“三軟”低透煤層高壓注氮促抽瓦斯工程實踐

張 一

(鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限責任公司，河南省鄭州市，450000)

煤層透氣性差是我國煤層瓦斯賦存的普遍特征[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國大部分地區(qū)礦井為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，其中95%以上高瓦斯和突出礦井所開采的煤層為低透氣性煤層。煤層低滲透性是當前制約我國瓦斯抽采的瓶頸問題[2]。目前突出煤層采用的強化瓦斯抽采增透技術(shù)措施主要有水力壓裂[3]、高壓水射流割縫[4]、水力沖孔[5]、煤體致裂爆破[6]等，對應于不同的煤層條件，上述技術(shù)措施均取得了一定的效果，但是每一種方法都有其局限性。鄭州礦區(qū)是我國典型的“三軟”煤層發(fā)育區(qū)，主采山西組二1煤，受滑動構(gòu)造影響，地質(zhì)構(gòu)造復雜，煤層破壞嚴重，煤體松軟、透氣性差，煤層滲透率為0.003～0.008 md。針對鄭州礦區(qū)“三軟”煤層瓦斯地質(zhì)特性，鄭煤集團相繼在煤礦井下展開水力沖孔、水力作業(yè)機鉆孔修復再利用、水力壓裂、水力割縫、深孔預裂爆破增透的試驗與應用。結(jié)果表明，穿層鉆孔水力沖孔增透卸壓技術(shù)對于“三軟”突出煤層瓦斯抽采和防治煤與瓦斯突出工作取得了較好的效果。隨著礦區(qū)淺部資源不斷枯竭，逐漸轉(zhuǎn)向深部開采，原巖應力、瓦斯含量、地質(zhì)復雜程度逐漸增大，煤層透氣性更差，造成煤與瓦斯突出的危險程度更大，致使底板巖巷穿層鉆孔水力沖孔卸壓增透預抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施遇到了困難和障礙。

近年來，受注氣增產(chǎn)天然氣技術(shù)的啟發(fā)，向煤層中注氣促抽煤層瓦斯逐漸被廣大科技工作者關(guān)注。尤其是應用二氧化碳或氮氣(N2)驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)已成為世界性的研究熱點。國際上，相關(guān)現(xiàn)場試點已經(jīng)在美國、澳大利亞和加拿大等國家開展[7-9]。在國內(nèi)，不同學者對于二元氣體的置換吸附現(xiàn)象[10-11]、驅(qū)替過程的滲透率變化規(guī)律[12-13]和地面、井下驅(qū)替的現(xiàn)場試驗[14-16]也都開展了很多研究，研究結(jié)果表明向煤層中注入氮氣可起到明顯的促排/抽瓦斯效果。

通過歸納、分析前人井下注氮促抽瓦斯試驗對比發(fā)現(xiàn)：注氣氣源均為壓縮空氣，N2濃度不超過80%；注氣壓力基本上在1 MPa、注氣時間較短，最長不超過7 d。目前，隨著注氮促抽瓦斯技術(shù)效果愈發(fā)顯著，工程應用愈來愈多，技術(shù)宏觀層面上呈現(xiàn)高純度、高壓力、長時間的趨勢特性，大量的試驗表現(xiàn)為注氮純度>80%、注氮壓力>1 MPa、注氮時長>7 d，但對該現(xiàn)象尚沒有深入、細觀的試驗和研究，為此筆者對長時間高壓注入高純度氮氣促抽/排瓦斯進行了試驗研究，以期進一步完善注氣技術(shù)理論，彌補該技術(shù)在廣度和深度上的研究。

1 試驗設(shè)備與研究方法

1.1 試驗設(shè)備

高壓注氣系統(tǒng)由煤礦用螺桿式移動空氣壓縮機(MLG28.8/1.25-220G)、井下移動式制氮機(DM-600/10(L))、高壓膠管、氣體增壓泵、高壓儲氣罐等組成，如圖1所示。

圖1 高壓注氮試驗裝置

1.2 研究方法

為避免采動影響，注氣試驗采用穿層孔注氣，試驗地點在趙家寨煤礦石門揭煤工作面穿層排放孔和底板巖巷穿層抽采孔進行，試驗所用氣體為高純氮氣(97%)。注氣試驗前，對試驗孔定時監(jiān)測瓦斯?jié)舛群土髁浚瑴y試氣體組分，試驗過程中間隔12 h測試一組上述參數(shù)。試驗共分3組，第1組試驗間歇注氣對煤層瓦斯自然排放效果的影響，注氣壓力為1.5 MPa；第2組試驗間歇注氣對不同間距抽采孔的影響，注氣壓力為2.5～4 MPa；第3組試驗連續(xù)注氣對不同間距抽采孔的影響，注氣壓力為6 MPa，試驗參數(shù)如表1所示，鉆孔布置如圖2和圖3所示。

圖2 石門揭煤工作面注氮促排瓦斯試驗鉆孔布置

圖3 底板巖巷穿層鉆孔注氮促抽瓦斯試驗鉆孔布置

表1 井下現(xiàn)場試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果

2018年1月-7月，通過試驗監(jiān)測，得到了不同注氣壓力、不同鉆孔間距條件下注氣前后的瓦斯流量隨時間的變化曲線，如圖4～圖6所示。

圖4 注氣壓力1.5 MPa時注氣前后各測試孔流量變化規(guī)律(2018年)

圖5 注氣壓力2.5～4 MPa時注氣前后各測試孔抽采效果對比(2018年)

圖6 注氣壓力6 MPa時注氣前后各測試孔抽采效果對比(2018年)

2.1 注氮驅(qū)替瓦斯效果分析

從圖4可以看出，注氣實施后，產(chǎn)1-1、產(chǎn)1-2號鉆孔混合氣體流量有大幅度提高，分別由原來的0.093 L/min和0.047 L/min增加到2.03 L/min和0.423 L/min，增長幅度分別為21.8和9倍；其純瓦斯流量分別由原來的0.074 L/min和0.026 L/min增加到0.311 L/min和0.16 L/min，分別增加了4.2和6.2倍。一旦停止注氣，混合氣體流量開始明顯下降，但仍高于注氣前自然排放流量。隨著注-產(chǎn)鉆孔間距的增大，產(chǎn)氣孔混合流量增幅更緩慢，第1次停注(間歇性注氣11 d)前，產(chǎn)1-1號鉆孔增幅14.3倍，產(chǎn)1-2鉆孔增幅3.8倍。產(chǎn)1-3號鉆孔混合流量在注氣前、后沒有明顯的變化，說明1.5 MPa的壓力下，注氣有效影響半徑達不到3 m。通過多次測試的綜合分析得出：在1.5 MPa壓力下，試驗煤層有效注氣半徑為2 m，注氣后總瓦斯排放量較常規(guī)排放量提高3倍以上，促排瓦斯效果明顯。

從圖5可以看出，注氣試驗開始后(初始注氣壓力為2.5 MPa)，抽2-1、抽2-2號孔混合流量和瓦斯純量均有顯著提升，一旦停止注氣，流量便開始下降；第4次注氣(2018年8月25日到9月4日，注氣壓力由2.5 MPa上調(diào)到4 MPa)期間，隨著注氣壓力逐漸增大，混合流量呈現(xiàn)出正比例增大的趨勢，說明混合流量的增長幅度與注氣壓力呈正比關(guān)系。

從圖6可以看出，注氣實施后，抽3-1、抽3-2和抽3-3號孔混合流量和瓦斯純量迅速增大，2018年9月28日混合流量和瓦斯純量下降后趨于穩(wěn)定，至10月16日無明顯變化，抽3-4號鉆孔因封孔注漿過程中堵死未觀測到氣體流量。對比分析圖5和圖6可得，長時邊注邊抽的注抽效果好于間歇注抽效果。通過多次測試的綜合分析得出：在6 MPa壓力下，試驗煤層有效注氣半徑為6 m，注氣后瓦斯抽采純量提高6倍以上，促抽瓦斯效果顯著。

2.2 注氣前后煤層瓦斯含量及瓦斯組分變化

注氣前分別利用抽2-1、抽3-2號鉆孔取樣，注氣35 d后，用同樣的方法在距注氣孔同樣的距離處取樣，進行煤樣現(xiàn)場解吸、實驗室抽真空殘存量對比測定。結(jié)果表明：注氣后煤層瓦斯含量分別由7.56 cm3/g和8.52 cm3/g下降到5.06 cm3/g和6.38 cm3/g，降低幅度分別為33.07%和25.38%，其中注氣后煤樣解吸24 h后的殘存瓦斯含量分別降低了17.3%和16.1%，注氣前后煤層瓦斯含量及瓦斯組分測試結(jié)果見表2。從表2可以看出，注氣后瓦斯不再是CH4占絕大比例，CH4成分分別由93.74%和97.12%下降到82.64%和79.06%，相應的N2成分有大幅度上升，分別由原來的1.25%和0.94%增加到7.28%和12.38%，這就從宏觀上證明了N2對CH4的置換作用。

表2 注氣前后煤層瓦斯含量及瓦斯組分測試結(jié)果

3 注氮驅(qū)替瓦斯分析

3.1 注氮驅(qū)替瓦斯機理

根據(jù)文獻2，在煤層連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)中，N2和CH4都表現(xiàn)為線性滲流作用，且以層流運動為主，符合達西(Darcy)定律，即：

(1)

式中：q——氣體總的滲流速度，m/s；

k——煤體的滲透率，m2；

μ——氣體組分的動力粘性系數(shù)，N·S·m2；

p——總壓力，MPa；

▽——Hamilton算子，表示取其后面量的梯度。

當游離瓦斯在煤體中流動時，在瓦斯壓力梯度(壓力差)的驅(qū)使下向瓦斯壓力較低的暴露面(煤壁或鉆孔壁)流動，隨著抽采過程的進行，壓力梯度逐漸減小。當瓦斯壓力梯度所提供的動力不足以克服瓦斯流動阻力時，煤層裂隙中的游離瓦斯就處于“停滯”狀態(tài)。高壓氮氣通過鉆孔被強制注入煤體后，增強了煤層內(nèi)本身流體(瓦斯+氮氣)的壓力，從而減小了煤層所受的有效應力，增加了注氣端和析氣端的壓力梯度，即提供了滲流所需的能量，使滯留在裂隙中的瓦斯重新獲得了流動動力，如圖7所示。因此，氮氣在煤層裂隙中對游離瓦斯實際上起到了“驅(qū)趕”的作用，增加了其流動的動力，使CH4被N2攜帶和運載出來。

3.2 注-抽鉆孔布置分析

目前鄭煤集團骨干突出礦井主要采用穿層鉆孔水力割縫增透卸壓技術(shù)作為區(qū)域瓦斯治理措施，鉆孔間距按6 m×6 m布置，平均抽采周期180 d。綜合上述底板巖巷穿層條帶孔注氮促抽瓦斯試驗結(jié)果可知，在6 MPa壓力下，有效注氣半徑為6 m，即抽采鉆孔間距可按12 m×12 m布置，中間布置一排注氣鉆孔，瓦斯抽采期76 d。從本次試驗統(tǒng)計可以得出，同樣消突范圍內(nèi)采用注氮驅(qū)替措施鉆孔工程量較采取水力割縫增透措施鉆孔工程量減少30%。

圖7 注氮驅(qū)替促抽瓦斯流動動力原理

3.3 經(jīng)濟分析

以走向長度200 m、傾斜寬度65 m的煤巷條帶為例，采取穿層鉆孔水力割縫增透措施，按照鉆孔間距6 m×6 m布置，需要施工408個鉆孔，采取注氮驅(qū)替措施，按照鉆孔間距12 m×12 m布置，需要施工276個鉆孔，鉆孔平均孔深45 m。2種措施執(zhí)行過程中產(chǎn)生的費用情況如圖8所示。

從圖8可以看出，同樣區(qū)域采取注氮驅(qū)替措施治理瓦斯所需費用較采取水力割縫措施治理瓦斯所需費用減少30%。

圖8 2種措施產(chǎn)生的費用情況對比

4 結(jié)論

(1)煤層井下注氮驅(qū)替瓦斯試驗表明，在注氣壓力為1.5 MPa時，注氣影響半徑不超過2 m。煤層注氮氣后，影響范圍內(nèi)的排放瓦斯孔混合流量增加了9～21.8倍，純瓦斯流量增加了4.2～6.2倍，促排瓦斯效果明顯。

(2)井下穿層鉆孔注氣+抽采工藝措施的現(xiàn)場考察結(jié)果表明，抽采孔混合流量的增長幅度與注氣壓力呈正比關(guān)系，長時邊注邊抽的注抽效果好于間歇注抽效果，在6 MPa壓力下，注氣有效半徑為6 m。注氣35 d后煤層瓦斯含量降低了25.38%，煤中解吸的氣體組分中，CH4濃度由97.12%下降到79.06%，N2濃度由0.94%增加到12.38%，從宏觀上證明了N2對煤中CH4的置換作用。

(3)在注氣壓力6 MPa，注氣有效半徑6 m條件下，同樣消突范圍內(nèi)采用注氮驅(qū)替措施鉆孔工程量較采取水力割縫增透措施鉆孔工程量減少30%，瓦斯治理費用減少30%，預抽瓦斯達標時間縮短57%。