高瓦斯低透气性煤层增透技术研究现状

1浅谈高瓦斯低透气性煤层增透技术摘要：煤体透气性的影响因素主要有地应力、瓦斯力、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。关键词：采动卸压；保护层；气爆；水力割缝1高瓦斯低透气性煤层增透传统技术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。1.2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5～6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。21.3高能液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。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1～2个数量级，割缝区的钻孔瓦斯抽采量可增加1～2倍。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护层，从而层内自我解放，内部卸压，为煤体内瓦斯流动和释放创造条件，增加了煤层的透气性。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。31.4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。2高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采及增透技术新进展2.1气爆增透技术气爆技术是利用空压机对气体(如空气或工业废气二氧化碳CO2等)压缩加压至一定压力，通过手动或电动操作装置，高压气体在煤层内瞬间释放，利用瞬间释放高压气体的冲击效应先生成初始径向裂纹，再依靠高压气体的尖劈压裂效应扩展初始裂纹，提高煤层的透气性，甚是抛掷破碎煤块。上世纪50～60年代，英、法、美、俄、波兰和挪威等采矿比较发达的国家已将气爆技术用于采煤实践。我国对气爆技术的研究较少且起步较晚，主要集中在气爆采煤的模型试验研究，尚未将气爆技术推广用于井下的采煤实践。1992年煤科总院爆破研究所在平顶山采用二氧化碳爆破筒进行了地面气爆破煤的模型实验，取得良好的破煤效果。上世纪90年代，安徽理工大学的徐颖、中国矿业大学的邵鹏、程玉生、王家来，利用自行研制的高压气体爆破系统进行了煤体爆破的相似模型实验，实验结果表明，监测到的煤体应力波的波形和普通化学炸药爆破的波形无本质区别;炮孔周围至少可生成4～6条的径向裂纹;气体压力越大，破碎块度越小;相比于冲击波和应力波的作用，气爆破煤主要依靠高压气体驱动初始裂纹来完成。沈阳煤业集团首次采用以二氧化碳CO2为气体源的气爆技术，进行顶板预裂和空顶煤问题的现场工业性试验，与高压注水预裂、深孔爆破预裂及密集空孔切顶等多种方法的比较，验证了气爆预裂的显著效。液态CO2相变致裂技术主要是通过液态CO2在极短时间内发生相变(由液态转化为气4态，体积增大600倍)，产生应力波向周围传播，应力波和高能气体一方面使煤体产生新的裂隙，另一方面促使原生裂隙扩展、发育，进而达到致裂的效果。液态CO2相变致裂技术利用瞬时高能气体冲击波使煤体产生大量裂隙，使煤体的透气性增加;通过震动消除煤体结构的不均匀，致裂孔周围煤体发生大幅度位移变化，促使煤体应力重新分布，集中应力带向深部转移，减小应力集中，降低煤体中的能量梯度，进而达到消突的目的。由于煤体中新裂隙的产生和应力降低，煤层透气性大幅度提高，破坏了煤体中瓦斯吸附与解吸的动态平衡，使大部分吸附在煤体中的瓦斯解吸转化成游离瓦斯，游离瓦斯通过裂隙运移至瓦斯抽采钻孔进行抽采，进而提高了煤体瓦斯抽采率，很大程度上释放了煤体的弹性潜能和瓦斯膨胀能，使煤体的弹塑性增加、脆性减小，降低煤体中残存瓦斯的解吸速度。2.2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。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。2.3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、张春会等从超声波机械效应和热效应的角度，采用5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。这些研究结果都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。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。