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瓦斯強化抽采措施的分析

文檔作者：季長江藺海曉信凱文檔來源： 1．河南理工大學資源環境學院 2．河南理工大學土木工程學院 3．中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建實驗室		點擊數：	更新時間： 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
瓦斯強化抽采措施的分析
季長江 ，藺海曉 ，信凱
(1．河南理工大學資源環境學院，河南焦作454000；2．河南理工大學土木工程學院，河南焦作454000；
3．中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建實驗室，北京100083)
[摘要] 根據國內外的研究與實驗， 目前主要的瓦斯抽采措施有：水力壓裂、高壓水射流擴
孔、水力割縫、深孔控制預裂爆破和水力擠出等技術。對目前各種強化抽采措施進行了9-3納總結與對
比分析研究，對各種增透方法進行了進一步的研究，有助高效、合理地進行瓦斯治理和利用。
[關鍵詞] 水力壓裂；高壓水射流；水力割縫；深孔控制預裂爆破；水力擠出
[中圖分類號]TD712．6 [文獻標識碼]A [文章編號]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
煤炭作為我國主要的能源支柱，在國家經濟的
快速發展中起著發動機的作用。在我國一次能源消
費中，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，導致
瓦斯事故頻發。如何解決煤礦生產中的瓦斯問題，
是當前煤礦安全的首要任務。我國目前瓦斯防治措
施概括起來可分為兩大類 ：一是增強礦井通風
能力，將瓦斯稀釋；二是強化抽放瓦斯的力度，降
低煤層瓦斯含量。由于礦井通風能力有限，對煤礦
瓦斯進行抽采能在根本上解決瓦斯問題。同時抽采
出的瓦斯又可作為清潔能源，緩解我國由于天然氣
資源的嚴重不足所帶來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。我國的煤層普
遍屬于低滲透煤層，導致抽放效果不理想。我國煤
層滲透率的范圍一般在(0．001～0．1) ×10
Ixm ，中國滲透率最大的撫順煤田，其滲透率在
(0．54～3．8)×10 Ixm。，比美國煤田的滲透率低
2～3個數量級 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。
據國內外研究實驗情況，目前對于高瓦斯低滲
透性煤層的強化增透技術主要有：水力壓裂、高壓
水射流擴孑L、水力割縫、深孔控制預裂爆破和水力
擠出等技術。
1 瓦斯強化抽采措施
1．1 水力壓裂
水力壓裂技術從1947年在美國堪薩斯州試驗
成功后，經歷半個多世紀的發展，已廣泛地應用于
油、氣田的開發中。近年來由于地面煤層氣井的快
速開發，水力壓裂技術在煤層氣井的壓裂中也得到
了越來越廣泛的應用。其原理是將高黏度液體以遠
大于地層吸收能力的排量注入到井中，在井底附
近，當壓力超過地應力和地層抗張強度時，在地層
中形成裂縫 J。水力壓裂技術主要以煤層氣井達
到抽采瓦斯的目的。從1953年美國圣胡安盆地的
第一口煤層氣試驗井到現在，地面水力壓裂工藝日
漸成熟。特別是近年來在沁東南地區、鐵法、壽陽
等少數地區取得了不錯的抽放效果和經濟效益。
由于地面水力壓裂施工規模較大，成本較高，
同時對煤儲層易造成不同程度的傷害。而且水力壓
裂對煤層頂、底板穩定性破壞力大，且施工抽采周
期較長，所以不適用于正在生產煤礦的瓦斯抽采。
[收稿日期]2011—07—11
[基金項目]河南省重點學科項目(509919)
[作者簡介]季長江(1986一)，男，江蘇徐州人，碩士，主要從事燥及煤層氣的開采研究。
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季長江等：瓦斯強化抽采措施的分析 2011年第6期
1．2 高壓水射流擴孔
高壓水射流擴孔技術是將一種可噴出高壓水射
流、自行旋轉的擴孔射流器下到已施工的小鉆孔
中，對鉆孔進行旋轉切割，從而達到擴： 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
影響半徑擴大，提高鉆孔瓦斯抽放效果。該技術先
后在芙蓉礦務局白皎煤礦、松藻礦務局打通二
礦 ，新莊孜礦 等地進行了試驗。雖然高壓水
射流擴孔技術取得了一定的效果，但擴孔直徑較
小，一般不超過1m，卸壓范圍有限，同時下行孔
的排渣問題也很難得到有效地解決。
1．3 水力割縫
水力割縫技術是在已有的鉆孔內，采用高壓水
射流對鉆孔兩側的煤體進行切割，在煤體中形成一
定深度的扁平縫槽，同時將切下來的煤塊用水流帶
出孔外，在扁平縫槽周圍的煤體應力得到局部釋
放、卸壓，從而達到改善瓦斯的涌出通道，提高瓦
斯抽采效率的目的 J。水力割縫技術在一定程度
上能使煤層局部應力重分布，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
。所以導致裂縫延伸長度和卸壓范圍有限，
一般不超過4一lOm 1o]，增透效果也有限。
1．4 深孔控制預裂爆破
深孔控制預裂爆破技術是利用炸藥爆炸的威
力、瓦斯壓力和控制孔的導向、補償作用，使爆破
孔和控制孔之間的原始徑向裂隙先擴張，形成長裂
縫，并形成大量的封閉貫通裂縫，同時產生新的裂
隙，從而提高煤層的透氣性，增加瓦斯排放量，縮
短抽放時間¨ 。其主要特點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，壓縮應力波傳到該自由面
時，會使介質從自由面向里偏落，使裂隙進一步擴
展延伸，增加裂隙區的范圍，提高煤層的透氣
性¨ 。多次的試驗表明深孔控制預裂爆破在提高
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。但該技術受地應力、瓦斯壓力、煤體堅
固性、鉆孔孔徑和孔間距等諸多因素的影響。地應
力大，不利于爆破裂隙的擴展、延伸；煤體堅固性
對裂隙發展也有很大的影響；孔間距過大也不利于
裂隙的延伸。綜合以上因素，地應力、煤體堅固
性、孔間距越小，瓦斯壓力越大，越有利于裂隙的
擴展。但在瓦斯壓力較大的軟煤中進行爆破又容易
誘發突出。所以，深孔控制預裂爆破技術應用具有
很大的局限性。
1．5 水力擠出
水力擠出技術目前多應用于有突出危險的煤層
掘進作業之前，其基本機理是對掘進工作面前方的
煤體進行注水，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，同時部分瓦斯得到釋
放，因而會在前方煤體中形成一定的卸壓、瓦斯排
放區域，在該區域內可預防突出的發生¨ 。我國
于20世紀70年代由煤炭科學研究總院撫順和重慶
分院在湖南白沙、貴州六枝等礦區進行了試驗研
究，由于操作和安全管理較為復雜，該技術僅在回
采工作面使用，而掘進工作面未能得到推廣，近年
來先后在焦作、鶴壁等礦區進行了掘進工作面試
驗，取得一定的成果 。但水力擠出技術有其明
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低。同時由于水
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 結論
通過以上對現行幾種強化抽采瓦斯技術的分
析，水力壓裂、高壓水射流擴孔、水力割縫、深孔
控制預裂爆破和水力擠出等技術都有其適用的條
件，并對每種技術的優缺點進行了分析研究。地面
水力壓裂技術相對成熟，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題，
并提高煤層瓦斯的抽放效率，所以地面水力壓裂是
相對較為有效的強化瓦斯抽采技術。但由于其也具
有一定的傷害性，局限性及排采周期長，所以探索
全新的，針對低透氣性突出煤層井下有效的瓦斯抽
采技術迫在眉睫。
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總第103期 煤 礦 開 采 2011年第6期
第1離層空間發育情況
第2離層空間發育情況
第3離層空間發育情況
第4離層空間發育情況
圖12 不同巖層位處離層空間發育特征曲線
(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上方140m處，上下層位
的離層量較大，并且煤層開采的導水裂縫帶主要位
于第1離層位置，可認為第4離層為穩定的可充填
離層。
3 結束語
根據離層產生的條件在弱面設置接觸厚度單
元，采用DP屈服準則，以基本頂初次跨落步距和
周期來壓步距設置開采步距，分析了覆巖動態破壞
特征，找到了可充填的離層空間，弄清了離層的動
態發展規律，對覆巖注漿減沉工程具有重要意義。
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[責任編輯：潘俊鋒]
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[責任編輯：王興庫]

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