該成果來源于國家“十三五”國家科技重大專項，開展井下注氮促流擴縫驅(qū)替增滲技術(shù)機理研究。實驗考察注入氮氣對原生裂隙的擴張作用，分析注入氮氣驅(qū)趕裂隙瓦斯流動速率，研究氮氣-瓦斯對流擴散規(guī)律，闡明注氮促流擴縫驅(qū)替增滲機理；研發(fā)井下注氮促流擴縫驅(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)控等問題，研制與開發(fā)井下注氮促流擴縫驅(qū)替增滲關(guān)鍵工藝與配套裝備。
推導(dǎo)了綜合考慮二元氣體競爭吸附、復(fù)合基質(zhì)膨脹、混合氣體流動、Klinkenberg效應(yīng)與有效應(yīng)力等多因素影響的煤層注氮-瓦斯抽采過程全尺度多場耦合本構(gòu)模型，分析凝練了煤層注氮有利于強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，從而促進裂隙瓦斯流動;(2)增滲效應(yīng)。有利于減小煤儲層所受有效應(yīng)力，從而增加煤層透氣性；(3)置換效應(yīng)。有利于競爭吸附與置換瓦斯，從而促進孔隙瓦斯解吸。研發(fā)了井下注氮促流擴縫驅(qū)替增滲裝備（表1），并進行了現(xiàn)場工程試驗，驗證了井下注氮促流擴縫驅(qū)替增滲設(shè)備的可靠性。
表1井下注氮促流擴縫驅(qū)替增滲裝備功能參數(shù)
針對低滲碎軟突出煤層，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-儲氣-注氣-抽采-觀測”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，現(xiàn)場試驗驗證了底抽巷注氮促流快速條帶消突工藝對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個月內(nèi)降低2.56m3/t。試驗發(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
針對低壓力低含量高強度開采煤層，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縫驅(qū)替增滲技術(shù)試驗，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年獲得中國職業(yè)安全健康協(xié)會科學技術(shù)一等獎
