论文部分内容阅读
[摘 要]在分析目前煤矿瓦斯治理存在问题的基础上，提出了利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的井下瓦斯抽采技术相结合的综合瓦斯治理措施，分别阐述了煤矿井下水力压裂和地面采动井的原理和应用情况，实践表明：煤矿井下定向压裂增透消突成套技术可有效提高瓦斯抽采率，降低煤与瓦斯突出危险性，改善井下作业环境；地面采动井可“一井三用”，对抽放采动区域瓦斯效果较好。
[关键词]煤矿；瓦斯；水力压裂；采动井
中图分类号：T227 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0241-01
绪论：我国是世界第一大产煤国，煤炭在我国一次能源消费中约占70%左右，因而煤炭行业是关系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。
1 瓦斯灾害防治技术评析
1.1 瓦斯治理存在的问题及解决思路
构造破碎严重，Ⅲ、Ⅳ类煤所占比例较重，煤质松软、坚固性系数偏小，煤层透气性低，渗透率一般在（0.001～0.1）×10-3μm范围内，瓦斯抽采效果不佳，造成瓦斯治理困难。而且随着采掘活动向纵深延伸，煤层瓦斯赋存以“三高一低”（高应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量及低渗透性）为主要特征，常规的瓦斯抽采技术难以发挥作用，抽采率低下，抽采效果不明显，瓦斯事故仍时有发生，因此，采用强制增透的瓦斯治理和井上下联合抽采的综合治理措施势在必行。目前，煤与瓦斯突出防治主要有开采保护层、水力压裂和钻孔抽采3种技术措施。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、低透气性煤层，在实施防突措施时，水力压裂与井下常规瓦斯抽采技术相结合就显的尤为重要了。
因井下瓦斯抽采须与煤炭开采工序相协调，很难保证在抽采瓦斯、降低工作面瓦斯超限压力的同时还达到煤炭高效开采的要求，常造成抽、掘、采接替紧张，而且各种井下抽采方法或多或少均存在一定的局限性，如煤矿井下顺煤层长钻孔抽采效率高、成本较低，但顺层钻孔施工经常遇到卡钻、喷孔等工程技术难题，尤其是在突出松软煤层，钻孔成孔率很低；穿层钻孔抽采方法抽采效率高，但必须辅助开挖顶板或底板岩巷进行抽采设备布置和钻孔施工，工期长、工程成本高；保护层卸压抽采面临着卸压效果和工程施工风险的难题等。若仅通过增强井下瓦斯抽采技术和规模来解决突出和瓦斯超限的问题，不仅影响企业煤炭产量，瓦斯治理成本也将大大增加，抽采效果也受到限制。而地面采动井抽采则是一种抽采瓦斯、解决煤矿井下瓦斯超限难题的新方法，其施工在地面进行，不影响煤炭回采，在采区回采前便可以完成，同时可以连续进行采前预抽、采动抽采和采空区抽采，从而可实现对煤层瓦斯的全过程抽采和控制。
1.2 井下水力压裂技术
分析认为水力致裂的机理主要为：通过高压驱动水流压入煤中原有的和压裂后出现的裂缝内，扩宽并伸展这些裂缝，进而在煤中产生更多的次生裂缝与裂隙，以便更好地沟通天然裂隙，增加煤层的透气性。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。目前井下水力压裂应用效果较好，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。
1.3 地面采动井
地面钻井抽采采动煤层和采空区瓦斯是近年来逐步发展起来的瓦斯抽采新技术，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透气性，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。地面采动井一般均可做到采前预抽、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。
2 应用效果考察
2.1 水力压裂效果
2008年10月，在中平能化集团十矿24110工作面机巷、风巷、对应的底抽巷实施了井下定向压裂增透消突技术。压裂后考察发现：
（1）煤层渗透率由原来的0.06 m2/（MPa2·d）升至48 m2/（MPa2·d），提高了800多倍，钻孔平均瓦斯抽采浓度超过45%，单孔纯瓦斯流量平均0.1～0.37 m3/min，最大单孔瓦斯浓度90%，流量0.8m3/min，部分单孔瓦斯抽采总量到2.5万m3以上，截至2008年12月，24110工作面剩余难采区段共抽采瓦斯254.06×104m3，整个工作面剩余瓦斯储量559.3×104m3，约占45.42%。
（2）在难抽采的230 m范围内测定的全部煤层残存瓦斯含量降到了8 m3/t以下，瓦斯压力都降到了0.74 MPa以下，消除了工作面前方煤体突出危险性。
（3）2009年1月，对24110工作面实施压裂的区段回采时发现，最高日产量达3 000 t，最大月产量6.5万t，比压裂前提高了50%。回采中统计90次校检指标，共有4个指标超标，超标率为4.4%，远小于压裂前13.4%～16%的校检超标率，效检超标幅度显著降低，大幅度降低了防突措施工程量，有效提高了回采生产效率。
（4）在压裂影响范围内对各工序粉尘含量监测发现，压裂后割煤、钻孔施工工序粉尘含量均有大幅度降低，最大降幅达58.18%，有效改善了工作面作业环境，降低了职业病害发生率。
2.2 地面采动井效果
2005年12月，在淮南矿业集团张集煤矿北区11418（W）首采工作面，采用了以地面钻井为主，高抽巷、顶板抽放钻孔为辅的工作面瓦斯治理措施。考察发现〔5〕：张集煤矿的此次地面采动井主要抽采本煤层开采超前卸压瓦斯和上邻近层开采卸压瓦斯，抽出的瓦斯浓度高、纯量大，抽采最高浓度高达96%。瓦斯抽放量最大达32.9 m3/min，抽放浓度达50%～96%，瓦斯抽放纯量为10～32.9 m3/min，8 d的考察期内共抽出瓦斯176 366 m3，抽采效果显著。
工作面在回采过程中应用地面钻孔抽放措施后，回采工作面瓦斯抽放率达到75%，瓦斯浓度由0.5%降至0.2%～0.3%，效果明显，有效解决了工作面的瓦斯超限问题和安全回采，大大提高了工作面回采效率。
3 结语
根据“防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则”，明确提出利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的治理井下瓦斯抽采相结合的综合瓦斯治理新思路，得出如下结论：
（1）条件允许的情况下，应优先采用强制增透的瓦斯治理和井上下联合抽采的综合治理措施。
（2）不具备保护层开采的单一、低透气性煤层进行区域瓦斯治理时，应优先选择煤矿井下水力压裂措施。
（3）煤矿井下定向压裂增透消突成套技术不仅成本低廉，而且可有效提高瓦斯抽采率，降低煤与瓦斯突出和煤尘爆炸危险性以及降低防突措施工程量，改善井下作业环境。
（4）地面采动井瓦斯抽采技术可做到“一井三用”，可从根本上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。
[关键词]煤矿；瓦斯；水力压裂；采动井
中图分类号：T227 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0241-01
绪论：我国是世界第一大产煤国，煤炭在我国一次能源消费中约占70%左右，因而煤炭行业是关系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。
1 瓦斯灾害防治技术评析
1.1 瓦斯治理存在的问题及解决思路
构造破碎严重，Ⅲ、Ⅳ类煤所占比例较重，煤质松软、坚固性系数偏小，煤层透气性低，渗透率一般在（0.001～0.1）×10-3μm范围内，瓦斯抽采效果不佳，造成瓦斯治理困难。而且随着采掘活动向纵深延伸，煤层瓦斯赋存以“三高一低”（高应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量及低渗透性）为主要特征，常规的瓦斯抽采技术难以发挥作用，抽采率低下，抽采效果不明显，瓦斯事故仍时有发生，因此，采用强制增透的瓦斯治理和井上下联合抽采的综合治理措施势在必行。目前，煤与瓦斯突出防治主要有开采保护层、水力压裂和钻孔抽采3种技术措施。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、低透气性煤层，在实施防突措施时，水力压裂与井下常规瓦斯抽采技术相结合就显的尤为重要了。
因井下瓦斯抽采须与煤炭开采工序相协调，很难保证在抽采瓦斯、降低工作面瓦斯超限压力的同时还达到煤炭高效开采的要求，常造成抽、掘、采接替紧张，而且各种井下抽采方法或多或少均存在一定的局限性，如煤矿井下顺煤层长钻孔抽采效率高、成本较低，但顺层钻孔施工经常遇到卡钻、喷孔等工程技术难题，尤其是在突出松软煤层，钻孔成孔率很低；穿层钻孔抽采方法抽采效率高，但必须辅助开挖顶板或底板岩巷进行抽采设备布置和钻孔施工，工期长、工程成本高；保护层卸压抽采面临着卸压效果和工程施工风险的难题等。若仅通过增强井下瓦斯抽采技术和规模来解决突出和瓦斯超限的问题，不仅影响企业煤炭产量，瓦斯治理成本也将大大增加，抽采效果也受到限制。而地面采动井抽采则是一种抽采瓦斯、解决煤矿井下瓦斯超限难题的新方法，其施工在地面进行，不影响煤炭回采，在采区回采前便可以完成，同时可以连续进行采前预抽、采动抽采和采空区抽采，从而可实现对煤层瓦斯的全过程抽采和控制。
1.2 井下水力压裂技术
分析认为水力致裂的机理主要为：通过高压驱动水流压入煤中原有的和压裂后出现的裂缝内，扩宽并伸展这些裂缝，进而在煤中产生更多的次生裂缝与裂隙，以便更好地沟通天然裂隙，增加煤层的透气性。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。目前井下水力压裂应用效果较好，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。
1.3 地面采动井
地面钻井抽采采动煤层和采空区瓦斯是近年来逐步发展起来的瓦斯抽采新技术，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透气性，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。地面采动井一般均可做到采前预抽、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。
2 应用效果考察
2.1 水力压裂效果
2008年10月，在中平能化集团十矿24110工作面机巷、风巷、对应的底抽巷实施了井下定向压裂增透消突技术。压裂后考察发现：
（1）煤层渗透率由原来的0.06 m2/（MPa2·d）升至48 m2/（MPa2·d），提高了800多倍，钻孔平均瓦斯抽采浓度超过45%，单孔纯瓦斯流量平均0.1～0.37 m3/min，最大单孔瓦斯浓度90%，流量0.8m3/min，部分单孔瓦斯抽采总量到2.5万m3以上，截至2008年12月，24110工作面剩余难采区段共抽采瓦斯254.06×104m3，整个工作面剩余瓦斯储量559.3×104m3，约占45.42%。
（2）在难抽采的230 m范围内测定的全部煤层残存瓦斯含量降到了8 m3/t以下，瓦斯压力都降到了0.74 MPa以下，消除了工作面前方煤体突出危险性。
（3）2009年1月，对24110工作面实施压裂的区段回采时发现，最高日产量达3 000 t，最大月产量6.5万t，比压裂前提高了50%。回采中统计90次校检指标，共有4个指标超标，超标率为4.4%，远小于压裂前13.4%～16%的校检超标率，效检超标幅度显著降低，大幅度降低了防突措施工程量，有效提高了回采生产效率。
（4）在压裂影响范围内对各工序粉尘含量监测发现，压裂后割煤、钻孔施工工序粉尘含量均有大幅度降低，最大降幅达58.18%，有效改善了工作面作业环境，降低了职业病害发生率。
2.2 地面采动井效果
2005年12月，在淮南矿业集团张集煤矿北区11418（W）首采工作面，采用了以地面钻井为主，高抽巷、顶板抽放钻孔为辅的工作面瓦斯治理措施。考察发现〔5〕：张集煤矿的此次地面采动井主要抽采本煤层开采超前卸压瓦斯和上邻近层开采卸压瓦斯，抽出的瓦斯浓度高、纯量大，抽采最高浓度高达96%。瓦斯抽放量最大达32.9 m3/min，抽放浓度达50%～96%，瓦斯抽放纯量为10～32.9 m3/min，8 d的考察期内共抽出瓦斯176 366 m3，抽采效果显著。
工作面在回采过程中应用地面钻孔抽放措施后，回采工作面瓦斯抽放率达到75%，瓦斯浓度由0.5%降至0.2%～0.3%，效果明显，有效解决了工作面的瓦斯超限问题和安全回采，大大提高了工作面回采效率。
3 结语
根据“防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则”，明确提出利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的治理井下瓦斯抽采相结合的综合瓦斯治理新思路，得出如下结论：
（1）条件允许的情况下，应优先采用强制增透的瓦斯治理和井上下联合抽采的综合治理措施。
（2）不具备保护层开采的单一、低透气性煤层进行区域瓦斯治理时，应优先选择煤矿井下水力压裂措施。
（3）煤矿井下定向压裂增透消突成套技术不仅成本低廉，而且可有效提高瓦斯抽采率，降低煤与瓦斯突出和煤尘爆炸危险性以及降低防突措施工程量，改善井下作业环境。
（4）地面采动井瓦斯抽采技术可做到“一井三用”，可从根本上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。