含瓦斯煤体机械振动增透的应力机制初探

摘要：基于我国大部分煤层渗透率低、煤层瓦斯抽采效率低的现状，对增加煤体渗透能力的多种技术进行了应力机制分析；分析表明，采用的多种技术的共同特点是降低煤体的有效应力，从而提高煤体的孔隙和裂隙发育程度，提高煤体的渗透能力。在理论分析和实验研究的基础上提出了声频振动波增透煤体的新思路，对防治煤矿瓦斯灾害和提高煤层气抽采率具有重要的参考价值。

关键词：瓦斯；渗透率；声波

中图分类号：TD712文献标志码：A

[WT]文章编号：1672-1098（2012）04-0014-04

基金项目：国家自然科学基金资助项目（40972105）；安徽省高校自然科学研究资助项目（KJ2011B181）；宿州学院教授（博士）科研启动基金资助项目（2011jb05）

作者简介：李建楼（1973-），男，安徽宿州人，讲师，博士，从事煤地质与瓦斯地质方面的研究。

中国目前的能源结构仍以煤炭为主，煤炭分别占一次能源生产和消费总量的77%和70%。即使考虑技术进步和节能工艺的推广应用，全国煤炭消费总量仍将呈现增长态势，到2020年国内煤炭消费需求总量将超过25亿t。然而，随着煤层开采深度的增加和开采速度的加快，煤矿安全事故时有发生，尤其是煤矿瓦斯灾害严重。煤矿瓦斯灾害给国家和人民的生命财产安全带来巨大威胁，煤矿瓦斯灾害防治始终关系到煤矿的安全高效生产。

煤矿瓦斯事故的发生与煤田地质条件密切相关。我国大部分煤田构造煤发育，原生孔隙和割理系统遭到破坏，后经长期的地应力和地温共同作用下重新压实固结，构造运动活动期产生的大量裂隙闭合，煤层透气性降低，造成瓦斯抽采困难。因此，解决煤层透气性的问题是瓦斯地质灾害防治和煤层气开采的关键。

目前我国采用的煤层增透技术主要包括开采解放层、水力压裂和深孔松动爆破，其它的增透技术仍处于试验研究阶段。

1煤体增透技术应力机制

1.1开采解放层提高渗透率的增透技术

煤矿开采煤层时，首先开采解放层，使被解放层煤体得到卸压，煤体渗透性提高，从而促进瓦斯解吸。文献[1]针对低透气性、高吸附性、高瓦斯煤层群的安全高效开采技术难题，以淮南矿区为主要试验基地，研究了卸压开采采场内岩层移动及应力场分布规律、裂隙场演化及分布规律、卸压瓦斯运移规律等科学规律。现场资料表明，煤层开采后，周围的煤岩层向采空区移动，采空区下方岩体向采空区膨胀开裂成裂隙，使得采空下方煤岩体应力释放产生位移、透气性增加、瓦斯压力减小，煤体中瓦斯解吸。利用煤层群多层开采后对底板煤岩层产生重复卸压膨胀增透效应。

该技术理论依据在实验室中也得到了验证，煤层瓦斯的渗透率与煤层压力呈负相关关系，且按指数规律变化；随着煤体固体骨架有效应力的降低，固体骨架发生显著变形，通气的有效裂隙和孔隙张开度增大，渗透率显著增大[2-5]。

开采解放层是最经济的方法，在一定程度上增加了被解放层的渗透性，两煤层之间的间距越大，其增透效应越为缓慢，在时效上可能满足不了煤矿高效生产的要求。

1.2水力压裂增透技术

水力压裂技术是国内外煤层气井增产的主要手段，美国14000余口煤层气井中90%以上的煤层通过水力压裂改造获得商业化产量；中国20余年的煤层气勘探开发实践中，几乎所有产气量1000m3/d以上的煤层气井均经过压裂改造[6]。

新集煤层气开发试验区采用水力压裂技术进行增透，获得了单井最大日产气量3278m3/d[7]。一些煤矿为防治煤与瓦斯突出，采用了水力压裂技术增加含瓦斯煤体的渗透能力，在低透气性突出煤层中起到了明显的增透、消突、降尘作用。

新义矿西区首采工作面采用了水力冲孔卸压增透措施，结果使瓦斯抽放率达到50%以上，煤层透气系数扩大了近10倍[8]。义安矿某工作面采用水力压裂后，抽放浓度达到压裂前的19倍多，且压裂后多个孔的总平均浓度是压裂前的总平均浓度的5倍[9]。贵州省水城县晋家冲煤矿采用高压水射流技术进行了增透试验，煤层瓦斯含量得到了降低[10]。四川某煤矿松软煤层进行了高压脉冲水射流增透试验，大大提高了瓦斯抽采率[11]。

文献[12]建立了煤层气井水力压裂压力曲线分析模型，研究了有效应力影响下渗透率和孔隙度的变化对动态滤失系数的影响，结果表明：综合滤失系数随有效应力的减少而呈指数形式增加。

然而水力压裂煤层气开采法具有双重作用，一方面增加了煤层的渗透性，便于瓦斯由吸附态转为游离态沿着渗流通道被采出；另一方面由于高压水对煤层瓦斯的封堵作用，使得游离态转为吸附态，并且渗流通道被水“封闭”，不利于瓦斯的采出，且已有的工业试验证实注水后会降低煤层瓦斯的解吸率，对瓦斯的抽采产生负面的影响[13-16]。

1.3深孔松动爆破增透技术

深孔松动爆破增透技术利用煤层瓦斯压力、炸药爆炸产生的能量及控制孔的导向和补偿作用，使煤体在预定的几个方向形成能量和应力集中，使煤体原有裂隙得以扩展并产生新的裂隙，释放煤体应力和瓦斯压力。

爆破后，炮眼周围煤体破裂、松动形成卸压圈，工作面前方集中应力带向煤体深部移动，消除了煤体结构不均匀性，降低了能量梯度，从而达到治理煤层瓦斯突出的目的；同时，炮孔附近煤体瓦斯的排放及迁移进一步降低了煤体的应力水平，使得瓦斯的排放成为一个由近区到远区的连续过程，煤层透气性系数大大增加，提高了煤层瓦斯抽放效率[17-20]。

深孔松动爆破技术不仅适用于煤巷掘进，也可用在回采工作面[21]。

1.4超声波增透技术

声震法提高煤层气抽采率的思想提出于二十世纪九十年代后期[22]，并在实验室采用超声波增加煤体渗透性、促进瓦斯解吸方面取得了创新性的理论成果。

试验研究表明，功率超声影响煤岩裂隙发育、发展、应力状态的改变以及煤岩力学性能，煤岩在功率超声振动作用下抗压强度、弹性模量具有降低趋势[23]。超声波能够增加煤的孔隙体积，提高煤层的渗透率；其主要作用机理有机械作用、激波作用、定向作用、热效应、空化作用，使煤体产生微裂隙，改变煤体的孔隙结构，降低甲烷气体的粘度[24]。超声波机械振动和热效应的综合作用降低了煤体有效应力，提高了煤体的渗透性，促进了瓦斯解吸和放散，且渗透率与平均有效应力呈负指数关系[25-26]。

分析认为，超声波增透的力学机制是降低煤体有效应力，增加煤体裂隙，从而提高煤体的渗透能力。然而，超声波是高频机械波，在煤体这种低频黏弹性介质中传播时，传播距离短，振动能量损失大，在实际应用时存在很大的局限性。

2声频机械振动增透技术

综合前述的煤体增透技术认为，裂隙的发育特征是决定煤体渗透性能的内在因素，煤体的裂隙发育特征在应力场改变时产生相应的变化，通过改变煤体所在的应力场环境，有望改善煤体的渗透性能。顺此思路，声频机械振动增透煤体的试验研究得到开展。

声波频率（20～20000Hz）的机械振动增透技术与理论研究是一个新型的研究课题，它借鉴了地面低频振动采油技术[27-29]和超声波振动增透方面的研究成果。通过对煤体施加一定频率周期性应力波，记录振动过程中有效应力变化特征和测量煤体渗透速度大小等一系列过程，探讨了有效应力和渗透速度之间的关系。试验表明，声波振动可以降低煤体有效应力、增加煤体渗透率，促进了瓦斯的解吸和放散[30-32]。声频机械振动采用的试验装置如图1所示。

试验采用的声频振动参数主要包括频率、振幅以及振动持续时间，不同的振动条件对煤体产生不同的增透效果，从而产生不同的瓦斯解吸和放散效果。振动频率与煤体固有频率一致时，煤体可能发生“共振”，煤体将可能产生最佳的增透效果；声波传播过程中，能量发生衰减，频率越高，衰减越快，传播距离越短，不同频率振动对煤层增透的空间范围不同。高振幅的振动使质点产生相对大的位移，能产生更强的振动效应。不同的振动持续时间，煤体裂隙发育的程度也可能不同。

煤矿大量微振监测、瓦斯监测和现场调查也表明，冲击地压伴随着瓦斯的异常涌出[33]，这为声频机械振动增透技术理论提供了现实案例。

声频机械振动增透技术的优势是作用时间长度可人为控制，在周期性动荷载作用下，煤体不断产生疲劳损伤，煤体裂隙持续发育，大大增加了煤体渗透率。

利用声频机械振动增加煤体渗透能力、促进瓦斯解吸与放散的研究目前仍局限于实验室内研究，工业性试验研究刚刚起步。该基础试验研究对于煤矿井下开展声频振动波场增加煤体渗透能力的工业性试验具有先导意义，对于提高瓦斯抽采效率、减少煤矿瓦斯灾害、保障煤矿安全高效开采具有重要的现实意义。

3结语

综合分析前述多种煤层增透技术认为，其共同的力学机制是通过降低煤体的有效应力，提高煤体的孔隙和裂隙发育程度，实现煤体渗透能力的提高。另外，随着煤体增透技术理论研究的不断深入，煤体增透技术的应用将可能由单一技术应用过渡到多种技术的综合应用，煤层瓦斯抽采效率将不断提高。

参考文献：

[1]袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报，2009，34（1）：1-8.

[2]孙培德.变形过程中煤样渗透率变化规律的实验研究[J].岩石力学与工程学报，2001，20（S1）：1801-1804.

[3]彭守建，许江，陶云奇，等.煤样渗透率对有效应力敏感性实验分析[J].重庆大学学报：自然科学版，2009，32（3）：303-307.

[4]范家文，冯增朝.瓦斯解吸过程中煤体有效应力规律的实验研究[J].太原理工大学学报，2008，39（4）：397-399.

[5]唐巨鹏，潘一山，李成全，等.有效应力对煤层气解吸渗流影响试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25（8）：1563-1568.

[6]李安，启姜海，陈彩虹.我国煤层气井水力压裂的实践及煤层裂缝模型选择分析[J].天然气工业，2004，24（5）：91-93.

[7]宋生印，韩宝山.新集煤层气开发试验井水力压裂增产改造[J].煤田地质与勘探，2003，31（1）：27-30.

[8]李家彪，刘明举，赵发军.水力冲孔在新义矿瓦斯抽放中的应用[J].煤炭工程，2011，2（7）：36-38.

[9]王念红，任培良.单一低透气性煤层水力压裂技术增透效果考察分析[J].煤矿安全，2011，42（2）：109-112.

[10]杨凯，李绍泉，吴桂义.高压水射流技术在低透气性松软煤层瓦斯抽放中的实验研究[J].煤炭技术，2011，30（6）：110-112.

[11]刘勇，卢义玉，李晓红，等.高压脉冲水射流顶底板钻孔提高煤层瓦斯抽采率的应用研究[J].煤炭学报，2010，35（7）：1115-1119.

[12]徐刚，彭苏萍，邓绪彪.煤层气井水力压裂压力曲线分析模型及应用[J].中国矿业大学学报，2011，40（2）：173-178.

[13]吴晓东，席长丰，王国强.煤层气井复杂水力压裂缝裂模型研究[J].天然气工业，2006，26（12）：124-126.

[14]赵东，冯增朝，赵阳升.高压注水对煤体瓦斯解吸特性影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（3）：547-555.

[15]郭红玉，苏现波.煤层注水抑制瓦斯涌出机理研究[J].煤炭学报，2010，35（6）：928-931.

[16]杜春志，茅献彪，卜万奎.水力压裂时煤层缝裂的扩展分析[J].采矿与安全工程学报，2008，25（2）：231-234.

[17]吴新华.深孔松动爆破技术在防治瓦斯煤层突出中的应用[J].煤矿开采，2007，12（2）：76-77.

[18]方昌才.突出煤层深孔预裂控制松动爆破防突技术研究[J].矿业安全与环保，2004，31（2）：21-23.

[19]陈浩.深孔松动预裂爆破增透技术在边抽边掘进工作面的应用[J].煤炭技术，2008，27（7）：92-94.

[20]李建新，林柏泉，李国旗，等.深孔松动控制爆破卸压增透理论与实践[J].煤矿安全，2010，41（11）：52-54.

[21]王佰顺，戴广龙，童云飞，等.深孔松动爆破提高瓦斯抽放率的应用研究[J].煤矿安全，2002，33（11）：5-7.

[22]姜永东，鲜学福，易俊，等.声震法促进煤中甲烷气解吸规律的实验及机理[J].煤炭学报，2008，33（6）：675-680.

[23]任伟杰，袁旭东，潘一山.功率超声对煤岩力学性质影响的试验研究[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2001，20（6）：773-776.

[24]聂百胜，何学秋，王恩元，等.功率声波影响煤层甲烷储运的初步探讨[J].煤田地质与勘探，2004，32（6）：23-26.

[25]姜永东，鲜学福，刘占芳.声震法提高煤储层渗透率的实验与机理[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2009，28（S）：236-239.

[26]徐龙君，鲜学福.煤层气赋存状态及提高煤层气采收率的研究[J].中国煤层气，2005，2（3）：19-22.

[27]邵长金，罗荣章，孙仁远，等.利用物理场提高原油产量的基础应用[J].石油学报，1997，18（3）：63-69.

[28]徐英娜，赵贵金，孙爱军，等.自振采油技术的理论分析与应用[J].西南石油学院学报，2001，23（3）：58-61.

[29]王江，王恒贵，汪海龙.振动采油机理及影响因素研究[J].钻采工艺，2007，30（4）：49-50.

[30]李建楼，严家平.声波作用下煤层瓦斯解吸效应物理实验装置[J].煤炭科学技术，2010，38（7）：54-57.

[31]严家平，李建楼.声波作用对煤层瓦斯渗透性影响的实验研究[J].煤炭学报，2010，35（S）：81-85.

[32]李建楼，严家平，王来斌，等.煤体瓦斯在声波场作用下的放散特征研究[J].煤炭学报，2012，37（2）：264-267.

[33]李铁，蔡美峰，王金安，等.深部开采冲击地压与瓦斯的相关性探讨[J].煤炭学报，2005，30（5）：562-567.