無論是瓦斯抽采,還是瓦斯開發(fā)利用,通過技術(shù)改造實現(xiàn)煤層增透均是一個難題。傳統(tǒng)的煤層增透方式,包括煤層鉆孔深孔預(yù)裂爆破、煤體水力壓裂等。這些技術(shù)雖然起到了一定作用,但沒有對煤層整體實現(xiàn)卸壓增透,也沒有從根本上解決區(qū)域性瓦斯治理難題。
院士發(fā)明的新技術(shù)
2010 年以來，西安交通大學(xué)邱愛慈院士團隊在國際上首先提出采用基于脈沖功率技術(shù)的重復(fù)可控強沖擊波激勵煤層的設(shè)想，研制了可用于現(xiàn)場作業(yè)的可控沖擊波產(chǎn)生裝置，形成了現(xiàn)場煤層增透作業(yè)工藝，驗證了該項原創(chuàng)性技術(shù)對煤層增透的可控性，體現(xiàn)了增產(chǎn)解堵效果以及對煤層無污染傷害、作業(yè)經(jīng)濟性高等技術(shù)優(yōu)勢。
用沖擊波對煤層進行增透：電脈沖可控沖擊波技術(shù)是利用水中高壓放電的脈沖大電流或金屬絲電爆炸,在局部范圍內(nèi)形成能量快速沉積,產(chǎn)生等離子體,使放電通道劇烈膨脹擴張,從而推動水介質(zhì)形成沖擊波,形成多方向的多條裂隙，達到煤層增透效果。
電脈沖可控沖擊波煤層增透原理
根據(jù)電脈沖可控沖擊波技術(shù)作業(yè)模式，煤層加載沖擊波的方式可分為單次加載和重復(fù)加載，兩者基本原理相似，但有所差異。單次加載的沖擊波強度和作用區(qū)域可根據(jù)沖擊波幅值和煤層孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性質(zhì)來控制，增透機理與爆炸沖擊波相似。與深孔預(yù)裂爆破等單次作用的措施相比，在煤層中同一區(qū)域重復(fù)作用的沖擊波技術(shù)，則在機理上具有創(chuàng)新性意義。
以脈沖功率技術(shù)為基礎(chǔ)，利用水中高壓放電的脈沖大電流或金屬絲電爆炸，在局部范圍內(nèi)形成能量的快速沉積，產(chǎn)生等離子體，使放電通道劇烈膨脹擴張，從而推動水介質(zhì)形成沖擊波。當沖擊波在儲層巖石中傳播時，沖擊波的波峰出現(xiàn)在波陣面上，波頭上升時間可忽略，在波陣面上發(fā)生物態(tài)參數(shù)的間斷，如圖所示。
在煤層鉆孔中，沖擊波以柱面波定向作用于周圍煤儲層，煤層既是沖擊波作用的對象，也是傳播沖擊波的介質(zhì)。之后，沖擊波一邊對儲層做功，破壞其結(jié)構(gòu)，同時消耗能量而衰減，一邊傳遞剩余能量到更遠端。
因此，在與鉆孔不同的距離上，沖擊波對煤層的作用模式不同，作用效果也不同。
1) 破裂煤層的作用。
在鉆孔周圍區(qū)域，沖擊波幅值超過煤層的抗壓強度，可直接使煤層破裂，破裂程度與沖擊波的幅值和沖量相關(guān)。當幅值和沖量足夠強大時，沖擊波會擠壓孔周圍的煤層形成空腔，并在空腔外緣區(qū)域形成高密度的殼層; 當沖擊波幅值和沖量減小時，煤層以破碎模式形成破碎區(qū)，可致孔壁垮塌，這一區(qū)域稱為沖擊波作用區(qū)。
在此區(qū)域，需控制沖擊波的幅值和作用區(qū)域，一方面保護煤層結(jié)構(gòu)和鉆孔結(jié)構(gòu)，另一方面在鉆孔周圍煤層中形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，溝通鉆孔與更多的煤層。
2) 撕裂煤層的作用。
沖擊波破裂部分煤層衰減演化成壓縮應(yīng)力波，其幅值低于煤層抗壓強度，但仍高于煤層的抗張、抗剪強度，這一階段沖擊波到達的區(qū)域，以剪切、撕裂的模式導(dǎo)致煤層破裂，形成多方向的多條裂隙，這一區(qū)域稱為應(yīng)力波作用區(qū)。
3) 高強聲波的作用。
隨著沖擊波在煤層中的繼續(xù)傳播，進一步衰減為高強彈性聲波，即地震波，其幅值低于煤層抗張、抗剪強度，這一區(qū)域為彈性波區(qū)域。在這一區(qū)域的煤層中，高強聲波在不同介質(zhì)界面上產(chǎn)生剪切力。對長期生產(chǎn)的煤儲層可剝離滲流通道表面的附著煤粉，疏通滲流通道。
新開采煤層在高強聲波強烈擾動下，能夠改善毛管力、偶電層的吸附滯留效應(yīng)，減小表面張力，提高儲層的滲流能力，促進吸附氣體解吸。高強聲波對儲層巖石的解吸效應(yīng)已經(jīng)過國內(nèi)外多個研究證實。
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1) 單點重復(fù)作業(yè)。
可控沖擊波技術(shù)可以在一個區(qū)域通過多次重復(fù)作業(yè)加強增透效果，隨沖擊波作業(yè)次數(shù)的增加，煤層裂隙條數(shù)和長度不斷發(fā)展，裂隙連通性不斷增強，最終形成了裂隙網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。
2) 疲勞作用。
疲勞理論認為: 材料在交變載荷作用下，即使所受的應(yīng)力低于屈服強度，經(jīng)過若干次循環(huán)后，也會發(fā)生斷裂。
煤層宏觀上是連續(xù)介質(zhì)材料，微觀上則存在大量的層理、節(jié)理和裂隙。多次沖擊波作用于煤層時，每一次作用對于下一次作用都是一次疲勞過程中裂隙的發(fā)展不僅與煤層沖擊波的強度有關(guān)，也是多次作用下發(fā)生疲勞的結(jié)果，沖擊波重復(fù)作用的疲勞效應(yīng)體現(xiàn)為裂隙兩端不斷擴展。
3) 分段作業(yè)。
沖擊波在軸向( 沿鉆孔方向) 是以作業(yè)點為頂點的雙錐面，徑向以柱面的輻射狀波陣面作用于煤層，因此，利用沖擊波的波陣面結(jié)構(gòu)，選擇合適的作業(yè)段，可以保護鉆孔結(jié)構(gòu)。在 2 個作業(yè)區(qū)域之間以部分未受沖擊波作用的煤體支撐孔壁，沖擊波對煤層分段作業(yè)的效果如圖所示
電脈沖可控沖擊波的核心設(shè)備是控制箱中的能量轉(zhuǎn)換器,由升壓變壓器、整流初級電源組成,電能被升壓整流后充電蓄能,當蓄能達到能量控制器的設(shè)定閾值后,儲存在電容器中的電能通過能量轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生沖擊波。“每次釋放的沖擊波峰值壓力大于 100 兆帕,能夠作用于周邊幾十米內(nèi)的煤層,同時可能伴隨著大量瓦斯擴散逸出?！薄八?/span>,技術(shù)人員要及時監(jiān)測孔口瓦斯?jié)舛?/span>,并且在孔口附近安設(shè)瓦斯斷電保護裝置?！?/span>
與傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)比較
傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)，以水作為濕潤劑或者動力來改造煤體的透氣性，作用范圍小，但未使煤層整體卸壓增透?？煽貨_擊波煤層增透技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，在作業(yè)過程中可在煤層中形成更多孔隙，在大面積區(qū)域擾動孔隙促使煤層瓦斯解吸和擴散，增加煤層滲透性。
與傳統(tǒng)的壓裂技術(shù)相比,電脈沖可控沖擊波煤層增透技術(shù)具有兩大明顯優(yōu)勢。
一是：形成多方向的多條裂隙，達到煤層增透效果
在增透作業(yè)過程中形成許多孔隙,可控沖擊波發(fā)展到高強波時,擾動這些孔隙使煤層瓦斯解吸、擴散,擴大煤層增透范圍。
二是由于煤層抗壓強度小于巖層,增透時煤層容易塌陷垮落?？煽貨_擊波通過控制波動幅度值和有效作用區(qū)域,使在頂板底板周圍鉆孔的煤層撕裂,同時保證了煤層頂板底板的完整性。
該技術(shù)在煤礦的一個應(yīng)用實例
據(jù)中國煤炭報報道,該技術(shù)在陜西黃陵煤礦應(yīng)用效果良好。黃陵二號煤礦于 2009 年竣工投產(chǎn),是一座年產(chǎn)能 800 萬噸的大型現(xiàn)代化礦井,瓦斯、頂板、粉塵等災(zāi)害多。
該技術(shù)的實施過程與采煤機割煤的過程一樣,采用'退采'式工作模式。技術(shù)人員用傳統(tǒng)鉆桿將可控沖擊波產(chǎn)生裝置推送到目標煤層中,通過電纜連接孔內(nèi)裝置與控制箱,然后密封鉆孔口并在孔內(nèi)注滿水,再將整個作業(yè)目標層分為若干個作業(yè)段,按順序?qū)嵤┳鳂I(yè);從孔底開始,在每個作業(yè)段重復(fù)增透若干次,再將沖擊波發(fā)生裝置后退到下一個作業(yè)段?！?/span>
黃陵礦1號鉆孔在 2017 年 12 月 20 日開始實施沖擊波增透作業(yè),作業(yè)段為 35 米至135 米,每 5 米一個作業(yè)點,每個作業(yè)點作業(yè) 5次,累計作業(yè) 100 次。截至今年 1 月 25 日,該作業(yè)段累計抽采瓦斯 67328 立方米,相比以往傳統(tǒng)瓦斯鉆孔抽采方式,其效率提升 4 倍多,瓦斯抽采率達到29.68%,煤層瓦斯含量每噸降至 12.74 立方米。
煤博士從相關(guān)渠道獲悉：中國煤炭科工集團西安研究院為了引進該技術(shù)，與西安交通大學(xué)邱愛慈院士團隊合作開發(fā)了“煤礦井下可控沖擊波煤層增透技術(shù)與裝備開發(fā)”研究課題，該課題于2016年7月啟動，目的是開展井下鉆孔沖擊波激勵煤層瓦斯強化抽采研究。
前景
可控沖擊波增透技術(shù)以不破壞煤層結(jié)構(gòu)為前提，以剪性、張性應(yīng)力致裂煤層，以高強聲波激勵煤層，是一條新的煤層增透技術(shù)途徑。前期在中井礦、保德礦、中石油煤層氣公司等的現(xiàn)場應(yīng)用表明，可控沖擊波技術(shù)低成本、不傷害煤層，是一種有效的煤儲層解堵措施。目前，沖擊波增透技術(shù)已在井下順層孔和地面井中應(yīng)用并獲得成功。在解決了設(shè)備在地面水平井眼送入問題后，沖擊波增透技術(shù)還可在水平井中實施增透作業(yè)。在煤層氣井組中，選擇 1 口井作為沖擊波專業(yè)井，用沖擊波長期激勵、擾動煤層將是一種井組范圍內(nèi)增透、解堵和促進煤層氣解吸的可行方法。
電脈沖可控沖擊波釋放的能量依次在煤層中形成沖擊波帶、壓縮波帶和彈性波帶，通過破裂、撕裂、高彈性波擾動等作用于煤儲層，改善煤儲層滲透性，促進煤層氣解吸。重復(fù)可控沖擊波的施加，進一步造成煤儲層力學(xué)性質(zhì)疲勞效應(yīng)，在相對較低的能量作用下煤層宏觀裂縫和微觀裂隙不斷擴展而形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，增強了煤儲層的滲透性，有效溝通孔隙和裂縫，有利于煤儲層中吸附氣的解吸、擴散和滲流，顯示出該項技術(shù)的優(yōu)越性。較為廣泛的現(xiàn)場工程試驗顯示，電脈沖可控沖擊波作業(yè)可顯著提高煤層氣( 瓦斯) 抽采量，有效改造或疏通煤儲層，在地面井煤層氣開發(fā)和礦井煤層瓦斯高效抽采中具有可觀的應(yīng)用前景。
煤博士綜合張永民教授、煤炭報張波文章整理報道。
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