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瓦斯强化抽采措施的分析

文档作者：季长江蔺海晓信凯文档来源： 1．河南理工大学资源环境学院 2．河南理工大学土木工程学院 3．中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建实验室		点击数：	更新时间： 2022年11月29日
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第l6卷第6期(总第103期)
2011年12月
煤矿 开 采
Coal mining Technology
Vo1．16No．6 (Series No．103)
December 201 1
瓦斯强化抽采措施的分析
季长江 ，蔺海晓 ，信凯
(1．河南理工大学资源环境学院，河南焦作454000；2．河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000；
3．中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建实验室，北京100083)
[摘要] 根据国内外的研究与实验， 目前主要的瓦斯抽采措施有：水力压裂、高压水射流扩
孔、水力割缝、深孔控制预裂爆破和水力挤出等技术。对目前各种强化抽采措施进行了9-3纳总结与对
比分析研究，对各种增透方法进行了进一步的研究，有助高效、合理地进行瓦斯治理和利用。
[关键词] 水力压裂；高压水射流；水力割缝；深孔控制预裂爆破；水力挤出
[中图分类号]TD712．6 [文献标识码]A [文章编号]1006-6225(2011)06-0006-02
Analysis of M ethane Strengthening Drainage M easures
JI Chang-jiang ．LIN Hai．xiao ，XIN Kai
(1．Resources&amp;amp;Environment School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；
2．Civil Engineering School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；
3．Land Rehabilitation and Ecological Rebuilding Laboratory，China University of Mining＆Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)
Abstract：Domestic and foreign document showed that current main methane drainage methods included hydro—fracture，high·pressure
water jet，hydraulic cutting，deep·hole pre—splitting blasting and hydraulic extrusion．This paper compared and analyzed these meth—
ods，which was helpful for rational and high—efficient treating and utilizing methane．
Key words：hydro—fracture；high—pressure water jet；hydraulic cutting；deep—hole pre—splitting blasting；hydraulic extrusion
煤炭作为我国主要的能源支柱，在国家经济的
快速发展中起着发动机的作用。在我国一次能源消
费中，煤炭占70％左右¨j。随着目前矿井开采深
度的增加，瓦斯含量和瓦斯压力也逐渐增大，导致
瓦斯事故频发。如何解决煤矿生产中的瓦斯问题，
是当前煤矿安全的首要任务。我国目前瓦斯防治措
施概括起来可分为两大类 ：一是增强矿井通风
能力，将瓦斯稀释；二是强化抽放瓦斯的力度，降
低煤层瓦斯含量。由于矿井通风能力有限，对煤矿
瓦斯进行抽采能在根本上解决瓦斯问题。同时抽采
出的瓦斯又可作为清洁能源，缓解我国由于天然气
资源的严重不足所带来的能源供给紧张局面。
瓦斯抽采效果主要取决于被抽采层的煤层透气
性，透气性越好，抽采效果越显著。我国的煤层普
遍属于低渗透煤层，导致抽放效果不理想。我国煤
层渗透率的范围一般在(0．001～0．1) ×10
Ixm ，中国渗透率最大的抚顺煤田，其渗透率在
(0．54～3．8)×10 Ixm。，比美国煤田的渗透率低
2～3个数量级 J。所以增加煤层裂隙范围和密度，
从而增加煤层的透气性，是提高高瓦斯低渗透煤层
瓦斯抽采效果的重要手段。
据国内外研究实验情况，目前对于高瓦斯低渗
透性煤层的强化增透技术主要有：水力压裂、高压
水射流扩孑L、水力割缝、深孔控制预裂爆破和水力
挤出等技术。
1 瓦斯强化抽采措施
1．1 水力压裂
水力压裂技术从1947年在美国堪萨斯州试验
成功后，经历半个多世纪的发展，已广泛地应用于
油、气田的开发中。近年来由于地面煤层气井的快
速开发，水力压裂技术在煤层气井的压裂中也得到
了越来越广泛的应用。其原理是将高黏度液体以远
大于地层吸收能力的排量注入到井中，在井底附
近，当压力超过地应力和地层抗张强度时，在地层
中形成裂缝 J。水力压裂技术主要以煤层气井达
到抽采瓦斯的目的。从1953年美国圣胡安盆地的
第一口煤层气试验井到现在，地面水力压裂工艺日
渐成熟。特别是近年来在沁东南地区、铁法、寿阳
等少数地区取得了不错的抽放效果和经济效益。
由于地面水力压裂施工规模较大，成本较高，
同时对煤储层易造成不同程度的伤害。而且水力压
裂对煤层顶、底板稳定性破坏力大，且施工抽采周
期较长，所以不适用于正在生产煤矿的瓦斯抽采。
[收稿日期]2011—07—11
[基金项目]河南省重点学科项目(509919)
[作者简介]季长江(1986一)，男，江苏徐州人，硕士，主要从事燥及煤层气的开采研究。
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季长江等：瓦斯强化抽采措施的分析 2011年第6期
1．2 高压水射流扩孔
高压水射流扩孔技术是将一种可喷出高压水射
流、自行旋转的扩孔射流器下到已施工的小钻孔
中，对钻孔进行旋转切割，从而达到扩： 钻孔直径
增加钻孔附近煤体的暴露面积，将钻孔卸压范围和
影响半径扩大，提高钻孔瓦斯抽放效果。该技术先
后在芙蓉矿务局白皎煤矿、松藻矿务局打通二
矿 ，新庄孜矿 等地进行了试验。虽然高压水
射流扩孔技术取得了一定的效果，但扩孔直径较
小，一般不超过1m，卸压范围有限，同时下行孔
的排渣问题也很难得到有效地解决。
1．3 水力割缝
水力割缝技术是在已有的钻孔内，采用高压水
射流对钻孔两侧的煤体进行切割，在煤体中形成一
定深度的扁平缝槽，同时将切下来的煤块用水流带
出孔外，在扁平缝槽周围的煤体应力得到局部释
放、卸压，从而达到改善瓦斯的涌出通道，提高瓦
斯抽采效率的目的 J。水力割缝技术在一定程度
上能使煤层局部应力重分布，取得一定的增透效
果。但由于切割的裂缝宽度有限，一般只有30—
50raml9 J
。所以导致裂缝延伸长度和卸压范围有限，
一般不超过4一lOm 1o]，增透效果也有限。
1．4 深孔控制预裂爆破
深孔控制预裂爆破技术是利用炸药爆炸的威
力、瓦斯压力和控制孔的导向、补偿作用，使爆破
孔和控制孔之间的原始径向裂隙先扩张，形成长裂
缝，并形成大量的封闭贯通裂缝，同时产生新的裂
隙，从而提高煤层的透气性，增加瓦斯排放量，缩
短抽放时间¨ 。其主要特点是爆破孔和控制孔相
间排列，在炸药爆炸后，由于爆破孑L附近辅助自由
面——控制孔的存在，压缩应力波传到该自由面
时，会使介质从自由面向里偏落，使裂隙进一步扩
展延伸，增加裂隙区的范围，提高煤层的透气
性¨ 。多次的试验表明深孔控制预裂爆破在提高
煤层透气性，增加煤层瓦斯抽放效率方面取得了一
定的成效。但该技术受地应力、瓦斯压力、煤体坚
固性、钻孔孔径和孔间距等诸多因素的影响。地应
力大，不利于爆破裂隙的扩展、延伸；煤体坚固性
对裂隙发展也有很大的影响；孔间距过大也不利于
裂隙的延伸。综合以上因素，地应力、煤体坚固
性、孔间距越小，瓦斯压力越大，越有利于裂隙的
扩展。但在瓦斯压力较大的软煤中进行爆破又容易
诱发突出。所以，深孔控制预裂爆破技术应用具有
很大的局限性。
1．5 水力挤出
水力挤出技术目前多应用于有突出危险的煤层
掘进作业之前，其基本机理是对掘进工作面前方的
煤体进行注水，煤体在水流挤压作用下部分开裂，
煤体整体向巷道有少量位移，同时部分瓦斯得到释
放，因而会在前方煤体中形成一定的卸压、瓦斯排
放区域，在该区域内可预防突出的发生¨ 。我国
于20世纪70年代由煤炭科学研究总院抚顺和重庆
分院在湖南白沙、贵州六枝等矿区进行了试验研
究，由于操作和安全管理较为复杂，该技术仅在回
采工作面使用，而掘进工作面未能得到推广，近年
来先后在焦作、鹤壁等矿区进行了掘进工作面试
验，取得一定的成果 。但水力挤出技术有其明
显先天性不足，由于其注水泵多选用额定压力较低
的乳化液泵，其提供的注水压力过低。同时由于水
力挤出施工的钻孔深度一般为8～lOm，封孔深度
一般为2．5～3m，导致其注水量一般也较低，在
0．2m 左右 。所以注水形成的煤层裂隙有限，
影响范围也较小，不能在很大程度上提高煤体的透
气性，瓦斯释放的体积也有限。
2 结论
通过以上对现行几种强化抽采瓦斯技术的分
析，水力压裂、高压水射流扩孔、水力割缝、深孔
控制预裂爆破和水力挤出等技术都有其适用的条
件，并对每种技术的优缺点进行了分析研究。地面
水力压裂技术相对成熟，可以较为有效地改善煤层
的透气性，在很大程度上解决煤层瓦斯突出问题，
并提高煤层瓦斯的抽放效率，所以地面水力压裂是
相对较为有效的强化瓦斯抽采技术。但由于其也具
有一定的伤害性，局限性及排采周期长，所以探索
全新的，针对低透气性突出煤层井下有效的瓦斯抽
采技术迫在眉睫。
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(下转26页)
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总第103期 煤 矿 开 采 2011年第6期
第1离层空间发育情况
第2离层空间发育情况
第3离层空间发育情况
第4离层空间发育情况
图12 不同岩层位处离层空间发育特征曲线
(3)由于抗弯刚度的差别不大，第2，3层位
的上下岩层离层量不大，可视为不可充填离层，第
4层位的离层位于采空区上方140m处，上下层位
的离层量较大，并且煤层开采的导水裂缝带主要位
于第1离层位置，可认为第4离层为稳定的可充填
离层。
3 结束语
根据离层产生的条件在弱面设置接触厚度单
元，采用DP屈服准则，以基本顶初次跨落步距和
周期来压步距设置开采步距，分析了覆岩动态破坏
特征，找到了可充填的离层空间，弄清了离层的动
态发展规律，对覆岩注浆减沉工程具有重要意义。
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