唐建平 胡良平

(1.煤炭科學研究總院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

煤層氣(瓦斯)是在煤炭開采中形成的伴生氣體，是一種導致煤礦災害和產(chǎn)生溫室效應的有害氣體，但同時又是一種可以和常規(guī)天然氣相媲美的清潔能源。煤層氣抽采利用不僅可以降低煤礦瓦斯災害事故，同時還能緩解能源危機。我國煤層氣資源儲存量十分豐富，根據(jù)最近的數(shù)據(jù)表明，2000 m以淺煤層氣的儲存量為36.81萬億m3，居世界第三位，至2016年底，我國煤層氣開采量達到180億m3，80%以上采用井下抽采的方式。我國煤層普遍呈現(xiàn)“三高一低”的特征，即高含量、高地應力、高瓦斯壓力以及低滲透率。我國煤層氣的滲透率通常在0.001×10-3～1.0×10-3μm2,普遍低于世界主要產(chǎn)煤國家，屬于特低滲透率煤層。隨著我國煤礦開采深度的逐年增加，煤層透氣性進一步變差，加上煤礦井下復雜的環(huán)境條件，瓦斯抽采難度加大。因此國內絕大多數(shù)煤礦在預抽瓦斯之前，都采取一定的措施對煤層進行增滲助產(chǎn)。

近年來，隨著我國投資力度的不斷加大，瓦斯災害治理工作取得了突破性進展，死亡人數(shù)降低到歷史最低水平，但由于我國煤礦井下復雜的地質條件和管理上的缺陷，造成現(xiàn)有煤層增滲技術、裝備與實際工程應用不匹配、不完善等問題，這些技術的推廣仍然需要突破諸多技術難題?；诖?，本文總結了近些年來煤層增滲技術的研究進展，分析了這些技術在運用中存在的問題，并對其未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 井下煤層增滲原理

井下煤層氣抽采可分為采前預抽和邊采邊抽，由于我國大部分煤礦為高瓦斯突出礦井，利用采動裂隙抽采瓦斯的方式發(fā)生煤與瓦斯突出事故的概率很大，所以在大多數(shù)情況下都采用采前預抽的方法進行。煤是一種多孔性非貫通裂隙固體介質，具有高度發(fā)達的孔隙系統(tǒng)。瓦斯的賦存狀態(tài)一般有吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)兩種，在煤層賦存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%～90%，游離瓦斯量占10%～20%。一般來講,在無外界干擾的情況下，煤層中吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯處于動態(tài)平衡狀態(tài)。要提高瓦斯的抽采效率，就必須對煤層結構進行改造，盡可能將吸附態(tài)瓦斯變成游離態(tài)，與此同時貫通煤中裂隙，加快瓦斯的流動速率。

2 煤層增滲技術研究現(xiàn)狀

煤層增滲技術是伴隨著石油礦藏的開采而發(fā)展起來的，經(jīng)過科技工作者的不斷探索，相關單位已經(jīng)開展試驗并應用于現(xiàn)場的方法主要有水力化措施、二氧化碳爆破、高壓空氣爆破、電脈沖沖擊波增透技術，由于傳統(tǒng)鉆孔卸壓法的低效率及松動爆破方法實施程序的復雜性，已逐步被新技術所取代。

2.1 水力化措施

水力化措施主要包括水力壓裂、水力割縫、高壓水射流鉆孔技術等。

(1)水力壓裂技術。水力壓裂是將高壓水注入到煤層中，使原生煤裂隙張開、擴展、延伸至相互貫通，溝通游離瓦斯流動通道，提高瓦斯流動效率。與此同時，改變煤的孔隙結構，提高煤層中瓦斯的解吸效率。水力壓裂技術自1947年在美國堪薩斯州試驗成功以來，拉開了水力壓裂技術研究的序幕，已成為油、氣增產(chǎn)增注的主要措施。20世紀60年代煤炭科學研究總院撫順分院首次在煤層中試驗水力壓裂技術，掀起了該技術在國內研究的熱潮，水力壓裂技術不僅可以用來增加煤層滲透率，還可以防治煤與瓦斯突出。20世紀80年代，陽泉、平頂山等瓦斯突出嚴重的煤礦引入了該技術，在瓦斯災害防治方面取得了不錯的成績。各大院校、科研單位集中于水力壓裂原理和工程實踐的研究，在開采沒有保護層的煤層時，創(chuàng)造性地提出了地面水力壓裂與井下相結合，并在一些礦區(qū)實現(xiàn)了瓦斯的高效抽采。針對我國大部分煤礦井工開采及煤層普遍較松軟的特點，一些專家學者相繼研發(fā)出了一些水力壓裂的新技術，如脈動水力壓裂、點式水力壓裂、定向壓裂技術、重復水力壓裂技術等，并開發(fā)出了相應的配套裝備。為了提高煤層的壓裂效果，在壓裂液中添加一些化合物，如表性活性劑、合成聚合物等，一方面可以促進煤層瓦斯的解吸，另一方面溶解煤粒中的礦物質，促進裂隙通道的貫通，提高煤層滲透性。水力壓裂技術先后在平煤、陽煤、沈煤等地取得了初步成效，平煤十礦的平均瓦斯抽采量增加了14倍，陽煤新景二礦的瓦斯抽采量提高了10倍。

(2)水力割縫技術。水力割縫是利用高壓泵通過水射流鉆頭對煤層兩側進行切割，形成具有一定寬度和深度的水平槽縫，這樣在溝通煤層原生裂隙同時，還在煤層中創(chuàng)造了新的裂縫，不僅可以增加煤層的透氣性，同時降低了原生煤層的地應力，降低了煤與瓦斯突出的危險性。水力割縫過后鉆孔附近的煤體得到局部的卸壓，改善了瓦斯流動通道，同時水力割縫孔還能充當抽采孔的角色。經(jīng)過10多年的發(fā)展，水力割縫技術取得了長足的進步，逐漸由傳統(tǒng)、單純的高壓水射流割縫發(fā)展成如今能量利用率較高的脈沖水射流割縫、磨料割縫及空化水射流割縫技術。中國礦業(yè)大學、重慶煤科院等科研單位通過對高壓水射流割縫原理及工藝的研究，開發(fā)出了高于100 MPa的超高壓水力割縫技術，進一步提高了割縫效率，同時克服了超高水壓狀況下管路系統(tǒng)密封問題，研制出了煤礦井下鉆割一體化技術，解決了原先割縫技術工藝復雜、作業(yè)時間長等問題。水力割縫技術在各大煤礦取得了廣泛的應用，以東灘礦為例，割縫后煤層滲透率提高了5倍，鉆孔深度提高了20%，成孔率提高了50%。

(3)高壓水射流鉆孔技術。高壓水射流鉆孔技術是以水為介質，通過高壓泵，使其獲得極大的能量，然后以一定噴嘴形狀噴出，最后沖刷煤層，在煤層中形成均勻、規(guī)則的抽放孔。高壓水射流鉆孔主要集中在噴嘴及鉆孔工藝的研究。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，噴嘴由原先的單噴嘴直射流逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的自進式旋轉、直旋混合射流噴嘴，鉆孔工藝由原先的垂直鉆孔到現(xiàn)在的徑向多分支鉆孔技術。通過這些技術、工藝的改進，極大地提高了鉆孔效率，同時改善了煤層的滲透性。

目前，水力化措施在全國得到了廣泛的運用，尤其在晉城礦區(qū)，地面和井下協(xié)同增透技術取得了極大的成功。但是對于這些技術的基礎理論的研究總是落后于實際應用，對于高壓水射流的破巖機理目前還處于假說階段，注水后煤層瓦斯運移機理的研究有待深入。同時水力化措施是把雙刃劍，如水力壓裂技術在頂板條件較差的情況下容易造成失穩(wěn)，消耗水巨大的同時壓裂液還污染地下水源。在增大煤層滲透性的同時，盲目地運用水力化措施還可能會誘發(fā)煤與瓦斯突出，造成不必要的損失，目前對于水力化措施致災機理上的研究幾近空白。井下空間狹小，因此，對于水力化措施技術標準準則的制定，以及可靠性、方便性裝備的研制，是目前急需解決的問題之一。同時水力化措施基本上都是通過高壓實現(xiàn)的，一旦發(fā)生漏氣事故，對操作人員來講是致命的，因此，在提高其增透效果的同時，亦要考慮其安全性。

2.2 二氧化碳爆破增透技術

二氧化碳爆破增透技術就是將二氧化碳爆破器放入到已經(jīng)打好的鉆孔之中，之后對鉆孔進行密封處理后進行起爆，爆破器材內的液態(tài)二氧化碳瞬間膨脹產(chǎn)生高壓氣體作用在鉆孔孔壁上，使煤體產(chǎn)生裂隙，增加了其滲透性，同時二氧化碳氣體侵入到煤體中，由于煤對二氧化碳的吸附性大于瓦斯氣體，故對煤中瓦斯形成置換效應，促進了瓦斯由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)。

國內外對二氧化碳致裂技術進行了長足的研究，液態(tài)二氧化碳致裂技術最早由英國的CARDOX提出，并將其成為CARDOX系統(tǒng)。在20世紀20年代至50年代一度成為美國和英國煤礦運用最為頻繁的技術之一。山西潞安煤礦通過試驗表明，對于低滲透性煤層來講，二氧化碳致裂爆破技術是最為有效的瓦斯增透方法之一。由于二氧化碳爆破成本低廉且易于管控，目前在地面工程(露天開采、道路施工、建筑物拆除、管道疏通等)得到了廣泛應用。

但是對于二氧化碳致裂爆破技術的爆破機理、安全控制等方面的研究卻嚴重滯后，由于沒有形成一個規(guī)范性的二氧化碳爆破規(guī)程，盲目的應用導致了不少安全事故的發(fā)生。因此，加強對二氧化碳爆破系統(tǒng)的研究，保持其比常規(guī)爆破具有的優(yōu)勢是目前需要解決的問題。

2.3 高壓空氣爆破增透技術

同二氧化碳爆破一致，高壓空氣爆破也是一種無炸藥爆破方法，其原理是通過機械法或者物理反應產(chǎn)生高壓氣體，在煤層中安裝高壓空氣爆破筒，以高壓空氣沖擊波為動力源，之后使爆破筒內的氣體瞬間釋放，對周圍的煤體進行膨脹做功使其破碎，使周圍煤體得到卸壓，煤體滲透性得到極大的提高。

一些研究表明，高壓空氣爆破在一定程度上彌補了水力化措施的不足，如水力化措施耗水量巨大，井下煤礦輸水成本高，同時一些液體可能會污染煤層，而且水力化措施都是在高壓條件下進行的，對裝備的氣密性要求極高。汪井旺通過數(shù)值模擬的方法研究了高壓空氣爆破致裂的影響因素，結果表明地應力對其裂隙擴展效果具有抑制作用，煤層瓦斯壓力越大，高壓空氣爆破的效果越好。李守國研制出了高壓空氣爆破煤層的成套技術，并且實現(xiàn)了遠程控制與監(jiān)控，在現(xiàn)場工業(yè)性試驗中取得了良好的效果，但因為設備所占空間較大，在井下的運用受到限制。高坤通過對海州煤礦和艾友煤礦的煤樣進行抗壓和高壓空氣爆破試驗，通過得出的一些物理參數(shù)測試了高壓空氣沖擊煤樣前后滲透率的變化規(guī)律，得出了滲透率增量與氣爆壓力呈現(xiàn)冪函數(shù)的關系。文獻基于能量和彈性理論，通過對高壓空氣爆破后閉合長度的計算分析，得出了高壓空氣爆破的閉合區(qū)域位置在距離爆破孔3.8 m，現(xiàn)場試驗和理論分析基本一致，為高壓空氣爆破孔和抽采孔的優(yōu)化設計提供了理論基礎。

高壓空氣爆破是一項比較新的技術，目前大多數(shù)研究僅限地面試驗性研究階段，煤礦井下狀況與地面不同，投入到井下不僅要適合生產(chǎn)情況，同時還要考慮存在的安全隱患。

2.4 電脈沖沖擊波增透技術

電脈沖沖擊波原先是基于核爆炸沖擊波原理而開發(fā)的一項技術，其工作原理是對煤層氣井實施強大的功率放電，通過產(chǎn)生沖擊波對煤層進行致裂增透，沖擊波可以通過破裂、撕裂、聲波擾動等方式增加煤體的透氣性。重復加載可使得煤層產(chǎn)生疲勞效應最終使其裂隙不斷擴展和貫通。一般先在鉆孔內注入清水，對煤層進行高電壓脈沖放電，通過液電效應將能量轉化為沖擊波能量。電脈沖沖擊波技術不僅可以增加煤層滲透性，還可以解決鉆孔堵孔問題。沖擊波技術對煤層無污染傷害，而且重復利用度高，受到了廣泛的關注。

目前對于電脈沖沖擊波技術主要圍繞在增透原理和裝備的研發(fā)上，中國工程物理研究院研究了金屬絲在水中放電的特性，試驗研究表明金屬絲在水中放電過程中電磁能轉化為沖擊波的效率為15%；張永民和邱愛慈院士成功研發(fā)出了基于電脈沖可控沖擊波井下作業(yè)設備，并形成了完整的作業(yè)工藝流程，在地面和井下順層孔增透試驗中獲得了成功，針對松軟煤層，在鉆孔內通過使用篩管支護的方法解決了垮孔對沖擊波增透設備的限制；李恒樂等在實驗室對煤樣進行了重復沖擊波試驗，研究了沖擊波沖擊對煤樣孔隙度的影響，結果表明隨著沖擊波沖擊次數(shù)的增加，孔隙度增加幅度高達74%，從微觀的角度詮釋了電脈沖沖擊對煤的影響，并在此基礎上研發(fā)了高聚能重復強脈沖沖擊波技術。相關研究表明，沖擊波在水中的傳播主要是徑向傳播為主，同時向爆轟產(chǎn)物發(fā)出反射波，沖擊波能量還存在被水反射或者吸收的現(xiàn)象。

電脈沖沖擊波增透技術在前期的工程探索中已經(jīng)證明了其對煤層增透的可行性，但是該技術在今后的進一步研發(fā)和推廣中需要堅實的理論基礎做鋪墊，目前來講，缺乏可以直接利用的理論，如電脈沖沖擊波在煤層中衰減的影響因素，煤層工程地質因素對電脈沖沖擊波致裂增滲效果的影響等。與此同時，一旦設備發(fā)生故障，沖擊波對人體的傷害很大，如何解決存在的安全問題也是目前所要解決的問題之一。

3 低透氣性煤層增滲技術的發(fā)展方向

經(jīng)過科技工作者的不斷努力，各種新的煤層增滲新技術將會不斷涌現(xiàn)，對于這些技術的主要發(fā)展方向可以歸結于3個方面：

(1)各項增滲技術形成一個完善的基礎理論體系。對于水力化措施來講，今后的研究方向不僅需要考察其增滲效果，更要注重其安全性、可操作性的研究，如水力壓裂弱化頂板，高壓水射流沖孔造成的煤與瓦斯突出等問題需要進一步地探討；二氧化碳爆破、高壓空氣爆破及電脈沖沖擊波等技術缺乏系統(tǒng)的理論支撐，工程地質因素對這些技術的影響未進行深入的研究。

(2)對于這些增滲技術裝備的研發(fā)將會朝著可靠性、安全性、方便性發(fā)展。遠程監(jiān)控、智能化、無人化和這些技術相結合，營造出一個更加安全的井下作業(yè)環(huán)境。

(3)目前大部分技術都是依靠其在煤礦的經(jīng)驗，缺乏一個系統(tǒng)的作業(yè)規(guī)程，在今后的發(fā)展中，通過多種技術指標體系，完善煤層增滲技術作業(yè)規(guī)程，同時配備技術專業(yè)化的隊伍，優(yōu)化現(xiàn)場工作參數(shù)，避免盲目的作業(yè)方式。

4 結語

對目前煤層應用的增滲技術進行了系統(tǒng)的總結，并就相關研究成果所羅列的觀點進行了詳盡的分析。結合目前煤礦瓦斯災害事故愈發(fā)嚴重、增滲技術應用日益廣泛的發(fā)展趨勢，指出了煤層增滲技術今后的發(fā)展趨勢。

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