水混压技术在煤矿瓦斯抽采中的应用

顾海军

四川省德阳市天池集团公司 四川德阳 618000

摘要：在水力压裂增透机理的基础上，确定气水混压增透技术的工艺及参数。在低透气性煤层中实施气水混压增透技术后，钻孔抽采浓度增大3倍以上、抽采纯量增大4-6倍 、煤层瓦斯含量降低4m³/t以上、极大缩短煤层瓦斯灾害治理时间，解决了矿井采掘接替紧张的问题。

关键词：气水混压；抽采浓度；抽采纯量；工艺参数

随着矿井开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯爆炸和瓦斯突出危险的威胁也越来越严重。解决高瓦斯低透气性煤层开采过程中瓦斯问题的主要措施是预先实施煤层瓦斯抽采^[1]，而我国多数矿井都是低透气性煤层，煤层透气性系数只有0.004~0.04m²/（mpa²·d），瓦斯抽采难度非常大，因此提高煤层渗透性是预抽瓦斯区域防突措施有效性的关键。

目前提高煤层透气性的主要措施有深孔松动爆破，水射流割缝技术以及水压预裂等。深孔预裂爆破所使用的炸药存在行政审批难，运输、存储过程受到管制；单纯水力化措^[2-6]施由于煤体内压力不均衡，容易诱发突出并且煤体内水难以排出造成抽采系统严重积水。

1 气水混压增透机理

对高瓦斯低透气性煤层，通过向压裂孔注入高压气体和高压水的方式压裂煤层，高压气体进入煤体后会均匀分布在煤层中，当高压水遇到高压气体时会产生微泡，在压力达到预设值时，微泡和水会进入煤体，促进煤体内部裂隙发育、扩展和贯通，从而均匀增大煤层透气性，而且在压裂结束后，煤体中的水会随着气体排出，有效解决了单一水力压裂后水分残留阻碍瓦斯释放，进而影响瓦斯抽采的问题，同时，气水微泡的增、卸压过程中，可以运移煤层中的大量瓦斯，从而能快速降低煤层瓦斯含量。

2 气水混压设备组成及增透工艺

2.1压裂设备选型

气水混压增透系统主要由注水系统、注气系统、高压管路、注浆泵等设备组成。注水系统主要包括乳化泵、水箱、高压管路等设备，乳化泵采用BRW400/30型乳化泵，并安设压力表、阀门等组件，高压管路采用直径为25mm矿用高压胶管，钻孔内采用无缝钢管；注气系统主要包括空气增压机、空气压缩机和高压管路等设备，空气增压机的最大压力为42Mpa，额定流量为2m³/min，压入气体为空气或其他惰性气体。

2.2 气水混压增透工艺

首先在穿层中分别钻出压裂孔和检验孔，孔底处于压裂煤层中；2）在压裂孔和检验孔内下入压裂管，并将压裂孔内的压裂管与高压管线连接，再将两孔高压封孔；3）将水力压裂设备与气体压裂设备分别连接至高压管线；4）使用气体压裂设备对煤层连续压裂，当检验孔中的压力增大时结束气体压裂；5）进行水力压裂，当检验孔中有水溢出或压力明显增高时，结束压裂作业；6）释放两孔内的高压水和高压气体，连入瓦斯抽采管网，进行瓦斯抽采。如图1所示

图1 气水混压增透布局示意图

3、气水混压试验方案设计

3.1 气水混压施工参数

本次气水混压试验选取地点为某矿3931运输巷，巷道设计长度155米，断面13㎡，为全煤巷道，设计采用锚网支护，使用综掘机落煤带式输送机运输。测定其煤层瓦斯含量为12.66m³/t，瓦斯压力0.62Mpa，煤层透气性系数为0.0232m²/(MPa²·d)，属较难抽采煤层。

本次试验共设计5个钻孔，其中压裂钻孔3个，编号分别为1#、2#、3#，检验钻孔2个，编号分别为4#和5#。3个压裂钻孔沿巷道掘进方向施工，分别位于巷道中心线上、左帮和右帮；2个检验钻孔分别位于巷道两侧。具体钻孔布置见图1，参数见表1。

表1 压裂钻孔参数

图2 压裂钻孔布置图

3.2 气水混压压裂情况

本次气水混压增透压裂顺序：首先对2#压裂孔注入高压气体，待1#和3#钻孔内压力明显升高时，再注入高压水，停止注水时打开阀门释放钻孔内的高压气体和水。然后分别对1#和3#钻孔注入高压气体（关闭2#压裂孔阀门），当2#钻孔内压力升高时，停止注气；最后打开3个压裂孔的阀门，释放所有钻孔内压力。3个钻孔具体注气和注水情况见表2。

表2 钻孔压裂参数表

4 气水混压效果分析

气水混压增透过后，分别测定3个压裂钻孔的瓦斯浓度、瓦斯纯量以及煤层瓦斯含量，并与该巷道未压裂煤层的钻孔平均浓度和流量进行比较分析。为便于分析，把未压裂煤层钻孔定义为4#钻孔。

（1）单孔抽采浓度分析

单孔抽采瓦斯浓度数据分析图3。

图3 单孔抽采浓度图

从图3可看出：气水混压增透后钻孔瓦斯最高抽采浓度在60%以上，抽采浓度基本维持在50%以上，并且维持14天后并未出现明显衰减现象，与未压裂钻孔抽采浓度相比，抽采效果明显。

（2）单孔抽采纯量分析

图4 单孔抽采纯量图

从图4可以得出，气水混压增透后钻孔的抽采纯量都远远超过了未压裂的钻孔抽采纯量。各钻孔的抽采纯量基本0.06m³/min左右波动，最大抽采纯量达到了0.085m³/min。

（3）煤层瓦斯含量变化分析

气水混压增透后，在巷道两侧各施工一个检验孔（4#检验孔和5#检验孔）测定煤层瓦斯含量。经测定，4#检验孔的瓦斯含量为9.2m³/t，5#检验孔的瓦斯含量为8.7m³/t

5、结论

（1）气水混压增透技术工艺简单，通过乳化泵和增压机把水和气体以高压状态向煤岩体注入，形成高压微泡，使得煤体产生裂缝并向深处延伸，从而增大了煤层透气性，大大提高了煤层抽采效率。

（2）实施气水混压增透技术后，钻孔抽采浓度比矿井平均抽采浓度增大3倍，单钻孔抽采纯量比矿井平均单孔抽采纯流量增大4-6倍，压裂区域内煤层瓦斯含量能够比压裂前降低4m³/t左右。

（3）通过实施气水混压增透技术措施后，能够缩短煤层瓦斯灾害治理时间2倍以上，缓解了矿井采掘接替紧张，提高了矿井单产单进效率，并为矿井安全生产提供了技术支撑。

参考文献：

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