本發(fā)明涉及一種含瓦斯煤體增透方法，尤其涉及一種含瓦斯煤體多級(jí)增透方法，屬于煤礦防瓦斯突出安全治理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位。近年來，我國(guó)煤礦在安全上的投入極大，也取得了較好的效果。然而煤礦事故時(shí)有發(fā)生。統(tǒng)計(jì)表明，礦井瓦斯事故和頂板事故占總事故的80％以上，其中礦井瓦斯事故因危害度強(qiáng)、傷亡率高、造成經(jīng)濟(jì)損大而成為煤礦的第一殺手。可見，礦井瓦斯治理成為減少甚至杜絕瓦斯事故的根本所在。而滲透率低已經(jīng)成為制約煤層瓦斯抽采的關(guān)鍵因素，提高煤層滲透率，是瓦斯災(zāi)害治理和資源利用的根本途徑。

工程實(shí)踐表明，含瓦斯煤體的滲透性與其本身的完整性及所處的應(yīng)力環(huán)境相關(guān)，不同賦存區(qū)域的含瓦斯煤體滲透性差異顯著。目前煤層增透的主要技術(shù)方法有水力壓裂增透、高壓水射流擴(kuò)孔增透、水力割縫增透、深孔控制預(yù)裂爆破增透等，這些方法在一定程度上取得了積極效果，然而也存在著某些缺陷，主要體現(xiàn)在兩方面：一是技術(shù)本身上的缺陷，主要表現(xiàn)為：卸壓增透效果持續(xù)性差，可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中、突出危險(xiǎn)性增加甚至誘發(fā)沖擊-突出復(fù)合型動(dòng)力災(zāi)害；二是與煤層適應(yīng)性問題，主要表現(xiàn)為：在褶曲地帶的含瓦斯煤體由于瓦斯含量高、煤粒度小、殘余力學(xué)強(qiáng)度低、滲透率低、水敏性強(qiáng)等突出特性，水利化措施尤其是水力壓裂效果甚微，往往達(dá)不到預(yù)期的增透效果。

發(fā)明專利-一種氣液固三相耦合爆破弱化沖擊地壓及增透方法(CN 103161493 B)，其主要是向爆破孔注水后再進(jìn)行爆破，使普通氣固兩相爆破轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖汗倘啾疲猛ㄟ^水壓爆破產(chǎn)生水中沖擊波、射流及二次壓力波等作用來增強(qiáng)爆破效果，但該方案存在煤層吸水速度慢，煤體彈性能降低不充分、注水耗時(shí)長(zhǎng)且工程量大的問題。發(fā)明專利-化學(xué)反應(yīng)防治煤層沖擊地壓的方法(CN 103061766 B)通過配置堿性溶液注入煤體，利用堿性溶液可溶解煤中有機(jī)物，進(jìn)而消除沖擊傾向性，但主要是針對(duì)R_o,max＜0.6％的低階煤層，適用性上受到制約。發(fā)明專利-一種煤層氣近井地帶化學(xué)解堵方法(CN 103541713 B)通過在煤儲(chǔ)層近井地帶的煤層段注入適量乙醇，對(duì)煤進(jìn)行萃取和抽提，從而達(dá)到提高煤儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率的目的，但該方案成本較高且利用乙醇對(duì)煤萃取和抽提的能力有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種含瓦斯煤體多級(jí)增透方法，在確定煤層賦存區(qū)域地質(zhì)條件、煤的變質(zhì)程度、煤的種類及瓦斯參數(shù)的前提下，根據(jù)煤層是否處于斷層、褶曲部位，采取不同方案實(shí)現(xiàn)含瓦斯煤體的一級(jí)增透并對(duì)增透效果進(jìn)行檢驗(yàn)，若滿足預(yù)定效果，則利用一級(jí)增透的方案對(duì)整個(gè)煤層進(jìn)行增透；若不滿足預(yù)定效果，則在一級(jí)增透的基礎(chǔ)上，對(duì)含瓦斯煤體進(jìn)行二級(jí)酸化增透；待二級(jí)酸化增透結(jié)束，對(duì)含瓦斯煤體進(jìn)行瓦斯抽采。為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種含瓦斯煤體多級(jí)增透方法，包含以下步驟：

(a)確定煤層賦存區(qū)域地質(zhì)條件、煤的變質(zhì)程度、煤的種類及瓦斯參數(shù)；

(b)根據(jù)步驟(a)，若煤層處于斷層、褶曲部位，采用二氧化碳爆破或高壓水爆實(shí)現(xiàn)含瓦斯煤體的一級(jí)增透；反之，采取水力壓裂實(shí)現(xiàn)含瓦斯煤體的一級(jí)增透；

(c)根據(jù)步驟(b)對(duì)一級(jí)增透的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，若滿足預(yù)定效果，則利用一級(jí)增透的方案對(duì)整個(gè)煤層繼續(xù)進(jìn)行增透；若不滿足預(yù)定效果，則在一級(jí)增透的基礎(chǔ)上，對(duì)含瓦斯煤體進(jìn)行二級(jí)酸化增透；

(d)待二級(jí)酸化增透結(jié)束，對(duì)含瓦斯煤體進(jìn)行瓦斯抽采。

進(jìn)一步，步驟(b)中所述褶曲為向斜或背斜。

進(jìn)一步，步驟(b)中所述斷層為逆斷層。

進(jìn)一步，步驟(c)中所述對(duì)一級(jí)增透的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，其具體方法為：以一級(jí)增透后的單孔平均瓦斯抽采純量Q₂為依據(jù)，若滿足Q₂≥70Q₁，Q₁為未增透時(shí)的單孔平均瓦斯抽采純量，單位為m³·min^-1，則一級(jí)增透效果合格；否則采取二級(jí)酸化增透。

進(jìn)一步，步驟(c)中所述二級(jí)酸化增透的措施為：對(duì)一級(jí)增透的含瓦斯煤體注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別對(duì)應(yīng)為15％-20％、2％-4％、1％-2％的鹽酸、氫氟酸、醋酸的混合酸液。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1.在充分考慮含瓦斯煤體的滲透性與其本身的完整性及所處的應(yīng)力環(huán)境相關(guān)性的前提下，結(jié)合不同賦存區(qū)域含瓦斯煤體滲透率的差異行，針對(duì)斷層、褶曲部位的含瓦斯煤體與非斷層、褶曲部位的含瓦斯煤體分別采取不同增透措施并對(duì)增透效果檢驗(yàn)，且提出了二級(jí)酸化增透，針對(duì)性、目的性強(qiáng)，增透效果顯著。

2.二級(jí)酸化增透采用鹽酸、氫氟酸及醋酸等多組分酸性溶液，其中以鹽酸作為主體酸，可有效溶解煤中的碳酸鹽巖類礦物成分及硫化物，并且在煤層中保持較低PH值，可抑制氫氧化鐵沉淀生成；氫氟酸作為一種輔助酸，用于溶解煤層中所含有的硅酸鹽巖類礦物成分；醋酸作為有機(jī)酸，屬于弱酸起輔助作用，可緩蝕緩速酸化能力，進(jìn)而可使酸化程度最優(yōu)化，同時(shí)酸化屬于放熱反應(yīng)，更有利于吸附瓦斯的解吸釋放，進(jìn)而增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采率。

3.煤中所含可與酸性溶液反應(yīng)的主要碳酸鹽及硫化物屬于煤的無機(jī)物質(zhì)中的礦物質(zhì)類，是有害成分且是煤中的主要雜質(zhì)，在一級(jí)增透不明顯的情況下采取二級(jí)酸化增透，實(shí)現(xiàn)增透的同時(shí)也提高了煤的質(zhì)量和利用價(jià)值，是一種一舉兩得的舉措。

4.針對(duì)不同賦存區(qū)域含瓦斯煤體進(jìn)行多級(jí)增透，不僅顯著增加了煤層的透氣性，提高了瓦斯抽采率，而且對(duì)于沖擊地壓-煤與瓦斯突出等煤礦復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的防治也具有積極意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種含瓦斯煤體多級(jí)增透方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例方案中多級(jí)增透前后單孔平均瓦斯抽采純量分布柱狀圖。

具體實(shí)施方式

為充分體現(xiàn)本發(fā)明的特征與優(yōu)點(diǎn)，下面將結(jié)合具體實(shí)施例及附圖予以詳細(xì)敘述。

研究背景：某礦C2煤層11105工作面，采用走向長(zhǎng)壁采煤法開采，其中傾向長(zhǎng)度80m，走向長(zhǎng)度600m，厚度0.75-2.25m，平均厚度1.5m，煤層傾角2°，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、層位較穩(wěn)定、附近無斷層、褶曲等構(gòu)造，區(qū)內(nèi)可采，屬較穩(wěn)定型煤層。上距C3煤層平均17.35m，下距C1煤層平均24.65m，頂板巖性為泥巖及砂質(zhì)泥巖局部含有粉砂巖，底板巖性以粉砂質(zhì)泥巖為主?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定絕對(duì)瓦斯壓力最高達(dá)1.95MPa，最低1.25MPa，直接法測(cè)定煤層高瓦斯含量最高達(dá)21.4468m³/t，屬于典型煤與瓦斯突出型礦井，煤層中硬，無煙煤，變質(zhì)程度高，煤質(zhì)較好，透氣性系數(shù)0.012m²/(MPa²·d)，屬于典型含瓦斯難抽煤層。

如圖1所示，一種含瓦斯煤體多級(jí)增透方法，包含步驟如下：

在該礦11105工作面回風(fēng)巷中以30°傾角沿煤層開設(shè)多個(gè)鉆孔，其中以一個(gè)控制孔與一個(gè)導(dǎo)向孔組成一個(gè)增透單元，以5m距離等間距分別在傾斜方向布置8個(gè)增透單元，走向方向布置7個(gè)增透單元作為一個(gè)增透階段，根據(jù)走向長(zhǎng)度總共劃分為10個(gè)增透階段。

步驟1，對(duì)工作面前3個(gè)增透階段不采取任何增透措施直接進(jìn)行鉆孔瓦斯預(yù)抽并獲取未增透時(shí)的單孔平均瓦斯抽采純量Q₁(0.0016m³·min^-1)；對(duì)工作面最后3個(gè)增透階段實(shí)施水力壓裂增透并獲取增透后的單孔平均瓦斯抽采純量Q₂；

步驟2，分別將未增透時(shí)的單孔平均瓦斯抽采純量Q₁(0.0016m³·min^-1)及實(shí)施水力壓裂增透后的單孔平均瓦斯抽采純量Q₂(0.104m³·min^-1)，發(fā)現(xiàn)Q₂＝65Q₁并不滿足Q₂≥70Q₁；因此，需要實(shí)施二次酸化增透；

步驟3，在前期水力壓裂增透的基礎(chǔ)上，通過對(duì)增透單元注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別對(duì)應(yīng)為15％-20％、2％-4％、1％-2％的鹽酸、氫氟酸、醋酸的混合酸液封孔并保持設(shè)定時(shí)間不低于10天；

步驟4，待二級(jí)酸化增透結(jié)束，對(duì)含瓦斯煤體進(jìn)行瓦斯抽采。

其中，步驟3中對(duì)增透單元注入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混合酸液，操作過程如下：

現(xiàn)場(chǎng)取煤樣，對(duì)取回的煤樣進(jìn)行加工使其滿足實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)要求，利用電鏡掃描、CT或核磁共振觀測(cè)煤樣的微觀結(jié)構(gòu)，利用X射線衍射及熒光光譜查明煤樣中可與酸反應(yīng)的碳酸鹽巖、硅酸鹽巖及硫化物種類并利用標(biāo)定法確定含量。表1給出了本實(shí)施例煤樣中所含可與酸性溶液反應(yīng)的碳酸鹽巖、硅酸鹽巖及硫化物成分及含量。

表1

通過煤粉溶蝕率測(cè)定實(shí)驗(yàn)確定適合本煤層的復(fù)合酸液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，具體操作過程如下：將煤樣研磨成80目的煤粉，用分析天平稱取4份煤粉各3g，精度為0.001g；將煤粉與酸液按一定比例倒入玻璃量筒中，再放入60℃的恒溫水浴臺(tái)中進(jìn)行加熱反應(yīng)；反應(yīng)達(dá)到預(yù)定時(shí)間3h后，將量筒從恒溫水浴臺(tái)中取出，過濾把剩下的煤粉以及濾紙放入干燥箱中，直至恒重；根據(jù)酸化前后煤粉的質(zhì)量變化，計(jì)算出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合酸液對(duì)煤粉的溶蝕率，確定出合適的酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

溶蝕率K計(jì)算表達(dá)式為：

式中，m₁-酸化前煤粉質(zhì)量，g；m₂-酸化后煤粉質(zhì)量，g；

由表1分析可知，該煤樣中所含硅酸鹽巖較多，在溶蝕率測(cè)定時(shí)，適當(dāng)提高混合酸液中HF的比例，試驗(yàn)最終確定選取的適合本煤層的混合酸液為18％HCL+4％HF+2％CH₃COOH。

通過步驟3二級(jí)酸化增透之后，在抽采前，對(duì)二級(jí)酸化增透效果做進(jìn)一步檢驗(yàn)(圖2)，此時(shí)，發(fā)現(xiàn)Q₂(0.152m³·min^-1)，Q₂＝95Q₁滿足Q₂≥70Q₁，將抽采系統(tǒng)接入進(jìn)行瓦斯抽采。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。