季長(zhǎng)江，藺海曉，信 凱

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454000;2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454000; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

瓦斯強(qiáng)化抽采措施的分析

季長(zhǎng)江1，藺海曉2，信 凱3

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454000;2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454000; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究與實(shí)驗(yàn)，目前主要的瓦斯抽采措施有:水力壓裂、高壓水射流擴(kuò)孔、水力割縫、深孔控制預(yù)裂爆破和水力擠出等技術(shù)。對(duì)目前各種強(qiáng)化抽采措施進(jìn)行了歸納總結(jié)與對(duì)比分析研究，對(duì)各種增透方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，有助高效、合理地進(jìn)行瓦斯治理和利用。

水力壓裂;高壓水射流;水力割縫;深孔控制預(yù)裂爆破;水力擠出

煤炭作為我國(guó)主要的能源支柱，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展中起著發(fā)動(dòng)機(jī)的作用。在我國(guó)一次能源消費(fèi)中，煤炭占70%左右［1］。隨著目前礦井開(kāi)采深度的增加，瓦斯含量和瓦斯壓力也逐漸增大，導(dǎo)致瓦斯事故頻發(fā)。如何解決煤礦生產(chǎn)中的瓦斯問(wèn)題，是當(dāng)前煤礦安全的首要任務(wù)。我國(guó)目前瓦斯防治措施概括起來(lái)可分為兩大類(lèi)［2］:一是增強(qiáng)礦井通風(fēng)能力，將瓦斯稀釋;二是強(qiáng)化抽放瓦斯的力度，降低煤層瓦斯含量。由于礦井通風(fēng)能力有限，對(duì)煤礦瓦斯進(jìn)行抽采能在根本上解決瓦斯問(wèn)題。同時(shí)抽采出的瓦斯又可作為清潔能源，緩解我國(guó)由于天然氣資源的嚴(yán)重不足所帶來(lái)的能源供給緊張局面。

瓦斯抽采效果主要取決于被抽采層的煤層透氣性，透氣性越好，抽采效果越顯著。我國(guó)的煤層普遍屬于低滲透煤層，導(dǎo)致抽放效果不理想。我國(guó)煤層滲透率的范圍一般在 （0.001～0.1）×10－3μm2［3］，中國(guó)滲透率最大的撫順煤田，其滲透率在（0.54～3.8）×10－3μm2，比美國(guó)煤田的滲透率低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)［4］。所以增加煤層裂隙范圍和密度，從而增加煤層的透氣性，是提高高瓦斯低滲透煤層瓦斯抽采效果的重要手段。

據(jù)國(guó)內(nèi)外研究實(shí)驗(yàn)情況，目前對(duì)于高瓦斯低滲透性煤層的強(qiáng)化增透技術(shù)主要有:水力壓裂、高壓水射流擴(kuò)孔、水力割縫、深孔控制預(yù)裂爆破和水力擠出等技術(shù)。

1 瓦斯強(qiáng)化抽采措施

1.1 水力壓裂

水力壓裂技術(shù)從1947年在美國(guó)堪薩斯州試驗(yàn)成功后，經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已廣泛地應(yīng)用于油、氣田的開(kāi)發(fā)中。近年來(lái)由于地面煤層氣井的快速開(kāi)發(fā)，水力壓裂技術(shù)在煤層氣井的壓裂中也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其原理是將高黏度液體以遠(yuǎn)大于地層吸收能力的排量注入到井中，在井底附近，當(dāng)壓力超過(guò)地應(yīng)力和地層抗張強(qiáng)度時(shí)，在地層中形成裂縫［5］。水力壓裂技術(shù)主要以煤層氣井達(dá)到抽采瓦斯的目的。從1953年美國(guó)圣胡安盆地的第一口煤層氣試驗(yàn)井到現(xiàn)在，地面水力壓裂工藝日漸成熟。特別是近年來(lái)在沁東南地區(qū)、鐵法、壽陽(yáng)等少數(shù)地區(qū)取得了不錯(cuò)的抽放效果和經(jīng)濟(jì)效益。

由于地面水力壓裂施工規(guī)模較大，成本較高，同時(shí)對(duì)煤儲(chǔ)層易造成不同程度的傷害。而且水力壓裂對(duì)煤層頂、底板穩(wěn)定性破壞力大，且施工抽采周期較長(zhǎng)，所以不適用于正在生產(chǎn)煤礦的瓦斯抽采。

1.2 高壓水射流擴(kuò)孔

高壓水射流擴(kuò)孔技術(shù)是將一種可噴出高壓水射流、自行旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)孔射流器下到已施工的小鉆孔中，對(duì)鉆孔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，從而達(dá)到擴(kuò)大鉆孔直徑增加鉆孔附近煤體的暴露面積，將鉆孔卸壓范圍和影響半徑擴(kuò)大，提高鉆孔瓦斯抽放效果。該技術(shù)先后在芙蓉礦務(wù)局白皎煤礦、松藻礦務(wù)局打通二礦［6］，新莊孜礦［7］等地進(jìn)行了試驗(yàn)。雖然高壓水射流擴(kuò)孔技術(shù)取得了一定的效果，但擴(kuò)孔直徑較小，一般不超過(guò)1m，卸壓范圍有限，同時(shí)下行孔的排渣問(wèn)題也很難得到有效地解決。

1.3 水力割縫

水力割縫技術(shù)是在已有的鉆孔內(nèi)，采用高壓水射流對(duì)鉆孔兩側(cè)的煤體進(jìn)行切割，在煤體中形成一定深度的扁平縫槽，同時(shí)將切下來(lái)的煤塊用水流帶出孔外，在扁平縫槽周?chē)拿后w應(yīng)力得到局部釋放、卸壓，從而達(dá)到改善瓦斯的涌出通道，提高瓦斯抽采效率的目的［8］。水力割縫技術(shù)在一定程度上能使煤層局部應(yīng)力重分布，取得一定的增透效果。但由于切割的裂縫寬度有限，一般只有30～50mm［9］。所以導(dǎo)致裂縫延伸長(zhǎng)度和卸壓范圍有限，一般不超過(guò)4～10m［10］，增透效果也有限。

1.4 深孔控制預(yù)裂爆破

深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)是利用炸藥爆炸的威力、瓦斯壓力和控制孔的導(dǎo)向、補(bǔ)償作用，使爆破孔和控制孔之間的原始徑向裂隙先擴(kuò)張，形成長(zhǎng)裂縫，并形成大量的封閉貫通裂縫，同時(shí)產(chǎn)生新的裂隙，從而提高煤層的透氣性，增加瓦斯排放量，縮短抽放時(shí)間［11］。其主要特點(diǎn)是爆破孔和控制孔相間排列，在炸藥爆炸后，由于爆破孔附近輔助自由面——控制孔的存在，壓縮應(yīng)力波傳到該自由面時(shí)，會(huì)使介質(zhì)從自由面向里偏落，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展延伸，增加裂隙區(qū)的范圍，提高煤層的透氣性［12］。多次的試驗(yàn)表明深孔控制預(yù)裂爆破在提高煤層透氣性，增加煤層瓦斯抽放效率方面取得了一定的成效。但該技術(shù)受地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體堅(jiān)固性、鉆孔孔徑和孔間距等諸多因素的影響。地應(yīng)力大，不利于爆破裂隙的擴(kuò)展、延伸;煤體堅(jiān)固性對(duì)裂隙發(fā)展也有很大的影響;孔間距過(guò)大也不利于裂隙的延伸。綜合以上因素，地應(yīng)力、煤體堅(jiān)固性、孔間距越小，瓦斯壓力越大，越有利于裂隙的擴(kuò)展。但在瓦斯壓力較大的軟煤中進(jìn)行爆破又容易誘發(fā)突出。所以，深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用具有很大的局限性。

1.5 水力擠出

水力擠出技術(shù)目前多應(yīng)用于有突出危險(xiǎn)的煤層掘進(jìn)作業(yè)之前，其基本機(jī)理是對(duì)掘進(jìn)工作面前方的煤體進(jìn)行注水，煤體在水流擠壓作用下部分開(kāi)裂，煤體整體向巷道有少量位移，同時(shí)部分瓦斯得到釋放，因而會(huì)在前方煤體中形成一定的卸壓、瓦斯排放區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)可預(yù)防突出的發(fā)生［13］。我國(guó)于20世紀(jì)70年代由煤炭科學(xué)研究總院撫順和重慶分院在湖南白沙、貴州六枝等礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，由于操作和安全管理較為復(fù)雜，該技術(shù)僅在回采工作面使用，而掘進(jìn)工作面未能得到推廣，近年來(lái)先后在焦作、鶴壁等礦區(qū)進(jìn)行了掘進(jìn)工作面試驗(yàn)，取得一定的成果［14］。但水力擠出技術(shù)有其明顯先天性不足，由于其注水泵多選用額定壓力較低的乳化液泵，其提供的注水壓力過(guò)低。同時(shí)由于水力擠出施工的鉆孔深度一般為8～10m，封孔深度一般為2.5～3m，導(dǎo)致其注水量一般也較低，在0.2m3左右［15］。所以注水形成的煤層裂隙有限，影響范圍也較小，不能在很大程度上提高煤體的透氣性，瓦斯釋放的體積也有限。

2 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)現(xiàn)行幾種強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)的分析，水力壓裂、高壓水射流擴(kuò)孔、水力割縫、深孔控制預(yù)裂爆破和水力擠出等技術(shù)都有其適用的條件，并對(duì)每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析研究。地面水力壓裂技術(shù)相對(duì)成熟，可以較為有效地改善煤層的透氣性，在很大程度上解決煤層瓦斯突出問(wèn)題，并提高煤層瓦斯的抽放效率，所以地面水力壓裂是相對(duì)較為有效的強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)。但由于其也具有一定的傷害性，局限性及排采周期長(zhǎng)，所以探索全新的，針對(duì)低透氣性突出煤層井下有效的瓦斯抽采技術(shù)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

河南省重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目 （509919）

季長(zhǎng)江 （1986－），男，江蘇徐州人，碩士，主要從事煤及煤層氣的開(kāi)采研究。

［責(zé)任編輯:王興庫(kù)］