煤层气低渗富集区地面开采关键技术

　　高应力和高能瓦斯是煤与瓦斯突出的主要能量来源，我国高瓦斯突出煤层一般透气性较低，钻孔抽采瓦斯衰减快，直接影响到突出灾害防治效果。对无保护层开采的低透气性突出煤层，水力化措施是最有效的卸压增透强化抽放消突技术。近年来，研究团队针对水力挤出、水力冲孔、水力压裂和水力掏槽等水力化措施应用过程中存在的技术难题，完善了水力化措施卸压增透消突机理，研发了相关技术装备，提高了措施的适应性和有效性，为水力化措施的实施和推广应用奠定了基础，取得多项创新性成果。

　　(1)完善了水力挤出消突机理，研发了水力挤出防突技术装备

　　搭建了水力挤出瓦斯解吸实验装置，实验验证了水力挤出对煤层瓦斯的抑制作用。通过实验室实验、计算机模拟和现场考察，研究了水力挤出卸压增透范围和瓦斯释放效果，完善了水力挤出防突机理。研究表明：注水过程中煤体被压裂疏松，煤体向巷道方向产生了较大位移，工作面前方应力集中带向煤体深部移动，卸压带增宽;水力挤出措施过程中，煤体透气性增强，产生裂隙，煤体中的瓦斯得以较充分的释放;注水后由于高压水的封堵作用，使得注水后瓦斯由吸附状态向游离态解吸困难，瓦斯涌出量降低;工作面钻孔范围内的煤体被充分湿润，其力学性质发生改变，弹性潜能降低，增强了煤体的塑性，因冲击地压失稳而导致弹性潜能突然释放的可能性大大降低，减弱了突出危险性。

　　研制适用于水力挤出防突措施的SFKA系列和SFKB系列增强型水力封孔器。为了防止水力挤出措施期间巷道瓦斯超限，研制了阻隔抽放气枕，将水力挤出措施过程中涌出的大量瓦斯通过抽放管路抽出，防止工作面瓦斯超限。

　　(2)完善了水力冲孔卸压增透技术

　　根据对多个矿区试验矿井冲孔措施参数的考察，有效破煤压力为12f~20f(MPa)之间，f值取冲孔区域的最大煤体坚固性系数，提出并完善了水力冲孔配套工艺，研发了PZCK-C-*系列水力冲孔喷嘴和冲孔期间防喷孔装置，获得了实用新型专利。

　　通过计算机模拟和现场考察，采取水力冲孔措施后，钻孔周围煤体向孔洞方向发生大幅度的移动造成煤体的膨胀变形和顶、底板间的相向位移，引起在孔洞影响范围内地应力降低，煤层得到充分卸压，裂隙增加，使煤层透气性大幅度增高，使瓦斯流动场扩大，不但排放总量增加，而且衰减也会降低。在淮南潘二矿实施水力冲孔后的抽采浓度和抽放瓦斯纯流量分别提高2.7和2.84倍。

　　(3)完善了水力压裂卸压增透技术工艺装备

　　水力压裂是一种有效增大煤层透气性能的措施，该技术卸压增透效果显著，即可用于防冲，又可作为突出煤层卸压增透强化抽放措施。

　　研究考察了煤层水力压裂起裂压力与煤层埋深存的关系，模拟分析了水力压裂卸压增透范围，优化了水力压裂增透技术工艺，研发了SFKB82/51-1500型水力压裂专用封孔器。通过在平顶山十三矿应用，煤层的透气性显著增加，抽放瓦斯浓度提高15倍左右，单位时间抽放纯量提高40多倍。

　　(4)提出并完善了水力掏槽防突机理及配套技术工艺

　　水力掏槽措施就是利用高压射流破碎煤体、释放大量瓦斯、改变煤体应力状态的过程。研究团队率先在焦作煤业集团开展水力掏槽防突技术研究，进行了水力掏槽防突技术装备配套，优化了水力掏槽技术工艺。

　　经计算机模拟分析和现场考察，研究了水力掏槽卸压增透机理和卸压增透范围，如图4-5所示。水力掏槽开始后，孔槽硐周边煤体受到强烈扰动，顶板泥岩出现强烈剪应力和大的位移运动。由于槽硐周边煤体的破裂导致应力集中带不断向外转移，破裂区域应力得到释放，应力集中情况得到改善。

　　相关水力化技术研究成果在淮南、平顶山、焦作、义马以及山西多个煤业集团几十对矿井进行了推广应用，显著提高了煤层透气性和瓦斯抽采效果，降低了应力集中现象，取得显著的经济和社会效益，研究成果达到国际领先或国际先进水平。