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中 国 矿 业 大 学
级 士研究生课程考试试卷
考试科目 煤矿瓦斯抽采新技术
考试时间 学生 学 号 所在院系 任课教师
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中国矿业大学研究生院培养管理处印制
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高瓦斯低透气性煤层增透技术
研究现状综述
摘要：煤炭是我国的基础能源，随着开采深度的增加，瓦斯已成为严重威胁煤矿安全生产的主要因素。由于我国煤系地层普遍属于低渗透性煤层，与国外相比瓦斯抽采效果很不理想。因此，利用煤层增透技术，增大高瓦斯低透气性煤层的透气性，提高瓦斯抽采效率，已成为实现煤矿安全高效生产的关键。本文通过查阅文献资料，首先介绍了近年来国外诸多专家学者们关于煤层透气性影响因素的研究成果。接着通过实例说明了国煤矿煤层瓦斯抽采存在的主要问题，并对问题进行分析。然后根据存在的问题着重介绍了目前国增加煤层透气性的主要方法和技术手段，并列举数据和相应实例对各种增透技术的效果和优缺点进行说明。最后，从理论和技术两个方面对现阶段煤层增透技术研究中可能存在的问题进行了探讨，并总结了原因，并对将来的技术发展进行了展望。
关键词：高瓦斯低透气性煤层；卸压增透；研究现状
1 前言
煤炭是我国的基础能源，瓦斯灾害已成为威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。而我国煤系地层普遍属于低渗透性煤层，研究表明:我国煤层渗透率一般在(0.001～0.1)×10-3um2，国渗透率最大的煤田也仅为(0.54～3.8)×10-3um2，其渗透性比美国低2～3个数量级，并且随着煤层开采深度的增加，煤层透气性随之减小，致使煤层气预抽难以实施，效果很差，从而严重影响了煤层瓦斯的抽采率和瓦斯抽采效果。因此，通过对高瓦斯低透气性煤层卸压增透，提高抽采钻孔的单孔有效影响围，已成为实现煤矿可持续发展的关键环节。
2 国外煤体透气性的影响因素研究现状
2.1国外研究现状
1988年Mckee等通过对美国皮申斯、圣安和黑勇士盆地煤层渗透率与埋藏深度关系的研究发现，随着煤层埋藏深度和有效应力增加,煤层割理缝的宽度减小,渗透率呈指数降低。Harpalani和Mcpherson研究了应力对美国中西部煤的气体渗透率的影响，得出渗透率随应力呈指数下降。1997年Enever等通过对澳大利亚煤层渗透率与有效应力的相关研究发现，煤层渗透率变化值与地应力的变化呈指数关系。
2.2国研究现状
1987年林柏泉、周世宁研究了在孔隙压力一定的条件下，渗透率和围压力以及煤样变形间的关系；得出在围压力不变的前提下，孔隙压力和渗透率以及煤样变形值间的关系基本
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上服从指数方程，在孔隙压力不变的条件下，加载时，煤体的渗透率与载荷间的关系可用负指数方程表示；卸载时，可用幂指数方程表示。1994年贾军等在试验的基础上，结合岩石力学知识，探讨了渗透压、围压和轴压对煤层渗透性的影响规律，并对此进行了理论分析，研究认为，在一定的三轴压力条件下，煤层的渗透率随着渗透压的增加而增加，并且渗透率和渗透压呈线性关系，在低围压状态下，围压的改变对渗透率的影响更加显著，随着围压的增加，渗透率急骤下降。在高围压状态下，围压的增加和渗透率的下降相对减缓，整个曲线呈非线性状态。1995年广洋探讨了瓦斯的解吸特性、温度、煤中水分对瓦斯渗透的影响。结果表明,在瓦斯无解吸的情况下,瓦斯压力降低,煤的渗透率也降低,然而在解吸瓦斯压力作用下,煤对瓦斯的渗透率会增加。煤样瓦斯渗透率的对数与温度成线性关系。含水煤样的渗透率明显低于干煤样的渗透率,随着含水量的增加,煤样瓦斯的渗透率减小。耀青等论述了三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律的实验设备与方法。通过研究得出了煤体瓦斯渗透系数随体积应力的增加而衰减,随孔隙压呈抛物线型变化。定义抛物线的极值点为临界压力。1997年少河等通过对单裂隙试件进行的渗透性实验,提出了考虑岩石物性参数的渗透系数表达式,并根据实验结果建立了在有效应力作用下裂隙闭合量与渗透系数和有效应力的关系式。何伟钢等研究发现，地应力对煤层渗透性有显著影响,通过实验室和试井资料分析发现,煤层渗透率与地应力呈幂指数相关关系。2001年阳升介绍了通过实验揭示的三维应力作用下,煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律,据此提出三维地层压力是导致煤层渗透性降低的主要因素。兴华通过试验研究,考察了煤的低温氮吸附等温线及吸附回线,并探讨了孔形意义,分析了煤的原生孔结构对煤层渗透性的影响。2006年增朝等针对影响煤体中瓦斯运移与排放的应力因素，通过大煤样的瓦斯排放试验研究，揭示了顺序加载与逆序加载下的煤体变形与瓦斯排放量以及排放时间的相关性。2008年隆清明在运用瓦斯渗透测试设备,进行孔隙气压对煤体渗透性影响的实验研究。阐述了可控孔隙气压下煤渗透性实验的方法与过程,研究表明,煤的渗透率随孔隙气压增大而减小的特性是由孔隙气压变化引起滑脱效应和孔隙结构本身变化所致。
3 存在的问题及分析
煤层的透气性决定了煤层瓦斯抽采效果。中国含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动，煤层生裂隙系统遭到破坏，塑性大大增强，因而成为低透气性的高延性结构。我国95%以上的高瓦斯和突出矿井开采的煤层其渗透系数只有10-3～10-4mD，即0.04～0.004m2/（MPa2·d），远小于0.1m2/（MPa2·d），煤层透气性低，抽采半径小。在采用预抽煤层瓦斯的方法抽采这些突出煤层的瓦斯时，为了缩短区域性消突所需的抽采时间，通常钻孔布置间距小，工程量大。例如矿业集团芦岭煤矿8煤层采用底板条带预抽方法，钻孔间
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距5～8m，预抽15～18个月后，煤层瓦斯抽放率仅30％，由于煤层原始瓦斯含量大，残余瓦斯含量仍不能满足区域性消突的需要。
煤层透气性差，瓦斯抽采困难，致使煤层瓦斯含量增加，相对瓦斯涌出量增大，煤层煤与瓦斯突出的危险性也相应增大。同时，随着煤层开采，煤层中储存的大量瓦斯气体溢入大气层，加速了温室效应，这不仅严重地影响人类的生存环境，而且浪费了大量的不可再生能源。因此，增加煤层的透气性，增强低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽采效果，是防治煤与瓦斯突出事故，保障生产安全，减少环境污染，提高资源利用率的关键所在。
4 解决的方法及途径
我国自20世纪70年代以来对低透气性高瓦斯和突出危险煤层进行了多种瓦斯抽采增流技术的探索性试验研究。概括来说可将煤层的增透技术可分为两大类，一类是煤层层增流技术，另一类是煤层层外增流技术。
4.1 煤层层外增透技术
煤层层外增流技术主要是开采保护层。保护层开采是指在高瓦斯或突出矿井，在开采煤层群条件下，首先开采没有突出危险性或突出危险性较小的煤层作为保护层，由于受它的采动影响可是邻近的突出危险煤层丧失突出危险性。保护层开采完成后，岩体中形成自由空间，破坏了原岩应力的平衡，地应力重新分布，岩体向采空区方向移动，发生顶板冒落与下沉，底板鼓起等现象，煤层与岩体发生卸压、膨胀，同时产生大小不同的缝隙，从而使煤层的透气性系数大大增加，引起瓦斯流量的增加。按保护层位置的不同可以分为上保护层和下保护层。
保护层开采是效果最好，也是最经济的层外增透技术，一般保护层回采工作面推过两倍层间距长度以后，突出煤层地应力下降，其厚度可膨胀2‰以上；透气性系数增大数十倍至数百倍。表4-1所示为我国部分煤矿保护层开采后的效果统计表，由表中可以看出，保护层开采的效果与保护层的采高和层间距有关，煤层透气性最大可增加5000倍，效果显著。
表4-1 部分煤矿保护层开采效果一览表
矿名 乐平涌山 一矿 二矿 新庄孜 红菱矿 新庄孜 水城老鹰山 北票台吉三井
保护层 4 B11 B9 B8 11 B6 8 2上
被保护层
6 C13 B7b B6 12 B4 11 3
层间距/m
53 66.7 11.4 16.5 16 37.3 21 22
保护层采高/m
2.7 1.9 1.7 1.8 1.4 2.91 1.3 1.2
透气性增加倍数
175 2880 130 500 1010 570 142 83
保护层位置
下 下 上 上 上 上 上 上
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北票台吉一井 水城汪家寨 水城老鹰山 涟邵蛇形山 六枝地宗矿 天府磨心坡 涟邵蛇形山 天府磨心坡
3C 8 8 1上 13 7 1上 2
4 11 13 3中 7 9 4 9
28 35 43 35 43 23 50 80
1.5 1.3 1.5 1.15 1.23 0.55 1.15 0.7
36 43 125 93 46 5000 96 586
上 上 上 上 上 上 上 上
正是由于保护层开采增透效果明显，我国《煤矿安全规程》第一百九十二条规定：“对于有突出危险煤层，应采取开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出措施”。第一百九十三条规定：“在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保护层防治突出措施”。目前保护层开采在全国围已得到了广泛的应用。
4.2 煤层层增透技术
煤层层增透可分为两种：一是通过煤层卸压增加煤层透气性，使瓦斯流动通道顺畅；二是降低煤的瓦斯吸附能力，使游离瓦斯量增大、瓦斯压力相应增高。
4.2.1 煤层层卸压增透技术
煤层层卸压方法主要有大直径密集钻孔抽放、水力压裂加支撑剂、水力冲孔、水力割缝、控制预裂爆破、松动爆破和高能气体压裂等。
大直径密集钻孔抽放是通过向煤层施工大直径密集穿层钻孔取煤，造成煤体局部卸压，增加煤体的透气性。增大钻孔直径相应增大了煤体的接触面积，并导致钻孔周围煤体的卸压圈增大，提高了单个钻孔周围煤体的透气性。
水力压裂加支撑剂抽放：水力压裂的基本原理是通过钻孔将大量混入石英砂或其它支撑剂的高压液体压入油气储层，迫使储层破裂形成垂直或平行层面的裂缝，使支撑剂充满裂缝，以便在停止压裂后支撑住裂隙。近20多年来，国外学者将石油工业的水力压裂法应用于本煤层的瓦斯抽放以及煤层气的开采中，但由于煤层构造复杂，煤质松软，常导致压裂的方向不易控制或支撑剂容易嵌入煤体，而且压裂液进入煤体后不易排除，很难较大围提高煤层的透气性。另外，水力压裂加支撑剂，在煤层压裂裂缝周围会形成一高应力区，它的存在较大幅度低降低了裂缝周围煤体的渗透性，即尽管形成了较好的渗流通道，但裂缝周围反而形成一个屏障区，这也导致水力压裂技术改造低渗透煤层效果不佳。
水力冲孔瓦斯抽放方法是在钻孔的基础上，用水力冲刷钻孔，以达到扩大钻孔直径和冲洗钻孔壁煤粉的目的，使钻孔壁有更好的渗透性，但增透效果有限，目前已很少应用。
水力割缝瓦斯抽放方法：20世纪80年代，矿务局四矿、红卫煤矿曾进行了水力割缝强化抽放技术的研究。研究结果证明该技术可以提高煤层的渗透性。岚等在实验室进行了水力割缝的试验研究，结果表明水力割缝可以释放煤层的部分有效体积应力，应力场重新分布，
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煤层的裂缝和裂隙的数量、长度和开度得到增加，增大了煤层裂缝、裂隙和空隙的连通面积，从而增加了低渗透煤层的渗透性。近年林柏泉等人通过分析煤层巷道煤与瓦斯突出机理，提出了整体卸压的理念，对传统水力割缝进行了改进开发了高压磨料射流割缝防突技术并且在煤层巷道掘进工作面进行了实际应用。应用结果表明：该技术可用于具有突出或冲击危险的煤层，可以使钻孔之间相互沟通，造出缝隙，使煤体得到充分卸压，煤体中的瓦斯得到排放，应力得到解除，为掘进工作提供较为安全的工作环境。高压磨料射流割缝技术具有割缝能力强、用水量相对较少、工艺简单、操作方便等特点，可用于高瓦斯高应力煤层巷道掘进工作面的快速卸压、增透和排瓦斯工作，通过有效的割缝,能够快速释放煤体中的瓦斯和地应力,掘进巷道的安全状况得到明显改善，还可以减少用于消突的瓦斯排放钻孔的个数，提高劳动效率，降低劳动强度，具有明显地经济效益和社会效益。
深孔控制预裂爆破的实质是在回采工作面的进、回风巷每隔一定距离，平行于采煤工作面打一定深孔和控制孔，二者交替布置。爆破孔装药段利用压风装药器进行连续耦合装药。利用炸药爆炸的能力、瓦斯压力及控制孔的导向和补偿作用使煤体产生新的裂隙，并使原生裂隙得以扩展，提高煤层的透气性。平煤集团五矿己72228工作面试验表明，深孔预裂爆破后，煤层透气系数可增加6倍。
松动爆破是在工作面前方的煤体中打3～5个深8ｍ以上的炮眼，装药爆破，使炮眼周围的煤体在炸药产生的爆压作用下，产生破裂和松动，以形成破碎圈、松动圈和裂隙圈。深孔松动爆破技术不仅适用于煤巷掘进，也可用在回采工作面。60年代中期我国在涟邵、北票等矿开始试用，以后不断推广，迄今为止已有28对矿井应用了这一措施，并且随着突出矿井的增加还有继续增加的趋势。
高能气体压裂技术是利用发射药和推进剂在钻孔中燃烧所产生的高温高压气体对煤层实施脉冲加载。通过设计合理的装药结构，控制峰值压力和脉冲加载时间，可在钻孔周围形成长而多的裂缝，使其相互沟通，增加通透性。目前美国、俄国、法国等都进行了理论与实践的研究，取得了成功。80年代末我国的高能气体压裂技术也取得了成功，现主要用于油田提高油气产出率。煤层与油气储层有相似之处，把这项技术用于煤层瓦斯抽采是一项新的尝试，可为提高瓦斯抽采率提供新途径。
4.2.2 降低煤层瓦斯吸附能力增透技术
降低煤的瓦斯吸附能力是利用煤-瓦斯系统处于交变电磁场作用下，煤体温度升高，瓦斯吸附量减少，瓦斯吸附能降低，煤层瓦斯压力升高的效应以提高瓦斯抽放效果。中国矿业大学通过试验研究了施加交变电场条件下的煤体瓦斯渗透特性，研究结果表明，煤体瓦斯渗透率对电场有明显的响应。但这种方法目前处于实验室研究阶段，可能是一条有效途径，有
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待于现场试验论证。
5 结论
低透气性煤层层增透技术是人们公认的难题，经过几十年的研究探索，已取得了一定的成效。在理论研究方面，煤层卸压增透技术的研究方法比较多地集中在基于数学推导和数值模拟的理论分析和现场应用两个方面，基于物理模拟条件下的层卸压增透的系统性实验研究相对较少。有必要建立专用的实验平台，发挥物理实验系统参数可调且不受现场影响等优势，通过建立物理模型，采用先进的数据测定手段及数据采集分析方法，对各种煤层卸压增透技术，进行较为全面的系统性研究。在技术方面，层卸压增透所采取的各种措施在局部起到了一定的效果，但尚未从根本上解决区域性整体卸压增透的问题，达到大面积整体提高煤层瓦斯抽采率的目的。原因可归纳为以下几点：一是煤层赋存条件复杂，增透效果差；二是增透工艺繁琐，受现场条件限制；三是增透技术本身不完善；四是一些层增流技术的实施直接面对突出煤层，实施危险性大。
我国高瓦斯低透气性煤层分布广、瓦斯抽采难，是众多煤矿企业普遍存在的技术难题，提高煤层的透气性，增强瓦斯抽采效果，是目前呈待解决的问题，随着增透机理研究的深入、增透技术的发展，更为方便、适用的技术将会投入到实际生产中，为确保煤矿的安全高效生产提供保障。
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