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瓦斯強(qiáng)化抽采措施的分析

文檔作者：季長(zhǎng)江藺海曉信凱文檔來(lái)源： 1．河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 2．河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院 3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月29日
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第l6卷第6期(總第103期)
2011年12月
煤礦 開 采
Coal mining Technology
Vo1．16No．6 (Series No．103)
December 201 1
瓦斯強(qiáng)化抽采措施的分析
季長(zhǎng)江 ，藺海曉 ，信凱
(1．河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作454000；2．河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作454000；
3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建實(shí)驗(yàn)室，北京100083)
[摘要] 根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究與實(shí)驗(yàn)， 目前主要的瓦斯抽采措施有：水力壓裂、高壓水射流擴(kuò)
孔、水力割縫、深孔控制預(yù)裂爆破和水力擠出等技術(shù)。對(duì)目前各種強(qiáng)化抽采措施進(jìn)行了9-3納總結(jié)與對(duì)
比分析研究，對(duì)各種增透方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，有助高效、合理地進(jìn)行瓦斯治理和利用。
[關(guān)鍵詞] 水力壓裂；高壓水射流；水力割縫；深孔控制預(yù)裂爆破；水力擠出
[中圖分類號(hào)]TD712．6 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]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
煤炭作為我國(guó)主要的能源支柱，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)的
快速發(fā)展中起著發(fā)動(dòng)機(jī)的作用。在我國(guó)一次能源消
費(fèi)中，煤炭占70％左右¨j。隨著目前礦井開采深
度的增加，瓦斯含量和瓦斯壓力也逐漸增大，導(dǎo)致
瓦斯事故頻發(fā)。如何解決煤礦生產(chǎn)中的瓦斯問(wèn)題，
是當(dāng)前煤礦安全的首要任務(wù)。我國(guó)目前瓦斯防治措
施概括起來(lái)可分為兩大類 ：一是增強(qiáng)礦井通風(fēng)
能力，將瓦斯稀釋；二是強(qiáng)化抽放瓦斯的力度，降
低煤層瓦斯含量。由于礦井通風(fēng)能力有限，對(duì)煤礦
瓦斯進(jìn)行抽采能在根本上解決瓦斯問(wèn)題。同時(shí)抽采
出的瓦斯又可作為清潔能源，緩解我國(guó)由于天然氣
資源的嚴(yán)重不足所帶來(lái)的能源供給緊張局面。
瓦斯抽采效果主要取決于被抽采層的煤層透氣
性，透氣性越好，抽采效果越顯著。我國(guó)的煤層普
遍屬于低滲透煤層，導(dǎo)致抽放效果不理想。我國(guó)煤
層滲透率的范圍一般在(0．001～0．1) ×10
Ixm ，中國(guó)滲透率最大的撫順煤田，其滲透率在
(0．54～3．8)×10 Ixm。，比美國(guó)煤田的滲透率低
2～3個(gè)數(shù)量級(jí) J。所以增加煤層裂隙范圍和密度，
從而增加煤層的透氣性，是提高高瓦斯低滲透煤層
瓦斯抽采效果的重要手段。
據(jù)國(guó)內(nèi)外研究實(shí)驗(yàn)情況，目前對(duì)于高瓦斯低滲
透性煤層的強(qiáng)化增透技術(shù)主要有：水力壓裂、高壓
水射流擴(kuò)孑L、水力割縫、深孔控制預(yù)裂爆破和水力
擠出等技術(shù)。
1 瓦斯強(qiáng)化抽采措施
1．1 水力壓裂
水力壓裂技術(shù)從1947年在美國(guó)堪薩斯州試驗(yàn)
成功后，經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已廣泛地應(yīng)用于
油、氣田的開發(fā)中。近年來(lái)由于地面煤層氣井的快
速開發(fā)，水力壓裂技術(shù)在煤層氣井的壓裂中也得到
了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其原理是將高黏度液體以遠(yuǎn)
大于地層吸收能力的排量注入到井中，在井底附
近，當(dāng)壓力超過(guò)地應(yīng)力和地層抗張強(qiáng)度時(shí)，在地層
中形成裂縫 J。水力壓裂技術(shù)主要以煤層氣井達(dá)
到抽采瓦斯的目的。從1953年美國(guó)圣胡安盆地的
第一口煤層氣試驗(yàn)井到現(xiàn)在，地面水力壓裂工藝日
漸成熟。特別是近年來(lái)在沁東南地區(qū)、鐵法、壽陽(yáng)
等少數(shù)地區(qū)取得了不錯(cuò)的抽放效果和經(jīng)濟(jì)效益。
由于地面水力壓裂施工規(guī)模較大，成本較高，
同時(shí)對(duì)煤儲(chǔ)層易造成不同程度的傷害。而且水力壓
裂對(duì)煤層頂、底板穩(wěn)定性破壞力大，且施工抽采周
期較長(zhǎng)，所以不適用于正在生產(chǎn)煤礦的瓦斯抽采。
[收稿日期]2011—07—11
[基金項(xiàng)目]河南省重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(509919)
[作者簡(jiǎn)介]季長(zhǎng)江(1986一)，男，江蘇徐州人，碩士，主要從事燥及煤層氣的開采研究。
6
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季長(zhǎng)江等：瓦斯強(qiáng)化抽采措施的分析 2011年第6期
1．2 高壓水射流擴(kuò)孔
高壓水射流擴(kuò)孔技術(shù)是將一種可噴出高壓水射
流、自行旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)孔射流器下到已施工的小鉆孔
中，對(duì)鉆孔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，從而達(dá)到擴(kuò)： 鉆孔直徑
增加鉆孔附近煤體的暴露面積，將鉆孔卸壓范圍和
影響半徑擴(kuò)大，提高鉆孔瓦斯抽放效果。該技術(shù)先
后在芙蓉礦務(wù)局白皎煤礦、松藻礦務(wù)局打通二
礦 ，新莊孜礦 等地進(jìn)行了試驗(yàn)。雖然高壓水
射流擴(kuò)孔技術(shù)取得了一定的效果，但擴(kuò)孔直徑較
小，一般不超過(guò)1m，卸壓范圍有限，同時(shí)下行孔
的排渣問(wèn)題也很難得到有效地解決。
1．3 水力割縫
水力割縫技術(shù)是在已有的鉆孔內(nèi)，采用高壓水
射流對(duì)鉆孔兩側(cè)的煤體進(jìn)行切割，在煤體中形成一
定深度的扁平縫槽，同時(shí)將切下來(lái)的煤塊用水流帶
出孔外，在扁平縫槽周圍的煤體應(yīng)力得到局部釋
放、卸壓，從而達(dá)到改善瓦斯的涌出通道，提高瓦
斯抽采效率的目的 J。水力割縫技術(shù)在一定程度
上能使煤層局部應(yīng)力重分布，取得一定的增透效
果。但由于切割的裂縫寬度有限，一般只有30—
50raml9 J
。所以導(dǎo)致裂縫延伸長(zhǎng)度和卸壓范圍有限，
一般不超過(guò)4一lOm 1o]，增透效果也有限。
1．4 深孔控制預(yù)裂爆破
深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)是利用炸藥爆炸的威
力、瓦斯壓力和控制孔的導(dǎo)向、補(bǔ)償作用，使爆破
孔和控制孔之間的原始徑向裂隙先擴(kuò)張，形成長(zhǎng)裂
縫，并形成大量的封閉貫通裂縫，同時(shí)產(chǎn)生新的裂
隙，從而提高煤層的透氣性，增加瓦斯排放量，縮
短抽放時(shí)間¨ 。其主要特點(diǎn)是爆破孔和控制孔相
間排列，在炸藥爆炸后，由于爆破孑L附近輔助自由
面——控制孔的存在，壓縮應(yīng)力波傳到該自由面
時(shí)，會(huì)使介質(zhì)從自由面向里偏落，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)
展延伸，增加裂隙區(qū)的范圍，提高煤層的透氣
性¨ 。多次的試驗(yàn)表明深孔控制預(yù)裂爆破在提高
煤層透氣性，增加煤層瓦斯抽放效率方面取得了一
定的成效。但該技術(shù)受地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體堅(jiān)
固性、鉆孔孔徑和孔間距等諸多因素的影響。地應(yīng)
力大，不利于爆破裂隙的擴(kuò)展、延伸；煤體堅(jiān)固性
對(duì)裂隙發(fā)展也有很大的影響；孔間距過(guò)大也不利于
裂隙的延伸。綜合以上因素，地應(yīng)力、煤體堅(jiān)固
性、孔間距越小，瓦斯壓力越大，越有利于裂隙的
擴(kuò)展。但在瓦斯壓力較大的軟煤中進(jìn)行爆破又容易
誘發(fā)突出。所以，深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用具有
很大的局限性。
1．5 水力擠出
水力擠出技術(shù)目前多應(yīng)用于有突出危險(xiǎn)的煤層
掘進(jìn)作業(yè)之前，其基本機(jī)理是對(duì)掘進(jìn)工作面前方的
煤體進(jìn)行注水，煤體在水流擠壓作用下部分開裂，
煤體整體向巷道有少量位移，同時(shí)部分瓦斯得到釋
放，因而會(huì)在前方煤體中形成一定的卸壓、瓦斯排
放區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)可預(yù)防突出的發(fā)生¨ 。我國(guó)
于20世紀(jì)70年代由煤炭科學(xué)研究總院撫順和重慶
分院在湖南白沙、貴州六枝等礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)研
究，由于操作和安全管理較為復(fù)雜，該技術(shù)僅在回
采工作面使用，而掘進(jìn)工作面未能得到推廣，近年
來(lái)先后在焦作、鶴壁等礦區(qū)進(jìn)行了掘進(jìn)工作面試
驗(yàn)，取得一定的成果 。但水力擠出技術(shù)有其明
顯先天性不足，由于其注水泵多選用額定壓力較低
的乳化液泵，其提供的注水壓力過(guò)低。同時(shí)由于水
力擠出施工的鉆孔深度一般為8～lOm，封孔深度
一般為2．5～3m，導(dǎo)致其注水量一般也較低，在
0．2m 左右 。所以注水形成的煤層裂隙有限，
影響范圍也較小，不能在很大程度上提高煤體的透
氣性，瓦斯釋放的體積也有限。
2 結(jié)論
通過(guò)以上對(duì)現(xiàn)行幾種強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)的分
析，水力壓裂、高壓水射流擴(kuò)孔、水力割縫、深孔
控制預(yù)裂爆破和水力擠出等技術(shù)都有其適用的條
件，并對(duì)每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析研究。地面
水力壓裂技術(shù)相對(duì)成熟，可以較為有效地改善煤層
的透氣性，在很大程度上解決煤層瓦斯突出問(wèn)題，
并提高煤層瓦斯的抽放效率，所以地面水力壓裂是
相對(duì)較為有效的強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)。但由于其也具
有一定的傷害性，局限性及排采周期長(zhǎng)，所以探索
全新的，針對(duì)低透氣性突出煤層井下有效的瓦斯抽
采技術(shù)迫在眉睫。
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(下轉(zhuǎn)26頁(yè))
7
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總第103期 煤 礦 開 采 2011年第6期
第1離層空間發(fā)育情況
第2離層空間發(fā)育情況
第3離層空間發(fā)育情況
第4離層空間發(fā)育情況
圖12 不同巖層位處離層空間發(fā)育特征曲線
(3)由于抗彎剛度的差別不大，第2，3層位
的上下巖層離層量不大，可視為不可充填離層，第
4層位的離層位于采空區(qū)上方140m處，上下層位
的離層量較大，并且煤層開采的導(dǎo)水裂縫帶主要位
于第1離層位置，可認(rèn)為第4離層為穩(wěn)定的可充填
離層。
3 結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)離層產(chǎn)生的條件在弱面設(shè)置接觸厚度單
元，采用DP屈服準(zhǔn)則，以基本頂初次跨落步距和
周期來(lái)壓步距設(shè)置開采步距，分析了覆巖動(dòng)態(tài)破壞
特征，找到了可充填的離層空間，弄清了離層的動(dòng)
態(tài)發(fā)展規(guī)律，對(duì)覆巖注漿減沉工程具有重要意義。
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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]
(上接7頁(yè))
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[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

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