关于低渗透性煤层瓦斯抽采技术的初步探讨

关于低渗透性煤层瓦斯抽采技术的初步探讨摘要：我国是世界第一大产煤国，煤炭产业也是关系着我国国家经济命脉的重要基础产业。瓦斯引发的事故成为制约煤矿开采事业发展的一个严重问题，大力发展高产高效的瓦斯抽采技术是发展煤炭行业的重要课题。本文介绍瓦斯的基本概况，再根据我国煤层的低渗透性的地质情况，介绍我国基本情况的瓦斯治理的主要技术措施。关键词：煤矿安全；瓦斯防治；水力压裂；地面采动井我国是世界第一大产煤国，煤炭产业也是关系着我国国家经济命脉的重要基础产业。然而，煤炭行业又是我国安全生产形势最为严峻的行业之一，预防和控制煤矿重特大事故的发生，促进煤矿安全生产形势的根本好转已成为国家和政府层面上急需解决的重大问题，也是我国安全生产工作的核心任务。在所有煤矿灾害事故中，尤以瓦斯事故为重，其中主要以煤与瓦斯突出以及由瓦斯超限而造成的瓦斯爆炸为最主要的表现形式。同时，瓦斯也是一种清洁，高效，方便的能源。因此大力发展高产高效的瓦斯抽采技术是发展煤炭行业的重要课题。而对煤矿瓦斯分析就显得格外重要。根据我国的地质情况，介绍瓦斯基本情况和其影响因素，从技术层面上分析低渗透性煤层瓦斯治理的关键措施。1.瓦斯概况及其影响因素煤层瓦斯主要是腐植型有机物(植物)在成煤过程中生成的，主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。按其成因可分为2种形成方式，即生物化学作用形成和煤变质形成。瓦斯含量是指煤体或岩体在自然条件下所含的瓦斯量，包括游离态瓦斯和吸附瓦斯。游离状态，也叫自由状态，这种状态的瓦斯以自由气体存在，存在于煤体或围岩的裂隙和较大孔隙内，吸附状态的瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上（吸着瓦斯）和煤的微粒结构内部（吸收瓦斯）。煤矿瓦斯爆炸必须同时具备以下两个条件：一是空气中瓦斯含量达到爆炸范围内，即瓦斯的体积分数为5％～16％时；二是存在引爆的火源，且其时间长度大于瓦斯引火感应期长度。所以，在煤矿实际作业环境中，对瓦斯爆炸事故的防控重点应放在防止瓦斯积聚和限制火源上。影响矿井瓦斯含量的因素有很多，概括起来可分为两类：一是影响瓦斯生成量多少的因素;二是瓦斯的保存和放散条件。矿井中煤岩体内瓦斯含量与实际瓦斯生成量之间的差别很大，不同的煤田、同一煤田不同矿井、同一矿井不同采区的瓦斯含量也是大不相同。造成这一差异的主要因素来自于地质因素，主要表现在以下几个方面：（1）煤体自身性质。煤体对瓦斯的吸附能力主要取决于煤体的孔隙率和煤质，煤的变质程度不同，孔隙大小不同，其所含瓦斯的量就不同。成煤初期，煤的结构疏松，孔隙率大，储存游离瓦斯的空间大，瓦斯的吸附能力也很强。但此时煤质以褐煤为主，在成煤物化作用下尚未生成大量瓦斯，因此煤体中所含瓦斯量较少。在煤化地质作用下，煤质逐渐致密，孔隙率减少，吸附瓦斯的能力大大降低。随着煤的继续变质，煤体内部产生许多细微孔隙，使得煤的表面积不断扩大，至无烟煤达到最大，所以无烟煤对瓦斯的吸附能力最强。但并不是煤体吸附瓦斯能力强就一定含瓦斯量大，最终瓦斯含量除了需要煤体有瓦斯的吸附外，还需要密闭的空间使其得以保存。（2）煤层赋存条件。煤层中的瓦斯会受到来自地层的压力，从而使其在煤层中不断地运动，而运动的速度与煤层和围岩的渗透性有关。渗透性越大，瓦斯就越容易逸散，反之瓦斯则容易保存在煤层之中；如果煤层的围岩致密完整，煤层中的瓦斯就容易保存下来，反之，瓦斯容易逸散。瓦斯可溶解于水中，随着地下水的流动而随之流动逸散，所以地下水活动强烈的地区煤层含瓦斯量较少，而地下水活动不强烈的地区煤层瓦斯含量则相对较多。此外，水分子对瓦斯含量也有一定的影响，它可以占据煤体的裂隙和吸附表面，减弱煤对瓦斯的吸附能力。因此，煤层含水越大，瓦斯相应就越少。瓦斯还与煤层的埋藏深度和煤层倾角有关系，通常，瓦斯含量随着煤层埋藏深度的增加而增大，而煤层的倾角越小，瓦斯含量则越大。对于埋藏较浅的煤层，特别是有露头存在时，煤体中的瓦斯就容易通过露头逸散到大气中去，瓦斯含量相对较小。对于煤层被较厚且不透气的厚岩层所覆盖时，瓦斯难以逸散，煤层所含的瓦斯量就比较大。如果煤层属于暴露式煤田，含煤岩系出露地表，瓦斯就很容易排放，瓦斯含量就很低。（3）地质构造。地质构造是造成同一矿区内瓦斯含量存在差别的主要因素，在地质构造附近瓦斯涌出量往往增加或减少。一般说来，开放性断层有利于瓦斯排放，瓦斯含量减少；压性断层甚至可以封闭储存瓦斯，称之为封闭性断层，其瓦斯含量增大。地质构造是影响瓦斯存储最重要的条件之一，封闭型地质构造有利于封闭瓦斯，开放性地质构造有利于排放瓦斯。瓦斯喷出大多发生在地质构造破坏带、溶洞裂缝区、背斜和向斜轴部储瓦斯区以及其他储瓦斯构造与原始洞缝相通的区域，是发生瓦斯喷出的良好通道，对矿井的安全生产起着关键性的作用。2.低煤层透气性的测定煤层的透气性是指在煤层的不同方位之间存在着压力差，在压力差的驱动下瓦斯流动的状态和难易程度，以透气性系数加以衡量。钻孔径向流量法是测定煤层透气性系数的方法之一，其实用性强、测定结果准确、受煤层条件限制程度低，因此目前在我国多数矿区被推广应用。用此方法测定出的煤层透气性系数可以用来评价瓦斯抽采的可能性大小。在压力差为二次方兆帕时，每日流过1m2煤截面的瓦斯量小于10m2时表明瓦斯抽采的可能性较大，如果小于0.1m2时表示煤层透气性特别差，瓦斯难以抽采。3.低渗透煤层瓦斯治理的主要技术措施我国煤炭存储层地质构造复杂，煤质松软，煤层渗透性低，瓦斯压力低，煤层吸附瓦斯能力高，根据我国地质情况，我国的煤层普遍属于低渗透煤层，导致抽放效果不理想。根据规定，对具有保护层开采条件的煤层应优先开采保护层使煤层整体卸压、消突;但对于不具备保护层开采条件的、单一、低渗透性煤层，在实施防突措施时，主要用强力增透措施，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:采动井、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。3.1地面采动井地面钻井瓦斯抽采技术是近年来新兴的一种瓦斯预抽采技术，美国在20世纪80年代最早开始应用，是一种通过在采场地表施工垂直钻井到煤层采动可能形成的覆岩裂隙带或煤层内，通过预裂或者采动影响增强煤层的渗透性，从而使得瓦斯能够尽可能多的经由煤岩体的裂隙网络通道和钻井直接抽采到地表，以达到降低回采工作面瓦斯涌出量，缓解瓦斯超限压力和开发煤层气的目的。地面钻井抽采可以分为3类：采前预抽、采动抽采和采空区抽采，“一井三用”;采前预抽主要用于采区回采前进行煤层气开发;采动抽采主要是利用回采工作面对煤岩体扰动提高其透气性的特点增强瓦斯抽采率、缓解通风压力;采空区抽采主要是解决回采工作面推过后采空区瓦斯，以降低采空区瓦斯向回采工作面涌出的量，解决回采工作面瓦斯超限的难题。该方法是提前将预采高瓦斯煤层中的瓦斯进行释放并加以利用，降低煤层中的瓦斯含量，从根本上解决煤矿瓦斯事故。地面钻井瓦斯抽采量很大程度上由煤层的渗透性和裂隙程度来决定。地面钻井瓦斯抽采技术是一种煤与瓦斯共采且绿色环保的瓦斯抽采技术，具有很好的发展前景。但地面钻井理论上需要有大的突破，研究符合矿井实际地质、开采条件的煤与瓦斯共采理论指导实践；地面钻井抽采半径需要深入研究考察，以便合理的确定钻井的有效半径，最大化的提高煤与瓦斯共采；地面钻井的稳定性有待进一步提高，需要进行相关材料和采场覆岩移动规律分析，以便优化钻孔布置，改进钻孔结构。3.2井下水力压裂技术水力压裂技术从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。煤矿水力压裂技术分地面和井下2种，因地面水力压裂因不够灵活方便、成本高、压裂效果不明显而没有推广开来。目前煤矿井下水力压裂应用效果较好，其基本原理是借助高压水通过钻孔以大于煤岩层滤失速率的排量向煤岩体注入，克服最小地应力和煤岩体的抗拉强度，在煤层各种原生弱面内对弱面两壁面产生的劈裂或支撑作用使弱面发生张开、扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割，这种分割过程一方面通过原生弱面的张开和扩展，增大了裂隙等弱面的空间体积，增加了煤体孔隙率;另一方面原生孔裂隙等弱面的延伸增加了孔裂隙之间的连通，形成相互交织的多裂隙连通网络，增加了瓦斯的运移通道，正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层的渗透率大大提高，在负压抽采过程中，使得吸附瓦斯得以快速解吸，从而提高低渗煤层的抽采效果。目前主要以河南省煤层气开发利用有限公司自主研发的“煤矿井下定向压裂增透消突成套技术”为主流，该技术可在井下充分利用现有的开拓工程，针对不同煤层瓦斯地质条件编制不同的压裂方案，实施不同的压裂工艺，真正做到“一面一策”、“一孔一策”。该技术不同于煤层注水，在压裂液中添加有一定浓度的表面活性剂，不仅可更好地湿润煤体，而且可改变煤体的力学特性，更多地采排瓦斯;现场工业试验表明:该技术的实施起到了区域瓦斯治理的目的，可明显降低煤与瓦斯突出、煤尘爆炸和煤层自燃的危险性，提高瓦斯抽采效果;为低透气性、无保护层开采的煤层区域瓦斯治理和利用开创了一条新途径。对于条件好的矿井，在实施水力压裂技术时，为更多地抽采煤层瓦斯，达到煤层气开采利用的目的，可利用泡沫压裂液实施压裂技术。泡沫压裂液具有静液柱压力低、滤失量小、携砂性能好、助排能力强、对地层伤害小等优点。在相同条件下，可更好地提升压裂效果，但其成本较高。对于煤层压裂而言，一般选择CO2泡沫压裂液为主，这是因为CO2对煤的吸附能力比CH4强，在实施压裂时可更多地置换出吸附态的煤层瓦斯。3.3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。该技术目前在一些矿井进行过试验，取得一定的效果，提高煤层的渗透性，有效解决瓦斯抽采问题，但目前尚不成熟。3.4水力割缝水力割缝是对透气性系数低、原始瓦斯含量大的煤层进行预前割缝。其过程是:利用定向水平钻机在煤层中进行水平钻孔,钻孔完成后,再在煤层中利用高压水射流对钻孔两侧的煤层进行切割,在煤层中形成一条具有一定深度的扁平缝槽,使煤层应力得到释放。在切割过程中,煤层在地应力的作用下发生不均匀沉降,在煤层中形成大量裂隙,从而达到改善煤层渗透性的目的,为瓦斯的解析和流动提供通道,进而增强煤层的透气性。对于单一煤层而言,则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,进而改善煤层的透气性。由于高压水割缝的切割、冲击作用,钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走,形成扁平缝槽空间,这一缝槽可以使周围煤体发生激烈的位移和膨胀,增加了煤体中的裂隙,改变了煤体的原始应力和裂隙状况,大大改善了煤层中的瓦斯流动状态,为瓦斯的抽排提供了有利条件。3.5深孔控制预裂爆破技术深孔控制预裂爆破技术是利用炸药爆炸产生的强冲击波和高压气体在控制孔内的共同作用,使煤体变形,在爆炸的不同区域发生不同程度的破坏,产生相互贯通的裂隙网,并在受力的连环作用下裂隙范围不断扩大,从而使煤矿层的透气性增加，增加瓦斯排放量，缩短抽放时间。这种方法的优势就是作用范围大,卸压增透效果明显。由于地应力、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。3.6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。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，但这种技术也有一些局限，尚不成熟。另外通过微生物技术来治理瓦斯是目前一种高效且环保的新技术，它是将培养的细菌注入煤层或者喷涂到煤岩的表面，利用微生物的氧化作用将转化为从而降低煤矿瓦斯浓度。4.结