煤礦瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)探討

1、井下水力壓裂技術(shù)和地面采動井抽采綜合瓦斯治理技術(shù)探討華晉焦煤公司通風(fēng)處李秉泉2012年3月14日摘要:在分析目前煤礦瓦斯治理存在問題的基礎(chǔ)上，提出了利用井下水力壓裂技術(shù)和地面采動井抽采與常規(guī)的井下瓦斯抽采技術(shù)相結(jié)合的綜合瓦斯治理措施，分別闡述了煤礦井下水力壓裂和地面采動井的原理和應(yīng)用情況，實踐表明:煤礦井下定向壓裂增透消突成套技術(shù)可有效提高瓦斯抽采率，降低煤與瓦斯突出危險性，改善井下作業(yè)環(huán)境;地面采動井可“一井三用”，對抽放采動區(qū)域瓦斯效果較好。關(guān)鍵詞:煤礦;瓦斯;水力壓裂;采動井前言我國是世界第一大產(chǎn)煤國，煤炭在我國一次能源消費中約占70%左右，因而煤炭行業(yè)是關(guān)系我國國家經(jīng)濟命脈的重要基礎(chǔ)產(chǎn)

2、業(yè)。然而，煤炭行業(yè)又是我國安全生產(chǎn)形勢最為嚴(yán)峻的行業(yè)之一，預(yù)防和控制煤礦重特大事故的發(fā)生，促進煤礦安全生產(chǎn)形勢的根本好轉(zhuǎn)已成為國家和政府層面上急需解決的重大問題，也是我國安全生產(chǎn)工作的核心任務(wù)。在所有煤礦災(zāi)害事故中，尤以瓦斯事故為重，其中主要以煤與瓦斯突出以及由瓦斯超限而造成的瓦斯爆炸為最主要的表現(xiàn)形式。近年來，雖然煤礦瓦斯防治工作已取得階段性成效，但仍沒有從根本上遏制重大瓦斯事故的發(fā)生，2008年全國共煤礦發(fā)生瓦斯事故182起，死亡778人，其中較大瓦斯事故63起，死亡290人;重特大瓦斯事故18起，死亡352人1。瓦斯災(zāi)害已成為制約高效集約化開采技術(shù)發(fā)展和安全生產(chǎn)的最重要因素，常規(guī)或單一的

3、瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)已不能滿足煤礦高效安全生產(chǎn)的需要，強化瓦斯抽采才是防止瓦斯災(zāi)害事故最有效的根本途徑。針對我國煤層賦存條件復(fù)雜，瓦斯抽采率低的特點，提出利用井下水力壓裂技術(shù)和地面采動井抽采與常規(guī)的井下瓦斯抽采相結(jié)合的綜合瓦斯治理新思路，以供商榷。1瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)評析11瓦斯治理存在的問題及解決思路我國煤儲層構(gòu)造復(fù)雜，且煤層多強烈變形2，多數(shù)煤田煤體構(gòu)造破碎嚴(yán)重，、類煤所占比例較重，煤質(zhì)松軟、堅固性系數(shù)偏小，煤層透氣性低，滲透率一般在(000101)×103m范圍內(nèi)，瓦斯抽采效果不佳，造成瓦斯治理困難。而且隨著采掘活動向縱深延伸，煤層瓦斯賦存以“三高一低”(高應(yīng)力、高瓦斯壓力、高瓦斯含

4、量及低滲透性)為主要特征，常規(guī)的瓦斯抽采技術(shù)難以發(fā)揮作用，抽采率低下，抽采效果不明顯，瓦斯事故仍時有發(fā)生，因此，采用強制增透的瓦斯治理和井上下聯(lián)合抽采的綜合治理措施勢在必行。新版的防治煤與瓦斯突出規(guī)定第6條明確規(guī)定:“防突工作堅持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充的原則。突出礦井采掘工作做到不掘突出頭，不采突出面。未按要求采取區(qū)域綜合防突措施的，嚴(yán)禁進行采掘活動?！蹦壳埃号c瓦斯突出防治主要有開采保護層、水力壓裂和鉆孔抽采3種技術(shù)措施。根據(jù)規(guī)定，對具有保護層開采條件的煤層應(yīng)優(yōu)先開采保護層使煤層整體卸壓、消突;但對于不具備保護層開采條件的、單一、低透氣性煤層，在實施防突措施時，水力壓裂與井下常規(guī)

5、瓦斯抽采技術(shù)相結(jié)合就顯的尤為重要了。因井下瓦斯抽采須與煤炭開采工序相協(xié)調(diào)，很難保證在抽采瓦斯、降低工作面瓦斯超限壓力的同時還達到煤炭高效開采的要求，常造成抽、掘、采接替緊張，而且各種井下抽采方法或多或少均存在一定的局限性，如煤礦井下順煤層長鉆孔抽采效率高、成本較低，但順層鉆孔施工經(jīng)常遇到卡鉆、噴孔等工程技術(shù)難題，尤其是在突出松軟煤層，鉆孔成孔率很低;穿層鉆孔抽采方法抽采效率高，但必須輔助開挖頂板或底板巖巷進行抽采設(shè)備布置和鉆孔施工，工期長、工程成本高;保護層卸壓抽采面臨著卸壓效果和工程施工風(fēng)險的難題等3。若僅通過增強井下瓦斯抽采技術(shù)和規(guī)模來解決突出和瓦斯超限的問題，不僅影響企業(yè)煤炭產(chǎn)量，瓦斯治

6、理成本也將大大增加，抽采效果也受到限制。而地面采動井抽采則是一種抽采瓦斯、解決煤礦井下瓦斯超限難題的新方法，其施工在地面進行，不影響煤炭回采，在采區(qū)回采前便可以完成，同時可以連續(xù)進行采前預(yù)抽、采動抽采和采空區(qū)抽采，從而可實現(xiàn)對煤層瓦斯的全過程抽采和控制。12井下水力壓裂技術(shù)分析認(rèn)為水力致裂的機理主要為:通過高壓驅(qū)動水流壓入煤中原有的和壓裂后出現(xiàn)的裂縫內(nèi)，擴寬并伸展這些裂縫，進而在煤中產(chǎn)生更多的次生裂縫與裂隙，以便更好地溝通天然裂隙，增加煤層的透氣性。煤礦水力壓裂技術(shù)分地面和井下2種，因地面水力壓裂因不夠靈活方便、成本高、壓裂效果不明顯而沒有推廣開來。目前井下水力壓裂應(yīng)用效果較好，主要以河南省煤

7、層氣開發(fā)利用有限公司自主研發(fā)的“煤礦井下定向壓裂增透消突成套技術(shù)”為主流，該技術(shù)可在井下充分利用現(xiàn)有的開拓工程，針對不同煤層瓦斯地質(zhì)條件編制不同的壓裂方案，實施不同的壓裂工藝，真正做到“一面一策”、“一孔一策”。該技術(shù)不同于煤層注水，在壓裂液中添加有一定濃度的表面活性劑，不僅可更好地濕潤煤體，而且可改變煤體的力學(xué)特性，更多地采排瓦斯;現(xiàn)場工業(yè)試驗表明:該技術(shù)的實施起到了區(qū)域瓦斯治理的目的，可明顯降低煤與瓦斯突出、煤塵爆炸和煤層自燃的危險性，提高瓦斯抽采效果;為低透氣性、無保護層開采的煤層區(qū)域瓦斯治理和利用開創(chuàng)了一條新途徑。對于條件好的礦井，在實施水力壓裂技術(shù)時，為更多地抽采煤層瓦斯，達到煤層氣

8、開采利用的目的，可利用泡沫壓裂液實施壓裂技術(shù)。泡沫壓裂液具有靜液柱壓力低、濾失量小、攜砂性能好、助排能力強、對地層傷害小等優(yōu)點4，在相同條件下，可更好地提升壓裂效果，但其成本較高。對于煤層壓裂而言，一般選擇CO2泡沫壓裂液為主，這是因為CO2對煤的吸附能力比CH4強，在實施壓裂時可更多地置換出吸附態(tài)的煤層瓦斯。13地面采動井地面鉆井抽采采動煤層和采空區(qū)瓦斯是近年來逐步發(fā)展起來的瓦斯抽采新技術(shù)，是一種通過在采場地表施工垂直鉆井到煤層采動可能形成的覆巖裂隙帶或煤層內(nèi)，通過預(yù)裂或者采動影響增強煤層的透氣性，從而使得瓦斯能夠盡可能多的經(jīng)由煤巖體的裂隙網(wǎng)絡(luò)通道和鉆井直接抽采到地表，以達到降低回采工作面瓦

9、斯涌出量，緩解瓦斯超限壓力和開發(fā)煤層氣的目的。地面采動井一般均可做到采前預(yù)抽、采動抽采和采空區(qū)抽采，“一井三用”;采前預(yù)抽主要用于采區(qū)回采前進行煤層氣開發(fā);采動抽采主要是利用回采工作面對煤巖體擾動提高其透氣性的特點增強瓦斯抽采率、緩解通風(fēng)壓力;采空區(qū)抽采主要是解決回采工作面推過后采空區(qū)瓦斯，以降低采空區(qū)瓦斯向回采工作面涌出的量，解決回采工作面瓦斯超限的難題。該方法是提前將預(yù)采高瓦斯煤層中的瓦斯進行釋放并加以利用，降低煤層中的瓦斯含量，從根本上解決煤礦瓦斯事故。地面采動井的布孔位置直接關(guān)系到后期抽采效果的好壞，在滿足總體抽采效能的同時，其布孔位置宜選取采場中間位置，以盡可能增加使用壽命;在傾斜煤

10、層情況下，考慮到重力方向的影響，宜將地面鉆井布井位置由采場中部向回風(fēng)巷方向有所偏移，一般與回風(fēng)巷的距離約為工作面斜長的1/3;再鉆孔垂向上，一般要求鉆孔終孔位置在冒落帶上方的裂隙帶內(nèi)，距開采層距離為3040 m時最為合適。2應(yīng)用效果考察21水力壓裂效果2008年10月，在中平能化集團十礦24110工作面機巷、風(fēng)巷、對應(yīng)的底抽巷實施了井下定向壓裂增透消突技術(shù)。壓裂后考察發(fā)現(xiàn):(1)煤層滲透率由原來的006 m2/(MPa2·d)升至48 m2/(MPa2·d)，提高了800多倍，鉆孔平均瓦斯抽采濃度超過45%，單孔純瓦斯流量平均01037 m3/min，最大單孔瓦斯?jié)舛?0%

11、，流量08m3/min，部分單孔瓦斯抽采總量到25萬m3以上，截至2008年12月，24110工作面剩余難采區(qū)段共抽采瓦斯25406×104m3，整個工作面剩余瓦斯儲量5593×104m3，約占4542%。(2)在難抽采的230 m范圍內(nèi)測定的全部煤層殘存瓦斯含量降到了8 m3/t以下，瓦斯壓力都降到了074 MPa以下，消除了工作面前方煤體突出危險性。(3)2009年1月，對24110工作面實施壓裂的區(qū)段回采時發(fā)現(xiàn)，最高日產(chǎn)量達3 000 t，最大月產(chǎn)量65萬t，比壓裂前提高了50%?；夭芍薪y(tǒng)計90次校檢指標(biāo)，共有4個指標(biāo)超標(biāo)，超標(biāo)率為44%，遠小于壓裂前134%16%的

12、校檢超標(biāo)率，效檢超標(biāo)幅度顯著降低，大幅度降低了防突措施工程量，有效提高了回采生產(chǎn)效率。(4)在壓裂影響范圍內(nèi)對各工序粉塵含量監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，壓裂后割煤、鉆孔施工工序粉塵含量均有大幅度降低，最大降幅達5818%，有效改善了工作面作業(yè)環(huán)境，降低了職業(yè)病害發(fā)生率。(5)與開采保護層措施相比，進行煤與瓦斯突出防治，在同樣條件下，井下水力壓裂技術(shù)每噸煤約10元左右，而開采保護層每噸煤需120元左右，約為開采保護層防突措施成本的1/10。22地面采動井效果2005年12月，在淮南礦業(yè)集團張集煤礦北區(qū)11418(W)首采工作面，采用了以地面鉆井為主，高抽巷、頂板抽放鉆孔為輔的工作面瓦斯治理措施?？疾彀l(fā)現(xiàn)5:張集煤

13、礦的此次地面采動井主要抽采本煤層開采超前卸壓瓦斯和上鄰近層開采卸壓瓦斯，抽出的瓦斯?jié)舛雀?、純量大，抽采最高濃度高達96%。瓦斯抽放量最大達329 m3/min，抽放濃度達50%96%，瓦斯抽放純量為10329 m3/min，8 d的考察期內(nèi)共抽出瓦斯176 366 m3，抽采效果顯著。工作面在回采過程中應(yīng)用地面鉆孔抽放措施后，回采工作面瓦斯抽放率達到75%，瓦斯?jié)舛扔?5%降至02%03%，效果明顯，有效解決了工作面的瓦斯超限問題和安全回采，大大提高了工作面回采效率。3結(jié)語根據(jù)“防突工作堅持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充的原則”，明確提出利用井下水力壓裂技術(shù)和地面采動井抽采與常規(guī)的治理井下

14、瓦斯抽采相結(jié)合的綜合瓦斯治理新思路，得出如下結(jié)論:(1)條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用強制增透的瓦斯治理和井上下聯(lián)合抽采的綜合治理措施。(2)不具備保護層開采的單一、低透氣性煤層進行區(qū)域瓦斯治理時，應(yīng)優(yōu)先選擇煤礦井下水力壓裂措施。(3)煤礦井下定向壓裂增透消突成套技術(shù)不僅成本低廉，而且可有效提高瓦斯抽采率，降低煤與瓦斯突出和煤塵爆炸危險性以及降低防突措施工程量，改善井下作業(yè)環(huán)境。(4)地面采動井瓦斯抽采技術(shù)可做到“一井三用”，可從根本上達到降低回采工作面瓦斯涌出量，緩解瓦斯超限壓力和開發(fā)煤層氣的目的。（5）我公司沙曲礦為煤與瓦斯突出礦井，采用此技術(shù)尤為重要?？梢杂行г龃竺簩油肝鲂裕岣叱榉艥舛?，降低煤層賦存瓦斯含量，使得安全生產(chǎn)進一步得到保