软煤层孔隙结构与强化增透技术研究现状

软煤层孔隙结构与强化增透技术研究现状

侯斌

大唐集团鄂尔多斯市国源矿业有限公司

内蒙古  鄂尔多斯  010300

摘要：松软煤层因其透气性差、强度低、瓦斯放散能力强等特点极易诱发瓦斯事故灾害，为此，科研工作者做了大量的研究工作。本文采用文献综述的方法对软煤孔裂隙结构特征、瓦斯吸附解吸规律研究现状进行了阐述，指出了不足之处。同时，从软煤增透技术原理角度出发，总结了现有软煤增透促抽技术，并分析了其局限性和使用条件。

关键词：软煤，孔裂隙，吸附解吸，增透促抽

 1.引言

随着我国煤矿开采深度的不断增加，深部煤层复杂的地质构造、高地应力、高瓦斯压力和含量、低渗透率、低强度等特点进一步加深。软煤是在一期或多期构造应力作用下煤体原生结构、构造发生不同程度的脆裂、破碎或韧性变形或叠加破坏甚至达到内部化学成分和结构变化的构造煤。研究软煤层孔隙结构特征及其中瓦斯运移规律是掌握软煤层瓦斯涌出规律的前提，采用合适的软煤增透措施是提高瓦斯抽采率，也是实现煤与瓦斯安全共采的基础，因此对低渗软煤的研究现状进行总结与分析，对软煤研究方向与发展有着重要的现实意义。

2．软煤孔裂隙特征研究现状

软煤是一种孔-裂隙双重介质，其孔隙特征决定着软煤的吸附、扩散和渗流特性。前人对软煤孔裂隙结构特征做了大量研究，许满贵等基于分形几何理论，采用低温氮吸附试验方法，对软硬煤体孔隙结构特征研究后得出软煤孔隙数量比硬煤较多，孔隙内表面更大，对瓦斯的吸附势能大。顾熠凡等基于压汞法分析对比了软、硬无烟煤孔隙结构特征得出软煤微孔孔体积较为发育，总孔面积略高于硬煤。孟然等通过压汞实验、低温氮吸附实验、扫描电镜实验、X 射线衍射实验，得出软煤内孔隙主要以小孔、微孔为主,并分析了软煤孔隙结构分形特征规律。田敬等通过压汞法分析了软硬煤孔隙结构，得出了软煤的孔容及表面积大于硬煤，对煤层气的吸附能力更佳的结果。Wei, P.采用压汞法、低温液氮吸附法和扫描电子显微镜对软煤层孔隙结构特征进行了研究,并基于分形理论对软煤的孔隙结构进行了表征。

 3瓦斯吸附-解吸特性研究现状

煤层中的瓦斯主要以吸附和游离两种状态存在于孔裂隙中，游离瓦斯含量较少，状态服从理想气体方程，吸附态瓦斯占比80%~90%，状态服从Langmuir吸附方程，两种状态相互转化受外界环境的影响。

岳基伟等]根据热力学原理及煤对甲烷吸附机理,建立了煤的孔径对甲烷吸附层厚度的方程,数值分析了吸附压力和孔径对吸附层厚度的影响，研究结果表明，煤体对甲烷的吸附是不同分子层的集合，吸附层厚度理论很好地揭示了软/硬煤对甲烷吸附特征，预测煤层瓦斯含量提供新方法。李树刚等运用 Langmuir 单分子层吸附理论，对硬软煤处于不同质量比条件下混合煤样对其吸附特性的影响进行了实验研究，指出软煤质量和其上部硬煤质量近似相等时，吸附常数a及放散初速度ΔP达到最大值，吸附常数b达到最小值。刘彦伟等研究了软、硬煤粒瓦斯扩散速度、扩散系数的差异特征随粒径的变化规律。郝富昌等对不同变质程度软硬煤的瓦斯解吸进行研究，采用幂函数描述了软硬煤的解吸规律，指出煤的破坏类型和变质程度是影响瓦斯解吸量的主要因素。孙丽娟等研究了不同煤阶软硬煤的解吸规律及其控制机理，确定了不同变质程度煤的突出区域预测瓦斯含量临界值，并分析瓦斯含量损失量计算方法的可靠性。

软煤层受地质构造作用，强度极低，手捻即成粉末状，无法加工原煤试件，国内外不少学者选择使用型煤作为研究对象。由于原煤能更最大程度保留煤体中的原始构造痕迹，符合现场情况，与型煤结构上也存在着差异，故其研究结果也势必会受到影响。

4.软煤增透促抽技术

4.1.保护层开采卸压增透

保护层开采是瓦斯突出区域防治措施之一，也是迄今为止最经济有效的瓦斯防治措施。其基本原理是开采卸压增透：煤是一种非均质的多孔介质材料，内部存在大量的孔裂隙。当保护层开采后，顶底板煤岩体发生变形与移动，导致新裂隙的产生和初始裂缝的扩展，同时，开采的保护层为围岩卸压膨胀提供了空间，提高了被保护煤层透气性，破坏了煤中瓦斯吸附、解吸平衡，使大量吸附态瓦斯转化为游离态瓦斯，并且围岩的变形为瓦斯运移提供了通道，从而降低煤层瓦斯压力及含量。此过程众多因素影响着被保护层的消突实现，对此国内外学者开展了大量的研究工作。

一般有保护层开采条件的矿井会优先采用保护层开采区域瓦斯防治措施，但保护层开采有一定的局限性：开采对象是具有煤与瓦斯突出危险的煤层群，不适用于无开采保护层条件的单一煤层，同时要求保护层与突出煤层有一定的距离，且在开采保护层时不破坏被保护层等。

4.2.深孔预裂爆破

深孔爆破预裂增透技术是通过引爆施工孔内的炸药，利用炸药的爆破能量使爆破孔周边的煤体发生破裂与松动形成卸压区域，煤体原始集中应力带及高压瓦斯带移向煤体深部，改变了煤体应力分布，降低瓦斯压力梯度和应力梯度，增加煤层孔隙率和透气性，提高煤层瓦斯抽采率，使煤体

瓦斯含量减少了，从而降低煤体瓦斯压缩内能，同时提高了煤体的机械强度，减弱或消除了煤与瓦斯突出危险性。该技术增透效果明显、工艺简单，可以通过布置辅助孔，使裂隙向多个方向扩展。但其现实推广应用还存在许多局限性：如顺层钻孔深度在100米以上时，炸药装药难度非常大，同时炸药与炸药、炸药与雷管之间的耦合容易失效形成“哑炮”问题，这种情况必须及时处理以免采掘机械切割时发生引爆，处理的难度和危险性也非常高，并且我国对炸药的管制要求极其苛刻，购买、运输程序异常繁琐。

4.3水力增透技术

当水侵入煤体内部后，使得煤体湿润，脆性减弱，可塑性增强，降低了煤体的弹性势能，间接的提高了煤体抵御突出的能力。同时由于水楔和水解作用，增大了煤粒间距，降低煤体分子间作用力，使得原生孔裂隙连通和新孔裂隙扩展，进而破坏煤体结构。因此从水对煤体的改性角度来说，水力增透技术的应用发展前景巨大。

4.3.1水力冲孔（扩孔）增透技术

水力冲孔的作用原理是通过高压水射流的冲击力，将一部分瓦斯伴随着破碎的煤体排出孔外，造成钻孔周围煤体的破碎垮落形成“空穴”，煤体应力重新分布，集中应力带向煤体深部转移，空穴附近煤体会向空穴形成的自由空间移动，使得煤体卸压，打破了瓦斯吸附与解吸的动态平衡，部分吸附瓦斯转化成游离瓦斯，同时煤体内部结构随着应力的不断变化发生破坏，孔裂隙扩展、贯通，提高煤层透气性，降低煤与瓦斯突出潜能。该技术缺点是：瓦斯涌出不均匀，喷孔严重，频繁导致瓦斯浓度超限；排水，排渣困难，作业环境恶劣，主要适用于具有自喷能力软煤层]。

4.3.2水力挤出增透技术

水力挤出增透技术作用原理是在掘进面前方打钻封孔后，利用水泵对钻孔中、高压注水，当注水速度超过煤体渗透速度致使煤体破裂，并向掘进形成的自由空间整体位移，产生大量裂隙，增加注水孔可控制煤体范围内煤体的渗透性能，提高煤体的预抽瓦斯效率。其缺点是：注水压力尤为关键且不易控制，水压过低，挤出效果不明显，水压过高，导致煤体不均匀移动，甚至将煤体抛出引发瓦斯突出。

5.结论

1.在研究软煤孔裂隙结构特征的众多手段中，前人主要采取压汞法和低温液氮吸附法对比软硬煤孔裂隙结构差异来分析软煤，虽然操作简单，但是实验过程人为干预较多，CT法是目前研究软煤孔裂隙较为理想的手段。

2.前人对软煤研究成果丰富且具有带代表性，但试验样品都是型煤，不能很好的保存煤体中原始构造痕迹，也不符合现场实际情况。

3.对我国现有的软煤增透技术措施做了综合，并从技术原理角度出发，对比分析了各自的优缺点。增透措施的选用一般要根据不同煤层赋存条件，选取合适的一种或几种方法实施。

参考文献