打垂直于工作面的长钻孔。煤层定向长钻孔成孔工艺与抽放瓦斯技术近几年在很多矿得到应用，并取得了较好的效果。

4 结语

我国低透气性煤层分布广、抽采困难，是煤炭企业普遍存在的技术难题，也是制约安全生产水平的主要因素及落实“先抽后采”瓦斯治理方针的瓶颈。根据最近几年一些瓦斯抽放技术的研发及现场应用，大大提高了低透气性煤层瓦斯抽放的效果及煤层气的利用率，尤其是高压磨料射流割缝等技术，在提高煤层透气性方面取得了显著效果。由此我们应积极探索及支持低渗透性煤层抽放新技术在矿区的实际应用，建立示范工程，为有效控制煤矿瓦斯事故提供技术支持。

[1]袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[2]马丕梁.我国煤矿抽放瓦斯现状及发展前景[J].煤矿安全,2007(3):48-51.

[3]林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].中国矿业大学出版社,2007,(2).

[4]赵岚,冯增朝,赵阳升,等.水力割缝提高低渗透率煤层的渗透性实验研究[J].太原理工大学学报,2001,32(2):109-111.

[5]许江,鲜学福.含瓦斯煤的力学特性的实验分析[J].重庆大学学报,1993,16(5)：26-32.

[6]魏国营,张书君,辛新平.突出煤层掘进面防突技术研究[J].中国安全科学学报.2005,15(6):100-104.

[7]蔡峰,刘泽功,张朝举,等.高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟[J].煤炭学报,2007,32(5):499-502.

[8]杨光军.扩孔卸压抽放在低透气性煤层石门揭煤中的运用[J].矿业安全与环保,2008,35(5):56-58.

张宏杰(1984-),男,2008年毕业于河南理工大学安全工程专业,现现任天地王坡煤业有限公司通防队队长兼通风部经理。