基于不同赋存区域的含瓦斯煤体瓦斯治理方法与流程

本发明涉及一种瓦斯治理方法，尤其涉及一种基于不同赋存区域的含瓦斯煤体瓦斯治理方法，属于煤矿防瓦斯突出安全治理技术领域。

背景技术：

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位。近年来，我国煤矿在安全上的投入极大，也取得了较好的效果。然而煤矿事故时有发生。统计表明，矿井瓦斯事故和顶板事故占总事故的80％以上，其中矿井瓦斯事故因危害度强、伤亡率高、造成经济损大而成为煤矿的第一杀手。可见，矿井瓦斯治理成为减少甚至杜绝瓦斯事故的根本所在。而渗透率低已经成为制约煤层瓦斯抽采的关键因素，提高煤层渗透率，是瓦斯灾害治理和资源利用的根本途径。

工程实践表明，含瓦斯煤体的渗透性与其本身的完整性及所处的应力环境相关，不同赋存区域的含瓦斯煤体渗透性差异显著。目前煤层增透的主要技术方法有水力压裂增透、高压水射流扩孔增透、水力割缝增透、深孔控制预裂爆破增透等，这些方法在一定程度上取得了积极效果，然而也存在着某些缺陷，主要体现在两方面：一是技术本身上的缺陷，主要表现为：卸压增透效果持续性差，可能导致局部应力集中、突出危险性增加甚至诱发冲击-突出复合型动力灾害；二是与煤层适应性问题，主要表现为：在褶曲地带的含瓦斯煤体由于瓦斯含量高、煤粒度小、残余力学强度低、渗透率低、水敏性强等突出特性，水利化措施尤其是水力压裂效果甚微，往往达不到预期的增透效果，因此，有必要根据含瓦斯煤体的不同赋存区域提出针对性的治理方法，确保煤矿的安全生产。

发明专利-化学反应防治煤层冲击地压的方法(CN 103061766 B)通过配置碱性溶液注入煤体，利用碱性溶液可溶解煤中有机物，进而消除冲击倾向性，但主要是针对R_o,max＜0.6％的低阶煤层，适用性上受到制约。发明专利-一种煤层气近井地带化学解堵方法(CN 103541713 B)通过向煤储层近井地带的煤层段注入适量乙醇并对煤进行萃取和抽提，从而达到提高煤储层的孔隙度和渗透率的目的，但该方案成本较高且利用乙醇对煤萃取和抽提的能力有限。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于不同赋存区域的含瓦斯煤体瓦斯治理方法，在确定煤层赋存区域地质条件、煤的变质程度、煤的种类及瓦斯参数的前提下，根据煤层是否处于断层、褶曲部位，采取不同增透方案实现含瓦斯煤体的一级增透并对增透效果进行检验，若满足预定效果，则利用一级增透的方案对整个煤层进行增透；若不满足预定效果，则在一级增透的基础上，对含瓦斯煤体进行二级酸化增透；待二级酸化增透结束，对含瓦斯煤体进行瓦斯抽采。为实现上述目的，采用如下技术方案：

基于不同赋存区域的含瓦斯煤体瓦斯治理方法，包含以下步骤：

(a)确定煤层赋存区域地质条件、煤的变质程度、煤的种类及瓦斯参数；

(b)根据步骤(a)，若煤层处于断层、褶曲部位，采用多组密集孔注入酸液实现含瓦斯煤体的一级酸化增透；反之，采用二氧化碳爆破或高压水爆实现含瓦斯煤体的一级常规增透；

(c)根据步骤(b)分别对一级酸化或一级常规增透的效果进行检验，若满足预定效果，则继续利用相应的一级酸化或一级常规增透方案对整个煤层进行增透；若不满足预定效果，则在一级酸化或一级常规增透的基础上，对含瓦斯煤体进行二级酸化增透；

(d)待二级酸化增透结束，对含瓦斯煤体进行瓦斯抽采。

进一步，步骤(b)中所述褶曲为向斜或背斜。

进一步，步骤(b)中所述断层为逆断层。

进一步，基于不同赋存区域的含瓦斯煤体瓦斯治理方法，其特征是，步骤(b)中一级酸化增透的措施为：对断层、褶曲部位的含瓦斯煤体注入质量分数分别对应为15％-20％、2％-4％、1％-2％的盐酸、氢氟酸、醋酸的混合酸液。

进一步，基于不同赋存区域的含瓦斯煤体瓦斯治理方法，其特征是，步骤(c)中对一级酸化或一级常规增透的效果进行检验的方法为：以一级酸化或一级常规增透后的单孔平均瓦斯抽采纯量Q₂为依据，若满足Q₂≥70Q₁，Q₁为未增透时的单孔平均瓦斯抽采纯量，单位为m³·min^-1，则一级酸化或一级常规增透效果合格；否则采取二级酸化增透。

进一步，基于不同赋存区域的含瓦斯煤体瓦斯治理方法，其特征是，步骤(c)中二级酸化增透的措施为：对一级酸化或一级常规增透的含瓦斯煤体注入质量分数分别对应为15％-20％、2％-4％、1％-2％的盐酸、氢氟酸、醋酸的混合酸液。

本发明具有如下有益效果：

1.在充分考虑含瓦斯煤体的渗透性与其本身的完整性及所处的应力环境相关性的前提下，结合不同赋存区域含瓦斯煤体渗透率的差异行，针对断层、褶曲部位的含瓦斯煤体与非断层、褶曲部位的含瓦斯煤体分别采取不同增透措施并对增透效果检验，且提出了二级酸化增透，针对性、目的性强，增透效果显著。

2.采用盐酸、氢氟酸及醋酸等多组分酸性溶液，其中以盐酸作为主体酸，可有效溶解煤中的碳酸盐岩类矿物成分及硫化物，并且在煤层中保持较低PH值，可抑制氢氧化铁沉淀生成；氢氟酸作为一种辅助酸，用于溶解煤层中所含有的硅酸盐岩类矿物成分；醋酸作为有机酸，属于弱酸起辅助作用，可缓蚀缓速酸化能力，使酸化程度最优化，同时酸化属于放热反应，更有利于吸附瓦斯的解吸释放，进而增加煤层透气性，提高瓦斯抽采率。

3.煤中所含可与酸性溶液反应的主要碳酸盐及硫化物属于煤的无机物质中的矿物质类，是有害成分且是煤中的主要杂质，注入酸液在实现增透的同时也提高了煤的质量和利用价值，是一种一举两得的举措。

4.针对不同赋存区域含瓦斯煤体进行多级增透，不仅显著增加了煤层的透气性，提高了瓦斯抽采率，而且对于冲击地压-煤与瓦斯突出等煤矿复合动力灾害的防治也具有积极意义。

附图说明

图1是本发明基于不同赋存区域的含瓦斯煤体瓦斯治理方法流程图。

图2是本发明实施例方案中瓦斯治理前后单孔平均瓦斯抽采纯量分布柱状图。

具体实施方式

为充分体现本发明的特征与优点，下面将结合具体实施例及附图予以详细叙述。

研究背景：某矿C3煤层20207工作面，采用走向长壁采煤法开采，其中倾向长度80m，走向长度600m，厚度0.75-2.25m，平均厚度1.65m，煤层倾角3°，煤层结构较简单、层位较稳定、附近无断层、褶曲等构造，区内可采，属较稳定型煤层。上距C4煤层平均16.65m，下距C2煤层平均22.55m，顶板岩性为泥岩及砂质泥岩局部含有粉砂岩，底板岩性以粉砂质泥岩为主。现场测定绝对瓦斯压力最高达1.85MPa，最低1.15MPa，直接法测定煤层高瓦斯含量最高达20.4168m³/t，属于典型煤与瓦斯突出型矿井，煤层中硬，无烟煤，变质程度高，煤质较好，透气性系数0.013m²/(MPa²·d)，属于典型含瓦斯难抽煤层。

如图1所示，基于不同赋存区域的含瓦斯煤体瓦斯治理方法，包含步骤如下：

在该矿20207工作面回风巷中以30°倾角沿煤层开设多个钻孔，其中以一个控制孔与一个导向孔组成一个增透单元，以5m距离等间距分别在倾斜方向布置8个增透单元，走向方向布置7个增透单元作为一个增透阶段，根据走向长度总共划分为10个增透阶段。

步骤1，对工作面前3个增透阶段不采取任何增透措施直接进行钻孔瓦斯预抽并获取未增透时的单孔平均瓦斯抽采纯量Q₁(0.0016m³·min^-1)；对工作面最后3个增透阶段实施水力压裂增透并获取增透后的单孔平均瓦斯抽采纯量Q₂；

步骤2，分别将未增透时的单孔平均瓦斯抽采纯量Q₁(0.0016m³·min^-1)及实施水力压裂增透后的单孔平均瓦斯抽采纯量Q₂(0.0832m³·min^-1)，发现Q₂＝52Q₁并不满足Q₂≥70Q₁；因此，需要实施二次酸化增透；

步骤3，在前期水力压裂增透的基础上，通过对增透单元注入质量分数分别对应为15％-20％、2％-4％、1％-2％的盐酸、氢氟酸、醋酸的混合酸液封孔并保持设定时间不低于10天；

步骤4，待二级酸化增透结束，对含瓦斯煤体进行瓦斯抽采。

其中，步骤3中对增透单元注入一定质量分数的混合酸液，操作过程如下：

现场取煤样，对取回的煤样进行加工使其满足实验室实验要求，利用电镜扫描、CT或核磁共振观测煤样的微观结构，利用X射线衍射及荧光光谱查明煤样中可与酸反应的碳酸盐岩、硅酸盐岩及硫化物种类并利用标定法确定含量。表1给出了本实施例煤样中所含可与酸性溶液反应的碳酸盐岩、硅酸盐岩及硫化物成分及含量。

表1

通过煤粉溶蚀率测定实验确定适合本煤层的复合酸液的质量分数，具体操作过程如下：将煤样研磨成80目的煤粉，用分析天平称取4份煤粉各3g，精度为0.001g；将煤粉与酸液按一定比例倒入玻璃量筒中，再放入60℃的恒温水浴台中进行加热反应；反应达到预定时间3h后，将量筒从恒温水浴台中取出，过滤把剩下的煤粉以及滤纸放入干燥箱中，直至恒重；根据酸化前后煤粉的质量变化，计算出不同质量分数混合酸液对煤粉的溶蚀率，确定出合适的酸液质量分数。

溶蚀率K计算表达式为：

式中，m₁-酸化前煤粉质量，g；m₂-酸化后煤粉质量，g；

由表1分析可知，该煤样中所含硅酸盐岩较多，在溶蚀率测定时，适当提高混合酸液中HF的比例，试验最终确定选取的适合本煤层的混合酸液为17％HCL+3.5％HF+2％CH₃COOH。

通过步骤3二级酸化增透之后，在抽采前，对二级酸化增透效果做进一步检验(图2)，此时，发现Q₂(0.144m³·min^-1)，Q₂＝90Q₁满足Q₂≥70Q₁，将抽采系统接入进行瓦斯抽采。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。