张永民1,蒙祖智2,秦勇3,张志峰4,赵有志1,邱爱慈1

1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室；2.贵州水矿控股集团有限责任公司；3.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室；4.宁夏煤田地质局

研究背景

松软煤层瓦斯低成本高效抽采是世界性技术难题,根源在于煤层渗透率极低且增透难度极大。针对这一难题,我国采矿界近20a来研发成功保护层卸压煤与瓦斯共采一体化模式及其配套工艺技术,探索了声震、超声波、深孔预裂爆破、水射流钻割一体化等增透新方法,推动了我国矿井瓦斯抽采效率的大幅度提高。

然而,抽采工艺复杂、成本高的问题并未真正解决。2010年以来,笔者基于前期核技术领域的研究基础,提出了可控冲击波增加煤层渗透率的设想,研究了可控冲击波与煤层相互作用机理,在神东集团保德煤矿进行了井下煤层增透先导性试验。此后,以贵州水城中井煤矿10903采煤工作面为示范对象进行批量钻孔作业,在国际上首次成功实现井下松软煤层可控冲击波增透,取得了技术创新、抽采效率的双突破。

摘要

松软煤层瓦斯低成本高效抽采属于世界性技术难题之一,中井煤矿回采工作面规模煤层可控冲击波增透效果为解决这一难题提供了一个成功示范。通过可控冲击波增透煤层钻孔,单孔日均瓦斯抽采量平均提高3.37倍,最高达到6.54倍,瓦斯浓度平均提高2.31倍,增透有效半径可达40~60m,将原来的难以抽采煤层转变为可以抽采~容易抽采煤层,需要的钻孔工程量只有传统抽采工程的11%~18%。

在钻孔直径、冲击能量条件相同条件下,示范区煤层增透的最佳冲击密度在1.0~1.1次/m,增透段长度应大于120m;在最佳冲击密度条件下,回采工作面抽采孔增透效果主要与抽采开始时机、周围抽采环境有关,巷道掘进暴露越晚以及回采工作面增透孔相互干扰越明显,抽采效果越好。

与传统钻孔抽采流量幂指数单调衰减曲线形态不同,增透孔瓦斯流量曲线表现为“两段式”变化的典型特征,其中多数孔第1阶段流量曲线出现类似于煤层气地面井排水降压的流量“峰”,第2阶段流量衰减系数也远远小于对比基准。

分析认为,产生上述效果的机理在于两个方面:①以冲击波增透孔为中心向外,煤层流场由井巷采动流场向冲击波改造流场过渡,大大扩展了原有的有效流场半径,冲击波改造流场类似于地面井煤层流场,可以通过排水降压形式产出煤层瓦斯;②冲击波改造流场为抽采影响带流场提供了更为充足的瓦斯气源,有效阻滞了瓦斯流量衰减系数的快速降低,显著提高了抽采效果。

张永民，男，1961年12月8日生，陕西韩城人，西北核技术研究所研究员，西安交通大学特聘教授。获得国防科工委科技进步一等奖1次，国家科技进步二等奖2次，军队科技进步一等奖1次、二等奖1次，2007年享受国务院政府特殊津贴。

研究方向

高功率脉冲技术在能源资源开发中的应用研究

主要成果

长期从事高功率脉冲技术研究，是我国低阻抗强流电子束负载的开拓者。三十多年来，一直奋斗在科研工作的第一线，从事基础技术和多学科交叉技术研究。为我国国防科技和拓展脉冲功率技术的应用领域做出了贡献。主要研究低阻抗、高功率脉冲电子束负载，先后主持了“闪光二号”加速器的1欧姆、2欧姆和高能注量（1kJ/cm2）电子束二极管研究和研制，获得了多种流强和能流密度的高功率电子束，完成了“闪光二号”加速器输出单元的研制，并大幅提高了能注量指标。近十年来致力于将基于高功率脉冲技术的可控冲击波技术应用于能源开发领域的研究，在国家“十二五”863、973、自然科学基金、国家科技支撑计划等项目的支持下，研制了具有国际领先水平的可控冲击波产生技术及设备，并应用于油、气、煤炭等能源开发领域，为我国油、气、煤炭资源的高效、可持续开发提出了一条全新的技术途径。

可控冲击波产生器

可控冲击波矿井煤层增透作业现场示意

10903工作面煤层瓦斯抽采工程布置

可控冲击波增透煤层瓦斯钻孔抽采总体效果对比

单孔日均抽采量与最高日均和累计抽采量关系

单孔抽采甲烷体积分数平均值对比

单孔抽采瓦斯甲烷体积分数衰减曲线

可控冲击波增透钻孔煤层瓦斯抽采工程实施情况

冲击密度与煤层钻孔瓦斯抽采效果之间关系

冲击增透段长度与抽采瓦斯量之间关系

冲击密度与钻孔瓦斯抽采量关系

典型孔瓦斯流量曲线及衰减趋势

文中表格

玉舍煤矿两个煤层实测瓦斯参数(引自参考文献[23])

10903工作面煤层瓦斯抽采工程实施情况统计

抽采示范工程瓦斯流量衰减特征统计

张永民,蒙祖智,秦勇,等.松软煤层可控冲击波增透瓦斯抽采创新实践———以贵州水城矿区中井煤矿为例[J].煤炭学报,2019,44(8):2388-2400.

ZHANGYongmin,MENGZuzhi,QINYong,entbycontrollableshockwaveforminegasextraction:AcaseofZhongjingMine,Shuicheng,GuizhouProvince,China[J].JournalofChinaCoalSociety,2019,44(8):2388-2400.

审核：常琛

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