低透气性煤层蠕变预裂增透技术应用

刘威锋

(山西忻州神达能源集团有限公司，山西 忻州 034000)

0 引言

我国煤炭资源的赋存条件普遍具有煤层透气性低、瓦斯吸附性强、解吸速度慢等特点，使得瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难，给煤矿瓦斯抽采工作带来很大的困难[1-3]。因此低透气性煤层增透技术研究，一直是煤矿行业研究课题的热点与难点，且意义重大。目前强化增透技术主要包括保护层开采、密集钻孔、深孔预裂爆破、水力冲孔(割缝)、水力压裂等措施，但各有其适用性和局限性[4-6]。国电贵州煤业大湾煤矿地质条件复杂，煤层透气性差，目前所采取密集顺层钻孔瓦斯抽采的方式抽采率低，瓦斯抽放效果较差。为此，该矿与北京天地聚能采矿工程技术有限公司进行技术合作，首次采用高压脉动空气量子植入蠕变预裂增透技术进行煤层预裂，取得了较好成效，为瓦斯治理提供了一项新技术和新思路。

1 瓦斯概况及技术原理

1.1 瓦斯概况

大湾煤矿隶属国电贵州煤业投资有限公司，位于贵州省西部，设计生产能力90万t/a，经鉴定为煤与瓦斯突出矿井。目前主要开采11号煤层，其为突出煤层，煤的破坏类型为Ⅳ类，瓦斯含量13.73 m3/t，瓦斯压力1.8 MPa，坚固性系数0.36，透气性系数(均值)0.084 2 m2/(MPa2·d)，钻孔流量衰减系数(均值)0.060 4 d，属于较难抽采煤层。该煤层目前采取利用沿空留巷的顺槽布置密集顺层抽放钻孔抽采瓦斯。

1.2 技术原理

高压脉动空气量子植入蠕变预裂增透技术主要是以外力改变煤层内部物理结构、增加煤层裂隙为基本原理。首先向目标煤体施工预裂钻孔，然后利用地面空压机将空气压入钻孔，再利用高压脉动空气泵增压和减压，沿着煤层的裂隙和节理压迫煤体。膨胀的高压空气体作用在钻孔壁煤体上，煤体受力蠕变破碎[7-9]，原始裂隙得到扩展，为瓦斯流动创造通道，使煤层在高压脉动空气量子植入蠕变预裂范围内的煤层透气性系数明显提高，起到增加煤层透气性和渗透性的作用。该技术不仅利用压力间歇释放破碎贯穿煤层裂隙，还利用预留空孔释放压力置换瓦斯和诱发瓦斯溢出[10-12]，从而实现突出危险区域应力集中缓解，瓦斯抽放量大幅度提高，煤体松软度增加，达到煤矿安全快速抽采瓦斯和快速掘进的目的。

2 应用实例

2.1 现场应用

施工位置：2018年6月，国电贵州煤业大湾煤矿与北京天地聚能采矿工程技术有限公司进行技术合作，在21110综采工作面回风顺槽选取100 m长的一段进行现场施工试验。总计施工10个预裂钻孔，孔径均为110 mm，孔深65 m，分2组施工，第1组5个孔间距10 m，第2组5个孔间距15 m，钻孔倾角均为5°，方位角与煤壁垂直。每施工完一个预裂孔先临时封孔，待所有钻孔施工结束后按既定措施实施高压脉动空气量子植入蠕变预裂增透技术。

施工工艺：①首先准备好需要用的材料、设备，然后进行封孔。封孔管采用DN40的镀锌钢管，每节长3 m，里端头使用堵头密封，花管长度不小于3 m，用单层纱网包裹，便于防止煤颗粒进入。封孔长度不小于15 m，封孔材料使用具有弹性橡胶囊袋封孔器，确保严密不漏气；②封孔结束后通过连接头把封孔管和压力控制器使用高压胶管连接，然后依次连接各设备，具体是空气压缩机和压力控制器之间，高压脉动泵和压力控制器之间，空气压缩机和高压脉动泵之间，瓦斯抽放泵和压力控制器之间，都通过高压连接管连接，具体装备结构如图1所示。所有设备通过高压连接管连接好后，打开井下风管阀门，开启高压脉动泵，确保钻孔内空气压力维持在80～100 MPa之间；③每个孔预裂时间不低于4 h，待所有孔预裂结束后，第1组预裂孔之间按抽放半径1 m、2 m、3 m、4 m施工4个孔径为89 mm的抽采孔，并及时封孔抽放，第2组预裂孔按抽放半径2 m、4 m、6 m、8 m施工4个孔径为89 mm的抽采孔，同样封孔抽放；④抽放时间不少于10 d，然后通过计量装置记录瓦斯抽放量和瓦斯抽放浓度；通过数据分析与运输巷抽采半径为1 m的瓦斯抽采钻孔进行比较。瓦斯抽采示意如图2所示。

1-空气压缩机；2-高压脉动泵；3-瓦斯抽放泵；4-压力控制器；5-连接头；6-高压连接管封孔器；7-封孔器；8-钻孔；9-高压空气

图2 高压脉动空气蠕变致裂强化瓦斯抽采示意

2.2 应用效果

瓦斯抽采效果：高压脉动空气量子植入蠕变预裂增透技术现场施工结束后，安排专人连续10 d观察并记录数据。通过数据结果分析，实施预裂增透技术后的21110回风顺槽比21110运输顺槽的瓦斯抽放浓度和抽采率分别提高52%和37%，且实施地点的瓦斯抽采浓度衰减速度慢。同时实施地点通过采取瓦斯压力压降法确定瓦斯抽采半径在6 m时的抽采效果同样达到标准，且抽采半径在6 m时的单孔瓦斯抽放量和瓦斯浓度与运输巷抽采半径为1m的抽采钻孔相比较，分别高出32%和41%。现场实际运用表明，该技术应用效果显著，对于低透气性煤层有着极佳的增透作用；该煤矿随后在各采掘工作面全部推广该技术，彻底改变了原有瓦斯防治的被动局面。

创新和节能效果：在施工过程中还首次利用弹性橡胶囊袋封孔器封孔，不仅在高压外力下取得较好的封孔效果还易于操作。同时，利用文丘里原理解决了通风输送过程中瓦斯发生喷孔问题[13-15]，且通过预孔置换瓦斯降低机电设备功率，起到节能的目的。

2.3 应用优势及技术优点

应用优势：①该技术对抽采过程中瓦斯浓度衰减快，抽放浓度低，抽放不达标，受瓦斯灾害严重制约煤矿生产和机械化推广的矿井有着重要作用；②可有效增加煤层透气性，延长钻孔瓦斯流量衰减周期，有效减少预抽时间，增大抽放半径，减少钻孔工程量，提高抽采浓度和抽采效率，节省资金、减少投资、采掘接替见效快，具有较高经济效益；③通过改变煤层内部结构可以有效释放地应力，消除煤与瓦斯突出能量，从本源上消除瓦斯产生的压力，极大降低了煤与瓦斯突出的危险性，从而保证煤矿安全生产，具有较大安全效益。

技术优点：该技术应用优点主要表现在2个方面。①在实际施工方面，不仅施工操作安全简单，工人易于掌握，而且所需新增加设备、材料较少，基本都是利用井下原有条件实施；②在推广应用方面，该技术原理科学，技术成熟，所需材料、设备都较经济实惠，且便于制造。

3 结语

高压脉动空气量子植入蠕变预裂增透技术在国电贵州煤业大湾煤矿实际运用，有效解决了低透气性煤层瓦斯抽采的难题，证明了该技术独特的优越性和实用性。不仅是一种创新的瓦斯治理技术，还为解决矿井瓦斯抽放问题带来了新思路、新方法，对于提高矿井防治煤与瓦斯突出能力建设具有重要的现实意义，该技术包含的新理念、新装备、新工艺的推广应用，可以为瓦斯治理工作发挥积极作用。