該成果來(lái)源于國(guó)家“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)，開展井下注氮促流擴(kuò)縫驅(qū)替增滲技術(shù)機(jī)理研究。實(shí)驗(yàn)考察注入氮?dú)鈱?duì)原生裂隙的擴(kuò)張作用，分析注入氮?dú)怛?qū)趕裂隙瓦斯流動(dòng)速率，研究氮?dú)?瓦斯對(duì)流擴(kuò)散規(guī)律，闡明注氮促流擴(kuò)縫驅(qū)替增滲機(jī)理；研發(fā)井下注氮促流擴(kuò)縫驅(qū)替增滲關(guān)鍵工藝與配套裝備。以理論研究成果為基礎(chǔ)，考慮井下施工過(guò)程中所面臨的參數(shù)確定、氣源配置、高效封孔與智能調(diào)控等問(wèn)題，研制與開發(fā)井下注氮促流擴(kuò)縫驅(qū)替增滲關(guān)鍵工藝與配套裝備。
推導(dǎo)了綜合考慮二元?dú)怏w競(jìng)爭(zhēng)吸附、復(fù)合基質(zhì)膨脹、混合氣體流動(dòng)、Klinkenberg效應(yīng)與有效應(yīng)力等多因素影響的煤層注氮-瓦斯抽采過(guò)程全尺度多場(chǎng)耦合本構(gòu)模型，分析凝練了煤層注氮有利于強(qiáng)化瓦斯抽采效果的三重效應(yīng)：(1)促流效應(yīng)。有利于增加注入鉆孔與抽采鉆孔間的氣體壓力梯度，從而促進(jìn)裂隙瓦斯流動(dòng);(2)增滲效應(yīng)。有利于減小煤儲(chǔ)層所受有效應(yīng)力，從而增加煤層透氣性；(3)置換效應(yīng)。有利于競(jìng)爭(zhēng)吸附與置換瓦斯，從而促進(jìn)孔隙瓦斯解吸。研發(fā)了井下注氮促流擴(kuò)縫驅(qū)替增滲裝備（表1），并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，驗(yàn)證了井下注氮促流擴(kuò)縫驅(qū)替增滲設(shè)備的可靠性。
表1井下注氮促流擴(kuò)縫驅(qū)替增滲裝備功能參數(shù)
針對(duì)低滲碎軟突出煤層，提出了底抽巷注氮促流快速條帶消突工藝，完整搭建了井下“制氮-增壓-儲(chǔ)氣-注氣-抽采-觀測(cè)”的全流程井下注氮促流工程系統(tǒng)，開展了中-高壓力持續(xù)注氮促流試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了底抽巷注氮促流快速條帶消突工藝對(duì)于提升低滲碎軟煤層瓦斯抽采量和降低瓦斯含量有著明顯作用，瓦斯含量最快在1個(gè)月內(nèi)降低2.56m3/t。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了低滲碎軟煤層的注氮起效臨界壓力與滯后效應(yīng)。
圖1底抽巷注氮促流快速條帶消突鉆孔布置
針對(duì)低壓力低含量高強(qiáng)度開采煤層，提出井下順層鉆孔注氮促流抽采降低殘余難抽煤層瓦斯抽采工藝，極大的降低了回采期間工作面瓦斯涌出量。在中煤新集劉莊礦、山西王家?guī)X礦煤展開了井下注氮促流擴(kuò)縫驅(qū)替增滲技術(shù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：該技術(shù)可以明顯提高抽采鉆孔的瓦斯混合量及瓦斯純量，增幅達(dá)1.5到5倍，殘余瓦斯含量減少20%。
圖2注氣前后抽采純量及混合量的變化
圖3 2019年獲得中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)
