生产生态两相宜 效率安全齐升级

　　本报记者 张亚轩

　　6月9日，省委、省政府举行全省科学技术奖励大会，由中国矿业大学牵头，徐州矿务集团有限公司、四川煤矿安全监察局安全技术中心、四川嘉阳集团有限责任公司、徐州佑学矿业科技有限公司等多家单位联合参与完成的“复合煤层缝网压裂改造理论与成套技术”项目获得2021年度省科学技术二等奖。

　　亟须实现复合煤层结构改造

　　煤炭是我国的主体能源和重要工业原料，在能源安全保障上发挥出“压舱石”“兜底”的基础性和主体性作用。江苏省在矿山理论、技术装备生产和服务等方面具有明显优势。

　　目前，我国主要煤炭基地共14个，其中至少有12个基地赋存有“煤岩交互”的复合煤层，复合煤层占比85.7%以上。复合煤层具有含多层夹矸、层面及天然弱面发育、采动影响突出等特点，导致复合煤层“常规压裂”造缝数量少且裂缝极易沿弱面扩展，煤层改造体积有限。

　　在瓦斯抽采方面，为保障安全，高瓦斯、突出煤层在开采前，需要先将瓦斯抽出。但复合煤层在矸石阻挡下，夹矸以上煤层瓦斯难以抽采，不仅消耗大量人力物力，还会造成极大安全隐患。在放顶煤开采方面，由于夹矸硬度普遍较高，导致夹矸以上顶煤难以放出，针对西北地区厚煤层夹矸多的情况，复合煤层常规压裂裂缝单一且难穿层，是复合煤层压裂改造的技术瓶颈。

　　据研究团队成员介绍，该项目主要围绕广泛分布的复合煤层“缝网扩展”开展研究，以水、气体作为压裂介质，集成脉冲与恒排量泵注压裂的优势，形成了复合煤层缝网压裂改造理论与技术体系，并应用于复合煤层增透抽采瓦斯、坚硬顶煤矸弱化等，避免了传统炸药爆破易诱发瓦斯（煤尘）爆炸的风险，克服了因承受围压而导致爆破范围小的局限性，进而支撑煤炭及煤层气的安全高效开采。

　　深入一线攻克技术难题

　　早在十年前，中国矿业大学煤岩体压裂团队就关注到了相关问题，并联合徐州矿务集团有限公司、四川煤矿安全监察局安全技术中心、四川嘉阳集团有限责任公司、徐州佑学矿业科技有限公司等多家单位形成了研究攻关团队。

　　最初，为降低矸石强度、进行结构改造，团队尝试通过常规压裂改造复合煤层。但是，复合煤层常规压裂裂缝容易沿着煤和矸石界面扩展，存在复合煤层改造不充分的问题。于是，实现复合煤层缝网压裂的“均匀改造”便成为了重中之重。

　　团队经过长期理论研究及实验室反复验证，形成了较为完备的理论、技术及装备后，在柳巷煤矿、崔家沟煤矿等开启了现场应用。后来，团队又将成熟的复合煤层结构缝网压裂改造技术带到了四川嘉阳煤矿。

　　在嘉阳煤矿应用时，仅有一米厚的煤中包含了三层夹矸。团队面临着地质条件复杂、瓦斯抽采不理想的重重挑战，教师、学生及企业工人一同在煤矿现场呆了几个月时间，携手克服了一个个随时可能出现的困境。在施工现场及后期观测中，裂缝网络穿层扩展效果达到预期，复合煤层瓦斯抽采难题得以解决。

　　十余年的实操中，团队不断进行着技术方法与装备设备的更新。据介绍，此前团队所使用的脉冲泵排量是恒定的，在常规恒排量压裂中，产生的裂缝数目较少，穿层能力差。后来，团队成员集思广益，集成脉冲压裂“裂缝多”及恒排量压裂“裂缝长”的特点，提出了“脉冲+恒排量”缝网压裂的想法，首先利用脉冲压裂在煤层中产生辐射状穿层裂缝网络，然后利用恒排量压裂驱动脉冲压裂缝网延伸至更广的范围，由此实现了复合煤层改造的效率倍增，最大程度助力煤矿企业的绿色健康发展。

　　工艺增效激发创新活力

　　据团队成员介绍，与传统炸药爆破相比，该项目在安全性、管理难度、致裂深度、单孔作用范围、可控性、工程量、作业环境、成本效益等方面具有显著的优势。与传统压裂相比，项目又在裂缝数目、穿层面及夹矸能力、改造均匀程度等方面成绩更为亮眼。

　　当前，成套技术与装备已在江苏、四川、山西等煤炭企业的15个煤矿应用，解决了复合煤层瓦斯抽采效率低、顶煤冒放效果差等难题，在全力保障安全的同时，大幅提高了企业生产效率。实现“脉冲+恒排量”缝网压裂后，复合煤层抽采钻孔平均瓦斯浓度由常规压裂的15%提高到60%，顶煤冒放块度满足放煤要求。近两年，在项目支撑的基础上，成套技术与装备入选了2020年中国煤炭工业“十四五”先进适用技术推广目录。

　　团队成员清醒地意识到，一切研究皆要付诸于现场实践。一直以来，该团队注重打造“理论—方法—成套装备—工艺—应用—行业标准”的全创新链研究模式。下一步，团队成员们打算将成套技术与装备带至更多的煤矿企业现场，进一步推广运用，不断助企解决安全和生产实际问题。