李志刚

低渗透性高瓦斯煤层水力强化抽采技术研究

李志刚

(阳泉煤业集团新大地煤业有限公司，山西 和顺 032700)

瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯灾害事故的主要方法，而煤层瓦斯渗透性是决定瓦斯抽采效果的重要影响因素。对于低渗透性高瓦斯煤层，采用水力强化抽采技术可以有效增加煤层瓦斯渗透性，从而提高瓦斯抽采效率。本文分析了水力割缝、水力压裂瓦斯强化抽采技术的原理及工艺。探讨了利用高压水流冲击煤体的水力割缝和水力压裂强化瓦斯抽采方法的可行性。

瓦斯抽采;水力强化抽采;卸压增透

我国煤矿90%是井工生产，煤层赋存条件变化复杂，其中，有约51%的矿井属于高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，而随着煤矿采深的不断加大，瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故对煤矿安全生产的威胁越来越大。目前，煤矿为了消除或减少瓦斯灾害对矿井安全生产带来的威胁，常常利用人工卸压的方式，使用机械设备和专用巷道、钻孔抽采从煤层中卸压释放出来的瓦斯，并将其做为原料和燃料加以利用，“变害为利”、“变废为宝”，即煤层瓦斯抽采。然而，我国煤层瓦斯赋存具有微孔隙、低渗透率、高吸附的特征，给瓦斯抽采带来了很大的技术难题。

解决这一问题方法是提高煤层瓦斯的渗透性。影响煤层渗透性的主要因素有：煤的孔隙结构、煤的裂隙、地应力和煤的水分等。在承受载荷时，煤中裂隙及孔隙缩小和闭合，导致煤的瓦斯渗透性降低;反之，对煤层进行卸压，裂隙和孔隙将张开扩大，煤体伸张变形，同时产生新的裂隙，渗透性将增大。目前，煤矿主要是利用人工卸压增透的方法来强化煤层瓦斯的抽采效果。局部水力强化瓦斯抽采技术可以有效地提高局部煤层瓦斯渗透性，增加煤层孔隙率，提高瓦斯抽采效率。

1 煤层局部瓦斯水力强化抽采技术

1.1 水力割裂强化瓦斯抽采

水力割缝法的工作原理是在煤层瓦斯卸压钻孔内采用高压水射流对钻孔内壁进行水力切割，从而起到增加煤层裂隙数，增大瓦斯渗透率，提高瓦斯卸压程度与范围的目的。通过钻头喷射出的高压水射流，在钻孔内壁两侧冲击出2条一定深度的缝槽，而冲击出的煤块被水流带出钻孔。钻孔内切出的缝槽起到了增大煤体暴露面积，提高煤体瓦斯渗透率的作用，从而提高瓦斯的抽采效果，如图1所示。水力割缝法抽瓦斯的效果，取决于水射流切割煤体的效率。

图1 水力割缝卸压瓦斯示意图

水力割缝强化瓦斯抽采技术使用的高压水射流割缝设备是由高压水泵、钻杆、输水器、液压管、高压水割缝喷头、喷嘴等组成。割缝前先在煤体内钻出一定深度的钻孔，之后将高压割缝装置安装好。高压水通过高压泵泵入液压管，通过钻杆到达高压水割缝碰头，然后从直径为2.0～3.0 mm的喷嘴向钻孔内壁两侧喷射高压水射流，在内壁两侧喷射切割出2条缝槽，达到提高煤层卸压范围的目的。煤层钻孔水力割缝示意图见图2。

图2 水力割缝煤层钻孔切割示意图

采用高压辅助钻进及割缝时，可以从工作面运输巷和回风巷内向煤层中打深孔。结合高压水切割的需要，设计主要参数：钻孔直径、钻孔间距和布置、钻孔深度及角度、封孔方法、钻(割)水压力。

1.2 水力压裂强化瓦斯抽采

煤层是一种由煤分层组成的地质体，而煤分层具有多微裂隙、多孔隙结构。水力压裂技术的工作原理就是将水高压压入煤层钻孔内，当水压入的速度远远超过煤层的自然吸水能力时，由于流动阻力的增加，进入煤层的水的压力就逐渐上升，当水的压力超过煤层上方的岩压时，煤层内原来的闭合裂隙就会被压裂形成新的流通通路，煤层渗透性就会增加;而当压入的水被排出时，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创造了良好条件，从而达到了提高煤体瓦斯渗透性，增大瓦斯卸压范围，提高瓦斯抽采效果的目的。

当前为了取得较好的压裂效果，扩大裂缝范围，高压高速、大流量、压裂液体是水力压力增透技术的主要发展方向。该技术的卸压效果取决于压裂施工设备的能力和管线的摩擦阻力损失。同时对于煤层来说，由于煤体较软，压裂结束后煤层应力逐渐恢复时，压裂裂缝内的支撑砂粒有可能嵌入煤体内失去支撑裂缝的作用，因此，煤体水力压裂是否需要加砂，需要加什么样的支撑剂、加多少量，还是一个需要试验探讨的问题。水力压裂卸压示意图见图3。

图3 水力压裂卸压示意图

煤层水力压裂系统的主要组成部分见图4。

图4 煤层水力压裂装置示意图

2 结论

煤矿瓦斯抽采，必须充分考虑煤层的赋存特点，采取合理的抽采方式。当煤层瓦斯渗透性低，透气性差时，应采用必要的人工强化抽采方法，提高煤层瓦斯渗透性，从而提高瓦斯抽采效率。通过分析研究，利用高压水流冲击煤体的水力割缝和水力压裂强化瓦斯抽采是可行的方法，同时这些技术依然存在一些问题需要进行探讨研究。

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Study on Hydraulic Strengthening Extraction Technology in the Coal Seam with Low Permeability and High Gas

Li Zhi－gang

Gas extraction is the main method to solve the gas incidents in the coal mine，and seam gas permeability is important factors that determine the effect of gas extraction.For low permeability and high gas coal seam，using hydraulic strengthening extraction technology can effectively increase the permeability of coal seam gas，thereby enhance the efficiency of gas extraction.This article analyzes the principle and process of gas strengthening extraction technology of hydraulic cutting and hydraulic fracturing.Discusses the feasibility of the strengthening extraction method of hydraulic cutting and hydraulic fracturing which using high pressure water flow impact coal seam.

Gas extraction;Hydraulic strengthening extraction;Pressure relief and permeability improvement

TD712+.6

A

1672－0652(2012)04－0008－02

2012－02－27

李志刚(1987—)，男，宁夏固原人，2010年毕业于华北科技学院，助理工程师，主要从事采煤技术工作(E －mail)veorain1986@163.com