郭孟志 许要涛 文要飞

摘要：由于我国大多数煤矿煤层透气性都比较差，利用常规的瓦斯抽采技术，抽采纯量和浓度偏低，严重影响了矿井正常生产，本文采用水力强化增透技术，增加煤体中的裂隙和孔隙，提高抽采浓度和抽采纯量，使瓦斯抽采成本大大降低，保护了矿井的安全高效生产。

关键词：瓦斯抽采；水力压裂；强化抽采

引言

煤矿是我国主要能源之一。随着煤矿的大量开采，矿井灾害也日益增加，煤矿安全生产的压力也与日俱增。其中瓦斯事故是矿井灾害的主要事故之一。当煤矿瓦斯与空气混合并达到一定浓度时，容易发生爆炸事故，造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。同时，煤矿瓦斯也是一种可利用的清洁能源，其热值是煤的2～5倍，可用于工业生产和生活的各个方面。因此，进行瓦斯抽采、降低煤矿瓦斯浓度是保证煤矿井下作业人员生命安全和煤矿安全生产的必要要求，也是开发利用新能源的需要。近年来，国家十分重视煤矿瓦斯的抽采利用，出台了多项政策，鼓励支持煤矿瓦斯的抽采利用工作。

一、我国煤层瓦斯抽采现状

穿层钻孔区域预抽煤体瓦斯是原始突出煤层

煤巷掘进的主要防突措施，这些措施的应用起到了一定的防突和综合治理瓦斯效果。但在实际应用中，由于我国高瓦斯突出煤层透气性低，原始煤层预抽瓦斯抽采半径小，需采用密集钻孔强化抽采才能达到防治煤与瓦斯突出规定的要求。煤层的透气性是影响钻孔抽采瓦斯效果的主要因素之一，对于低透气性的高瓦斯煤层，采取切实有效的技术手段提高煤层的透气性，是提高煤层瓦斯预抽效果的最佳途径。多年来，国内外对层内增大煤体透气性进行了大量的研究，如深孔预裂控制爆破，在爆破孔周围形成压缩粉碎圈和连通裂隙网；水力割缝，利用高压水射流在煤层中切割水平裂缝，使原始煤层产生不均匀变形和破坏；水力冲孔，通过高压水射流在煤体中冲出较大直径的孔洞过程中排出大量瓦斯和一定数量的煤炭，形成卸压排放瓦斯区域；水力压裂，通过钻孔向煤层压入水，使煤体裂隙畅通，以增大煤体透气性，增加瓦斯排放量。目前被各矿区广泛推广应用的卸压增透措施有水力冲孔技术和水力压裂技术，这两项措施在不同煤层均取得较好的应用效果，通过实施水力冲孔和水力压裂措施，引起钻孔周边煤岩体应力降低，卸压增透，强化抽放效果。

二、强化抽采水力增透技术原理及应用

（一）水力压裂增透技术原理

水力压裂通过以大于滤失速率向煤层中注入高压水，最终在一定的范围煤层内形成大量裂缝，并沟通煤层原生和次生裂缝，提高煤层透气性。在煤矿井下，受到设备排量限制，不能像地面水力压裂实现大面积增透。多数情况下，水力压裂的结果往往仅沿着最大主应力方向产生一条主裂缝，在垂直于最大主应力方向的煤层通常得不到有效改造。这一点在现场得到验证，主要表现为，压裂钻孔和最大主应力方向附近钻孔压裂后抽采量有明显提高，其余钻孔抽采量提高幅度不大，甚至较压裂前减小。水力冲孔利用高压水射流的冲击力，破坏、剥离作用范围内的煤体，在钻孔周围形成大的孔洞，孔洞周围煤体在地应力作用下向孔洞移动，煤体膨胀变形，煤体得到充分卸压，煤层透气性大幅度增高，促进瓦斯解吸和排放。然而，对于硬煤或者软硬互层的煤层，水力冲孔往往不能有效破碎煤层致使增透效果大打折扣。水力压冲将两者结合起来，形成优势互补，通过水力压裂在煤层中形成主裂缝，形成瓦斯运移高速通道，形成单元增透，并降低煤体强度。通过水力冲孔出煤卸压，造成孔洞周围煤体膨胀变形，增加裂缝数目；并借助水力冲孔诱导钻孔喷孔，其周围裂隙在高压瓦斯作用下产生以拉伸为主的破坏，同时形成径向引张裂隙、周缘引张裂隙、剪切裂隙和转向裂隙。水力压冲最终通过“水力压裂单元增透，水力冲孔出煤卸压”，在作用范围内形成多级裂隙体系，使煤层中缝网分布更加均匀，煤层透气性得到最大程度的提高。

（二）穿层钻孔孔群增透技术

穿层钻孔孔群增透瓦斯抽采技术是在确保安全生产的前提下，对钻孔施工顺序进行优化的增透技术；在打钻过程中采用高压水力诱导喷孔，排出煤渣，促使孔群范围内形成多个喷孔孔洞；孔群范围内的煤体卸压，煤体的透气性增大，从而提升瓦斯抽采率。在底板巷道进行网格式的上向穿层打钻过程中，利用高压水诱发钻孔喷孔，在孔群范围内形成多个喷孔孔洞；孔群范围内煤体所受应力重新分布，集中应力对煤体造成破坏，并转移到孔群作用范围以外的煤体中；孔群范围煤体裂隙经过萌生、扩展、贯通，向邻近的喷孔孔洞发生膨胀变形，裂隙张开，瓦斯渗流有效通道增大，孔群有效作用范围内煤体的渗透性增大。

（三）多重水力卸压增透技术

从水力压裂到水力冲孔再经过孔间压裂最后进行二次水力冲孔的一系列卸压技术称为多重水力卸压增透技术。首先实施高压水力压裂，然后在该区域内采用水力冲孔技术，进行水力压裂后的煤体内部裂隙发生扩展，逐渐形成了裂隙网络，再采用水力冲孔会增加瓦斯涌出量，由于孔内邻近煤体瓦斯压力梯度较小，钻孔周边的煤体发生层状剥离趋势变缓，因而实施水力冲孔诱发孔内突出的概率便會大大降低。在水力冲孔后进行孔间煤体压裂的主要方式是对部分钻孔采用高压注水压裂，把注水孔的邻近孔当作自由孔，自由孔内的空间可以作为钻孔间煤体压裂并产生位移的自由面。再次进行高压注水压裂使钻孔之间的煤体向水平方向发生膨胀变形，起到卸压增透的作用。

结语

对于高瓦斯、低渗透性、构造复杂的突出煤层，运用传统穿层钻孔抽采瓦斯，存在孔径变小、塌孔、抽采时间长、抽采效率低的缺点，而穿层钻孔水力喷射压裂—冲洗卸压强化技术能够有效解决此类煤层的增透问题。通过高压水射流切割煤体、高压水力封堵压裂和冲出煤粉卸压等多种增透措施，可以在较大的影响范围内提高钻孔的抽采瓦斯效果。对煤矿已经联抽但抽采量低下的穿层钻孔进行水力冲洗卸压强化改造，提高抽采量。此类钻孔强化作业需要根据已有钻孔的情况设计合理的强化钻孔布置和泵注程序，以最大限度地冲出煤粉，充分卸压和疏通钻孔为目标。

参考文献：

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[2]孙炳兴，王兆丰，伍厚荣.水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用[J].煤炭科学技术，2010，38（11）：78-80