重庆煤科院研制dgc型瓦斯含量直接测定装置如何使用

3、对于含水分多而不能顺利通过破碎机的煤样，应先将其中的特大块煤选出，并破碎到粒度约为13mm以下，掺和后用九点法分出2kg，立刻放入密封的容器中。不管哪种煤样，都应做到制备要及时，缩分操作要迅速。将制备好的全水分煤样，称出质量，贴好标签后，连同记录迅速送化验室。全水分煤样若需缩分时，可将煤样稍混合摊平后立即用九点法缩取。

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我国煤炭成煤环境多种多样，成煤期地质背景也很复杂，因而煤中灰分偏高。据陈武等（2003）报道，我国煤中灰分一般在15%～25%之间，小于10%的特低灰煤大约有1500×108t，约占资源/储量总数的15%，且主要分布于陕北和内蒙古伊克昭盟的侏罗纪煤田中，其次分布于山西大同和宁夏的侏罗纪煤田中。大于30%的富灰和高灰煤，大致有1000×108t，占10%，主要分布于晋北和京西的石炭纪—二叠纪煤田中，其次分布于南方晚二叠世和三叠纪的部分煤田中，如江西三叠纪的洛市矿区、湖南三叠纪的资兴矿区等。

从煤类来看（陈武等，2003），我国褐煤以内蒙古东部最集中，灰分一般为20%～30%，而低变质烟煤的最大特点是低灰居多，一般原煤灰分均在15%以下，硫分也常小于1%，最突出的是陕北榆林神木和内蒙古东胜的侏罗纪煤层，灰分一般在10%以下，被誉为天然精煤。闻名于世的大同弱粘煤，原煤灰分也多在10%以下。而晋北朔州的长烟煤原煤灰分高达30%以上，内蒙古准格尔的长焰煤原煤灰分为25%～30%，煤质较差。我国炼焦用煤的灰分多在20%以上，以中灰煤居多，低灰煤很少，基本无特低灰煤。我国无烟煤多数为中灰、中硫、中等发热量和高灰熔点无烟煤。阳泉、晋城的山西组煤层，均是较好的无烟煤，原煤灰分15%～20%，硫分1%左右。宁夏汝箕沟的无烟煤原煤灰分5%左右，是世界闻名的“太西煤”，另外贵州的纳雍亦有部分优质无烟煤。

统计结果表明（袁三畏，1999），全国保有储量和资源量的平均灰分为17.07%，其中，尚未占用储量和资源量的平均灰分为16.95%，这一高度综合的平均值表明我国煤炭资源灰分的基本状况。按我国《煤炭灰分等级划分标准》（GB/T15224·1—1994）划分，全国尚未占用煤炭储量、资源量中，灰分在20%以下的特低灰煤—低中灰煤，占65.5%，中灰煤占32.7%，中高灰煤以上的仅占1.8%。低中灰以下的煤主要分布于内蒙古、陕西、新疆和山西四省，占全国尚未占用资源量的52.7%，中高灰以上的煤多分布于四川、山西和安徽，占1.0%。从表2-2中可得出，各大行政区国有重点煤矿低中灰煤（Ad≤20%）所占全国本级煤储量和资源量比例的顺序为：华北（38.13%）、华东（11.37%）、中南（9.98%）、西北（9.19%）、东北（4.55%）、西南（4.23%）。西南地区几乎没有较大面积的低中灰煤，若考虑预测的煤炭资源量，西北将是低中灰煤最多的地区。全国国有重点煤矿平均灰分为17.48%，其中华北为15.60%，西北为16.45%，华东为16.94%，中南为18.45%，西南为21.23%，东北为22.20%。

表2-2 各行政区尚未被占用煤炭资源量　（按灰分区分，%）

续表

注：本表未包括西藏、香港和澳门特别行政区及台湾省资料。

（据袁三畏，1999）

此外，煤炭科学研究总院李文华、翟炯于1992年统计的全国国有重点煤矿平均灰分为17.60%。其中，褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、贫煤和无烟煤等6类煤的平均灰分为16.84%，其余各类煤的平均灰分为18.09%。煤炭科学研究总院北京煤化研究所陈文敏等，也对我国国有重点煤矿煤炭灰分分布情况曾作过统计，认为我国煤炭总平均灰分属低中灰煤，灰分在20%以下的占国有重点煤矿总储量和资源量的77.45%，灰分大于30%～50%的占3.85%（表2-3）。

表2-3 全国国有重点煤矿煤炭灰分分布　（%）

续表

（据袁三畏，1999）

纵观全国各地煤的灰分变化是很复杂的，最好的煤，灰分可低至5%左右，如湖南涟卲群力为3.86%，煤炭坝为4.17%，广西红茂下金为4.63%，涟卲恩口杨家冲为4.66%，牛马司为4.71%，大同马脊梁为5.93%等。

1.2.1 预测预报技术概述

我国的矿产资源十分丰富，在地下资源开采过程中经常发生重大的动力灾害事故，有煤与瓦斯突出冲击矿压（岩爆、矿震）等，而且该问题随着采掘深度的不断延伸和开采规模的不断扩大日益严重，造成了大量的人员伤亡和财产损失，严重威胁着矿井安全生产。由于煤与瓦斯突出或冲击矿压能在一瞬间向采掘工作面空间喷出巨量煤与瓦斯流，不仅严重地摧毁巷道设施，毁坏通风系统，而且使附近区域的井巷全部充满瓦斯与煤粉，造成瓦斯窒息以至煤流埋人，甚至还会造成煤尘与瓦斯爆炸等严重后果，因此，致力于煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象产生的机制、预测预报以及预处理的理论和方法的研究（特别是预测预报的研究）就十分重要了。

据统计，在全国595处国有重点煤矿中，有高瓦斯突出矿井347处，冲击矿压矿井120余处。针对我国严重的含瓦斯煤岩动力灾害，我们应该结合前人研究成果和其他动力灾害预测的新理论、新方法深入研究煤岩动力灾害的预测预报新技术和方法。

煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害预测的目的和意义在于：为采取合理有效的防突措施提供科学依据，减少防突工程量与时间，保证采掘生产的正常进行，保障井下生命和财产安全。煤与瓦斯突出预测的基础是人们对突出过程及其影响因素的认识。在对煤与瓦斯突出进行研究的一个多世纪中，各国的研究者经过不懈的努力，提出了各种各样的突出预测方法。从突出预测的范围与时间上来分，大致可分为两类：区域预测和局部预测。区域预测又称为长期预测，任务是确定矿井、煤层以及煤层区域的危险性；后者的任务是在前者的基础上，及时预测局部地点即采掘工作面的突出危险性，这种预测又可称为日常预测或工作面预测。根据突出预测过程及其连续性日常预测又可分为钻孔指标法和连续动态两类预测方法。

下面主要对煤与瓦斯突出、冲击矿压等矿山煤岩动力灾害预测预报技术进行介绍。

（1）指标（静态）预测法［26～27］

指标预测是通过钻孔获得一些反映工作面前方瓦斯突出危险性的量化指标来预测突出的危险性。预测时主要考察其中的单个或多个指标是否超过临界值。目前较多采用的指标有钻屑量S，钻孔瓦斯涌出初速度q，钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2，或这些指标的组合。通常，它们是通过钻孔获得的，具有分散和不连续的特点。

钻屑量是反应地应力大小的一个有效指标，首先由德国学者Noack等（1983）提出并得到了广泛的应用。在采掘工作面打预测钻孔，每钻进1 m测量钻屑量，其最大值超过临界值时具有突出危险性。煤炭科学研究总院重庆分院在南桐和梅田对煤巷进行了试验，认为钻粉量为正常量的3倍时最易倾出或压出，如果瓦斯压力大就会发生较大的突出。

钻孔瓦斯涌出初速度法是前苏联运用最广泛的日常预测法，已被列入前苏联的相关著作《煤、岩石和瓦斯有突出倾向煤层安全采掘规程》中。钻孔瓦斯涌出初速度被认为是一个反映煤体物理力学性质、煤层瓦斯和煤层应力状态的综合指标，已被列入我国防治煤与瓦斯突出细则。

当前所采用的钻孔（指标）预测方法都是通过钻孔来实现的，是目前我国采用的主要预测方法，对煤与瓦斯突出预测做出了重要的贡献。但是，该方法存在以下缺点：①打钻以及参数测定操作时间长；②工程量通常很大；③预测时间长；④对生产会造成一定影响；⑤费用高；⑥在钻孔附近取得的预测结果仅仅是局部的，并不能完全代表整个预测步长范围内的突出危险性，在预测时刻取得的结果也只是分散的、不连续的，并不能完全代表煤体稳定前整个时期的突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，延期突出就是例证。

（2）动态（连续）预测法［28～38］

由于指标（静态）方法的一系列缺点，因此，动态连续预测的研究正日益引起人们的重视。目前，突出的连续预测有以下几种方法：①声发射监测技术；②利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出变化特征，通过分析涌出与突出的关系来预测突出；③目前正在广泛开展的电磁辐射预测方法。

根据瓦斯涌出量预测突出的指标有德国学者提出的V30指标。V30是掘进工作面放炮后30 min内瓦斯涌出量与落煤量的比值。苏文叔根据国内外的研究，综合分析认为，V30与瓦斯涌出变动系数Kv两指标分别反映了工作面单位落煤量、瓦斯涌出量的上升幅值和工作面瓦斯涌出量增大、减小的变化幅度，它们与工作面前方的突出危险性密切相关，可作为瓦斯涌出动态预测法的两项主要指标，用Kv预测延期突出将是一个有希望的技术途径。刘明举则根据工作面瓦斯涌出特征，利用模式识别技术对基于环境监测系统的突出预测系统进行了初步研究，认为，在现有环境监测系统的基础上考虑工作面瓦斯涌出特征，利用计算模式识别技术研究非接触式煤与瓦斯突出预测系统是可行的。

煤岩变形破坏就是煤岩内部裂隙的产生、发展以及汇合贯通的结果。因此，从煤岩受力破坏的物理力学过程出发，研究煤岩变形破坏这一不可逆的能量耗散过程，以便进一步认识动力灾害发生机理，从而出现了可以表征煤岩动态破坏的综合指标方法——地球物理方法，如声发射和电磁辐射方法就是两种有效的地球物理方法。

在国外，利用声发射对前苏联顿巴斯煤田、英国的南威尔士煤矿以及德国、日本和波兰等国家的煤与瓦斯突出预测进行了许多研究。前苏联用记录声噪脉冲数的方法预报煤与瓦斯突出并在顿巴斯煤田进行了推广应用。研究表明，裂隙的产生和扩展都将以弹性波的形式产生能量辐射——声发射。早在20世纪40年代初，美国就利用声发射技术监测金属矿井的岩爆。加拿大研究人员研究了多种声发射监测系统，用于岩爆预测。

在我国，此方面的研究起步较晚。王建军就岩石声发射活动kaiser效应的影响因素及其在地应力测量中的应用进行了研究，以及张宝生就煤岩破裂声发射的特性进行了研究。万志军及周楚良将岩石裂纹产生时的声发射源简化为振弦的振动，得到了声发射频率与裂纹长度、声发射振幅与裂纹宽度之间的关系。我国平顶山矿务局从俄罗斯引进了声发射监测系统，并用于煤与瓦斯突出预报试验研究。声发射方法虽然能够较连续有效地评估煤层边缘的突出危险性，但也存在以下问题：一是仪器结构复杂，信号接收和转换也较复杂；二是压电传感器必须与煤岩壁面良好耦合，这在实际操作过程中是很难控制的。随着突出机理的深入研究，大容量、高速度计算机系统的引入和声接收技术的发展，用声发射技术进行突出预测可望获得突破。

此外，利用神经网络技术以及动力灾害过程中的热效应来进行预测等方面的研究也取得了一定的进展。

1.2.2 煤岩动力灾害电磁辐射预测技术［39～53］

与声发射法相比，利用煤岩变形及破裂过程中产生的电磁辐射预测煤与瓦斯突出等动力灾害现象的电磁辐射法有许多优点：可实现真正的无接触，有效信息的接收、传输等比较简单，且易于实现定向接收；信息较声发射丰富，即使在煤体流变过程（缓慢变形过程）中也有信号产生；大大减少了工作量，不受人工等外界干扰（对于井下机电设备等电磁干扰，则可采取屏蔽或定向接收来排除），可实现连续监测及预报，又能检验防突措施的效果。

目前国内外用电磁辐射方法预测预报矿山煤岩动力灾害现象的研究掀起了高潮。Airuni等研究了煤在外力作用下会伴随有电磁辐射产生。Poturayev等描述了岩石受压下电磁辐射和声发射的研究，它们的联合使用提供了煤岩应力状态的定量测定，使研究地球力学过程和提高岩石监测成为可能；测定和记录了煤、粘土岩、砂岩、花岗岩、石英岩和石灰岩等岩石变形和裂隙扩展形成的电磁辐射和声发射，结果显示利用声发射和电磁辐射的联合特征来监测邻近工作面易突出煤层的应力状态是可能的。Afanasenko等测定了盐矿开采期间天然和工业产生的电磁场，结果表明，从盐层产生的电磁辐射可以用来评价冲击灾害现象。Frid等则在现场研究了煤的物理力学状态（水分含量、孔结构等）、瓦斯对工作面电磁辐射强度的影响，还用谐振频率为100 kHz的天线测定了例如在各种采煤工作面条件下的天然电磁辐射，并用电磁辐射脉冲数指标确定了工作面前方岩石突出的危险程度。中国矿业大学利用电磁辐射监测技术对煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害现象进行预测预报研究已步入国际先进行列。如何学秋等分析了煤与瓦斯突出过程中的能量耗散，提出了电磁辐射是很有前途的非接触预测方法，还研究了煤岩破裂过程中电磁辐射信号的时间序列符合赫斯特统计规律，说明受载煤岩在变形破裂过程中，电磁辐射信号基本呈现逐渐增加的趋势，这对于预测预报煤岩动力灾害现象具有重要意义。何学秋、王恩元等还分析了煤岩体破裂过程中电磁辐射的特征，并列举分析了电磁辐射方法预测预报煤岩动力灾害现象的原理和技术。何学秋、王恩元、窦林名、聂百胜等利用电磁辐射技术对巷道稳定性进行了监测和评价，显示了电磁辐射监测技术在隧道稳定性监测方面的应用前景。

电磁辐射技术还可以对混凝土、岩石材料的变形破裂过程进行识别和监测，对于研究材料的断裂机理具有重要意义。电磁辐射监测技术是一种真正的非接触方法，随着电磁辐射动力灾害的判别方法及技术的日益完善和发展，必将显示出巨大的科学价值和应用前景。

但是，非接触连续预测煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害现象的研究还是很初步的，试验数据还不多，需要做更进一步的研究。

程安东 全国政协常委、原陕西省省长

韩 英 原煤炭部副部长神华集团董事长总裁

张宝明 全国政协常委、煤炭部副部长

鲁 昕 辽宁省人民政府副省长

王显政 国家安全生产监督管理总局副局长煤炭工业协会会长

濮洪九 煤炭工业协会副会长

赵铁锤 国家煤矿安全监察局局长

丁向阳 北京市副市长

张喜武 神华集团有限责任公司总经理

洪 宇 中国中煤能源集团公司副总经理

王金华 煤炭科学研究总院院长

田 会 中煤国际工程设计研究总院院长

李忠勤 龙煤矿业集团董事长

袁宗本山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司董事长、党委书记

彭建勋 大同煤矿集团有限责任公司

杜复新 山西焦煤集团有限责任公司

任润厚 山西潞安矿业（集团）有限责任公司董事长、总经理

李廷赫 山西煤炭进出口集团公司董事长

付贵祥 开滦（集团）有限责任公司副总经理

张明元 铁法煤业集团有限责任公司董事长

王利民霍林河煤业集团有限责任公司副董事长、总经理

韩有波 沈阳煤业集团有限责任公司总经理

耿养谋 北京昊华能源有限责任公司董事长

尹 亮抚顺矿业集团有限责任公司董事长兼总经理

杨广林 沈阳矿山机械（集团）有限责任公司董事长、总经理

左春文 中铁十九局集团公司董事长

张回家 中铁九局集团有限公司副总经理

李汝波 美国福霖集团董事长

傅建华 国家煤矿安全监察局副局长

黄玉志国家安全生产监督管理总局人事培训司司长

杨 富国家安全生产监督管理总局规划科技司司长

王铃丁国家安全生产监督管理总局通信信息中心主任

何学秋国家安全生产监督管理总局规划科技司副司长

王端武国家安全生产监督管理总局生产协调司副司长

朱德仁 煤炭教育协会会长

李金柱 中共宝鸡市委副书记

李 东 包头市人民政府副市长

魏明远 国家发展与改革委员会处长

孙鸿志 吉林省煤炭工业局局长

王占洲 辽宁省煤炭工业管理局局长

贾 斌 辽宁煤矿安全监察局局长

张家渔 甘肃煤矿安全监察局局长

刘占文 云南省煤炭工业局副局长

毛健民 东北煤田地质局局长

张国辉 河南煤炭工业局副局长

伊 列 煤炭信息研究院副院长

赵学社 煤炭科学研究总院西安分院院长

王建国 煤炭科学研究总院抚顺分院院长

张彦路煤炭科学研究总院太原分院书记、副院长

郑友毅 中煤国际工程集团沈阳设计研究院院长

张双占 中国测绘科学研究院党委书记

马 军 神华准格尔能源股份有限公司董事长

裴平星 阳泉煤业集团有限责任公司董事长

刘仲田 神东天隆集团公司董事长

伊茂森神府东胜有限责任公司副总经理兼总工程师

陈雪枫 永城煤电（集团）有限责任公司董事长

王延平 通化矿务局局长

王田立 抚顺煤矿电机厂厂长

邱 江 煤炭教育协会副理事长

李曾全 煤炭教育协会副理事长

孙永奎 鸡西矿业（集团）有限责任公司董事长

国汉斌 内蒙古大雁煤业有限责任公司总经理

朱廷海 内蒙古扎赉诺尔煤业有限责任公司总经理

孙国建内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司总经理

李 崇 河南神火集团有限公司董事长

李馥财 鹤岗矿业集团有限责任公司董事长

赵玉林七台河矿业精煤（集团）有限责任公司董事长

赵庆福 双鸭山矿业集团分公司董事长

张 义 吉林省辽源矿务局局长

李 庆 南票矿务局局长

王 祥 云南东源煤业集团有限公司副总经理

刘敬堂 辽宁省化工地质勘查院院长

李广杰 沈阳市勘察测绘研究院院长

刘廷吉 中冶北方工程技术有限公司董事长

李中华 北方建设集团总经理

武奎斗 辽宁翰文文化服务有限公司董事长

曹殿民 锦州东港电力有限公司总经理

8.2.1 电磁辐射监测仪简介

对于煤岩变形破裂电磁辐射现象的研究及监测仪器的研制，最早的是20世纪80年代末至90年代初前苏联矿山测量与地质力学研究院先后研制的“EГ—9”、“BOЛa—1”、“BOЛa—2”等型号的测量仪器，主要是通过测定工作面前方的电磁辐射脉冲数来评价其冲击矿压和煤与瓦斯突出危险性。煤炭科学研究总院重庆分院的马超群等［192］研制了MMT—92型煤与瓦斯突出危险探测仪，该仪器采用点频（57±5 kHz）天线来接收煤岩破裂的电磁辐射，测定指标也是电磁辐射的脉冲数，根据脉冲数的高低来预测工作面突出危险性。上述仪器的一个共同缺点是测定参数只有电磁辐射脉冲数一项指标，且测定的只是单一频率，这与实际煤岩体变形破裂过程电磁辐射参数的特征是不符合的，因而导致其判定结果的不准确性，使其应用受到一定的限制。

KBD-5矿用本安型电磁辐射监测仪是中国矿业大学根据对受载煤岩电磁辐射特征的研究而设计制造的，可用于煤矿井下预测预报冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象以及工作面前方应力状态的监测，也可以对金属矿山岩爆危险性以及混凝土构造的隧道安全性等进行监测，是按照GB3836.4～83《爆炸性环境用防爆电器设备通用要求》制造的。该仪器使用宽频带、高灵敏度定向天线，接收电磁辐射参数有电磁辐射强度和脉冲数两个指标。

主要技术参数有：

频率：宽频

天线灵敏度：50μV/m

测试方式：非接触定向测试

报警方式：手动设置预警临界值，超限自动报警

接收机输入信号：Vpp≥2μV

电源：MCDX-III型隔爆本安电源

工作电压：（12±0.5）V

工作电流：不大于500 mA

有效预测距离：7～22 m

防爆形式：Ex ibI，矿用本质安全型

KBD-5矿用本安型电磁辐射监测仪整个系统包括天线、接收机、微机、电源、充电器、天线固定支架和数据处理及分析软件，其中KBD-5电磁辐射监测系统软件是在Windows操作平台上开发而成的，软件功能强，包括文件操作、数据传输、图表显示、数据连接、动态分析及预测预报、结果打印、远程监测及控制、帮助系统，并具有良好的主界面，如图8.6所示。

图8.6 KBD-5电磁辐射监测系统软件操作界面图

KBD-5矿用本安型电磁辐射监测仪的主要特点有：

1）电磁辐射技术及监测实现了非接触、定向、区域及连续预测；

2）电磁辐射信号的采集、转换、处理、存储和报警由监测仪自动完成。

监测仪具有人机对话、定向接收、数据接收和处理、数据存储和查询、数据和图形显示、与PC机通讯和报警等功能。

其电原理图和电磁辐射监测仪测试方式图如图8.7、图8.8所示。

图8.7 KBD-5电磁辐射监测仪电原理图

图8.8 KBD-5电磁辐射监测仪测试方式图

8.2.2 电磁辐射监测技术在煤岩动力灾害预测中的应用［193～196］

目前，煤岩动力灾害如煤与瓦斯突出的预测方法从预测的范围和时间来分有：区域预测和局部预测，前者又称长期预测，主要是确定矿井、煤层区域的危险性；后者的任务是在前者的基础上及时预测局部地点的危险性，又称为日常预测。若根据突出过程及其连续性有静态（静态）预测方法和动态（连续）预测方法，静态预测是指从现场提取煤岩体在某一时刻所处状态的某种量化指标（如钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度法、R指标法等）来确定危险性，动态预测指通过动态连续监测能够综合反映煤岩体所处应力状态的某种指标（如声发射法、电磁辐射法等）来确定待测地点的危险性。其中电磁辐射非接触预测法是近年来发展较快且取得较好效果的预测方法，尽管在实验室研究和仪器的研制方面均取得了显著的成绩，但是在现场煤岩灾害危险区域的确定方面仍然有许多工作要做。

（1）煤岩开采巷道围岩内部应力区及其电磁辐射监测技术

岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害是煤岩体在地应力（包括构造应力）作用下发生变形破坏的过程，发生的结果是煤岩体的快速抛出及瓦斯的大量释放，是煤岩体、瓦斯及地应力共同作用的结果。在掘进或回采空间形成后，工作面煤岩体失去应力平衡，处于不稳定状态，煤壁中的煤体必然要发生变形或破裂，以向新的应力平衡状态过渡，即发生流变；煤体中的瓦斯也失去动态平衡，在瓦斯压力梯度的作用下，沿煤体中的裂隙向工作面空间涌出，这两种过程均会引起电磁辐射。即使当工作面煤体处于基本稳定状态时，由于煤体仍然承受着上覆岩层的应力作用，此时工作面煤体处于弱流变状态，这同样会产生电磁辐射。

采掘空间形成后，采掘工作面前方存在三个区域：松弛区域、应力集中区和原始应力区，并随着工作面的推进而前移。在松弛区，煤体已发生屈服，在煤体内部形成了大量的裂隙，煤体呈破碎状态，煤体已不能承受太大的应力作用。因此，该区域的应力较低。由松弛区到应力集中区，应力及瓦斯压力越来越高，因此在垂直于煤壁的内部方向上单位煤体产生的电磁辐射信号也越来越强。在应力集中区，应力和瓦斯压力达最大值，因此煤体的变形破裂过程也较强烈，该处电磁辐射源产生的电磁辐射信号最强。越过峰值区后进入原始应力区，不同深度方向上电磁辐射源产生的电磁辐射的强度将有所下降。沿着工作面煤体深度方向上不同位置的电磁辐射源产生的电磁辐射有一个类似于应力曲线型的理论曲线（如图8.9）。采用非接触电磁辐射法测定的是总体电磁辐射强度和脉冲数，是不同深度煤体的电磁辐射场在测试地点的叠加场的反映，预测范围包含应力松弛区和应力集中区。

图8.9 工作面煤体内电磁辐射（E）和应力（σ）分布示意图

综上所述，电磁辐射和煤的应力状态及瓦斯状态有关，应力越高、瓦斯压力越大时电磁辐射信号就越强，电磁辐射脉冲数就越大。应力和瓦斯压力越高，突出危险越大。电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了煤体前方应力的集中程度、瓦斯压力的大小和含瓦斯煤体突出危险的程度，因此可用电磁辐射法进行突出预测。煤岩电磁辐射（EME）是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤岩体的变形破裂过程密切相关。

同样，在煤岩体中进行钻孔后，由于钻孔周围的煤岩体产生应力的释放，发生变形破裂。钻孔周围的地应力越大，或者说应力集中程度越大，则钻孔周围的煤岩体其变形破裂的程度也越大，因而产生的电磁辐射信号也越强。因此，电磁辐射信号能够反映钻孔过程中煤岩体破坏的程度，由煤岩体钻孔检测的电磁辐射结果也能够确定采掘工作面前方应力区域的范围。

钻孔电磁辐射测定系统包括电容式电磁信号传感器、推拉杆和电磁辐射仪。其工作原理是：首先由电容式信号传感器接收钻孔过程中产生的电磁辐射信号，通过放大器放大，然后由电磁辐射监测仪记录感应电势值。实验时，一般垂直煤岩壁面钻孔，每次钻孔1.0 m后立即用电磁辐射仪测定电磁辐射信号。测定系统布置图如图8.10所示。

图8.10 工作面煤体内钻孔电磁辐射测定示意图

（2）电磁辐射与常规预测指标及突出危险性关系

2002年4月在淮南矿业（集团）有限责任公司潘三矿进行了现场试验，主要进行了以下工作：

1）在潘三矿1452（3）轨顺、1452（3）运顺掘进工作面安装了煤与瓦斯突出电磁辐射监测仪，并确定了电磁辐射监测参数；

2）现场测试掘进工作面煤与瓦斯突出与电磁辐射的关系；

3）现场测试掘进工作面电磁辐射与钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度指标间的关系；

4）测试了工作面不同方位电磁辐射的分布。

下面是测定结果分析，从图8.11中可以看出：

图8.11 潘三矿1452运巷同一地点不同方位电磁辐射与常规预测对比

1）电磁辐射强度和脉冲数平均值在同一监测地点不同方位的测定结果其变化趋势均是一致的，即左前方、右前方和正前方在某一个时刻测定的结果相差不大，但是正前方的值要稍微大于左前方和右前方，此变化规律与本文的力电耦合计算结果是一致的；

2）电磁辐射强度和脉冲数平均值测定结果与常规预测法测试值进行对比，发现二者也具有相同的变化趋势，从而说明煤岩变形破裂过程产生的电磁辐射信号反映了煤岩体内部应力的变化，二者呈现正相关的关系。

（3）煤岩体不同深度电磁辐射的变化

2002年12月在淮南矿业（集团）有限责任公司潘三矿进行了现场钻孔电磁辐射试验，测定实验结果如图8.12和图8.13所示。从图中可见：

1）现场钻孔内不同深度测定的电磁辐射强度是不同的，其一般是随着离孔口的距离的增加，先是逐渐增大，在离孔口大约3～5 m范围内达到峰值，然后又开始降低；基本上呈现出与钻孔应力变化相同的趋势，同时也证明了本文第九章力电耦合计算的合理性；

2）对不同测定位置，发现在正前方测定值要大于左前方，说明正前方同一深度的应力值或应力变化要大于左前方的，这一现场测定结果与前面模拟计算值在巷道深度方向的分布规律是吻合的。

图8.12 EME现场测定幅值与钻孔不同深度的关系

图8.13 EME现场测定脉冲数平均值与钻孔不同深度的关系

8.2.3 煤岩变形破裂电磁辐射临界值的确定

为判断待测煤层的突出危险性，需要对KBD-5型电磁辐射监测仪的两个参数：电磁辐射强度和脉冲数，进行临界值的设定。KBD-5型电磁辐射监测仪主要由高灵敏度宽频带定向接收天线和电磁辐射接收及数据处理主机组成，是通过电磁辐射强度值和脉冲数两个参数指标三个值（电磁辐射强度最大值Emax、电磁辐射强度平均值Eavg和电磁辐射脉冲数N）来监测工作面冲击危险程度的。在应用过程中，发现临界值设定的好坏直接影响预测效果，因此本文对此进行了研究。

（1）临界值确定的步骤

对一般矿区采用临界值法，即当电磁辐射强度或脉冲数超过临界值时，监测仪自动报警，应采取防治措施。不同矿区因其不同的地质情况、煤岩内应力分布、煤岩物性电性参数、煤中瓦斯状态和煤岩含水率等，其电磁辐射水平也各有差异，因此必须设定不同的临界值。煤岩体破裂过程中产生的EME，其影响因素主要有：煤岩电性参数、加载条件、煤岩组分等。电性质是煤岩材料的重要物理性质，也是研究煤岩电磁辐射传播特性的主要参数；对此何学秋、聂百胜［64］等进行了一定程度的研究。本书第4章也对影响电磁波在煤岩介质中的衰减特性进行了分析与研究。

为此，煤岩破裂电磁辐射临界值的主要影响因素分析如下：

1）应力变化率决定裂纹扩展的速度以及煤岩破坏所需的能量，也就决定了破坏过程电磁辐射能量的大小。这与不同矿区不同煤岩具有不同流变突变速率有关，从而影响电磁辐射的幅度和频度。

2）不同变质程度煤体受载下产生的电磁辐射具有不同的幅度和频度特征。

3）煤体电阻率和相对介电常数随应力的变化而变化。因此现场电磁辐射传播在原始煤体和受载煤体中由于电性参数不同而有很大变化，从而造成了电磁辐射幅值的变化，也影响了临界值的确定。

因此，为确定适用于不同矿区煤岩动力灾害危险性电磁辐射预测的临界值，可以在预测初期采用危险性常规预测法和非接触的电磁辐射监测法同步测定，然后通过对比分析和数据处理，以确定合理的幅度和频度（即电磁辐射强度和脉冲数）临界值。确定好临界值后，只需采用电磁辐射方法，就可以真正实现煤与瓦斯突出危险性的动态、连续预测。临界值确定方法的步骤如下：

1）首先了解待测煤层的地质情况、物性电性参数、应力状况、含水率等，并对所取煤样进行受载下电磁辐射的实验研究。

2）采用常规的突出预测方法如钻孔瓦斯涌出初速度qm和钻屑指标（Smax、K1值、Δh2值）进行跟班测定，并对待测煤层的测定数据进行详细记录。

3）采用KBD-5电磁辐射监测仪对同一含瓦斯煤层同一地点进行同步监测，也可进行动态跟踪监测。定点监测就是在巷道中选定某一测点，监测选定区域内煤体在采掘过程中电磁辐射的变化。动态跟踪监测就是随着工作面的进尺，在工作面迎头布置测点，监测进尺后工作面前方煤体的电磁辐射，以预测工作面前方煤体的突出危险程度。如图8.2所示，安装好支架和天线，并连接好主机及电源。然后打开仪器，先根据经验设置初步的临界值、门限值和组数等；按开始键进行测试，测定电磁辐射强度和脉冲数。

4）测试结束后，将便携式监测仪带到井上，将数据传输到微机中，结合常规预测方法的测定数据，进行进一步的趋势分析。

5）通过一定时期的同步测定和数据分析后，不断修正临界值，最后根据分析结果确定一个合理的适用于特定煤层的电磁辐射预测临界值。

（2）现场应用效果

以东庞煤矿2900北辅轨道巷、2900轨道下山的掘进工作面煤与瓦斯突出危险性预测为例。常规预测采用钻孔瓦斯涌出初速度qm、钻屑量S等不连续法进行工作面突出危险性预测，同时采用KBD-5矿用本安型煤与瓦斯突出电磁辐射监测仪进行了同步预测。

根据一定时期的测定和对测定数据的分析表明，电磁辐射强度和电磁辐射脉冲数与钻孔瓦斯涌出初速度qm和钻屑指标（Smax、K1值、Δh2值）之间基本上呈正相关。钻孔瓦斯涌出初速度qm或钻屑指标大的地方，电磁辐射强度或脉冲数也较大（如图8.14，8.15）。试验期间，钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑瓦斯解吸指标Δh2和电磁辐射强度和脉冲数指标的测定结果相对比较一致。根据测定结果和试验地点煤层稳定情况分析，2号煤层钻孔瓦斯涌出初速度q临界指标可暂定为4.0 L/min，钻屑瓦斯解吸指标Δh2临界值可暂定为200 Pa。从图上可以看出一段测定时间内电磁辐射强度最大值的平均值在200 mV左右，脉冲数最大值的平均值在100次/s水平。

图8.14 电磁辐射与钻孔瓦斯涌出初速度关系

图8.15 电磁辐射与钻屑量、Δh2指标间关系

因此分析东庞矿2号煤的实验室和现场实际电磁辐射测定结果、结合其他突出矿井的电磁辐射临界指标，确定东庞煤矿2号煤电磁辐射强度和脉冲数指标的临界值分别为200 mV和100次/s。电磁辐射强度E大于200 mV，或者脉冲数大于100次/s时需采取防突措施。

确定好电磁辐射强度值和脉冲数的临界值后，再利用KBD-5矿用本安型煤与瓦斯突出电磁辐射监测仪对2900北辅轨道巷2901下巷电磁辐射进行测定，测定结果如图8.16～8.17。

试验结果表明，有突出危险时，工作面煤体电磁辐射信号强度较强，脉冲数较高，如图8.16所示；没有突出危险时，工作面煤体电磁辐射信号强度较弱，脉冲数较低，如图8.17所示。

图8.16 2900北辅轨道巷电磁辐射测试结果

图8.17 2901下巷电磁辐射测定结果

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责任编辑：朱编辑

吴 见 王赞惟

( 中联煤层气有限责任公司，北京 100011)

摘 要: 我国低煤阶煤层气资源十分丰富，但目前开发效果不明显。本文总结了低煤阶煤层气勘探开发现状，对五个煤层气盆地进行了特征对比。依据准南项目工作经验，提出了低煤阶煤层气井网部署、钻完井技术、排采技术等方面的认识。

关键词: 低煤阶 煤层气 研究进展 认识

The Low Rank Coalbed Methane Research Progress and Recognition of South Junggar Basin

WU Jian WANG Zanwei

( China United Coalbed Methane Corporation Ltd. Beijing 100011)

Abstract: Low rank coalbed methane is abundant in China，but with poor developing result. This article summarizes the current situation of CBM exploration and development，and developes a characteristic contrast of five CBM basins. Based on south Junggar Basin item，this article put forward the recognition about network deploy- ment，drilling and completion and draining technology.

Keywords: South Junggar BasinLow rankCoalbed methaneResearch progressRecognition

作者简介:吴见，男，(1983年生)，2009年毕业于中国矿业大学(北京)，硕士研究生，工程师，从事煤层气资源评价等工作。地址:北京东城区安外大街甲88号，100011。E-mail:ilcby@163.com。

1 前言

低阶煤是煤化作用早期阶段形成的产物，通常指碳含量低、挥发份高、发热量较低的褐煤、长焰煤和不粘煤等，煤岩镜质体反射率Ro<0.65%。

我国煤层气资源十分丰富，新一轮全国油气资源评价(2007年)结果表明:中国42个主要含煤盆地2000m以浅煤层气资源量为36.81×1012m3，其中低阶煤层气约占煤层气总资源量的36%。主要分布在侏罗系、下白垩统和第三系，其次为石炭二叠系。侏罗系低阶煤主要分布于中国西北部的80余个不同规模的内陆坳陷盆地，如准噶尔、吐哈、伊犁、塔里木等盆地下白垩统低阶煤主要分布于大兴安岭以西的40余个规模不等的中新生代断陷盆地，如伊敏、霍林河、胜利、扎赉诺尔、大雁等盆地第三系低阶煤分布于沈北、珲春、舒兰、梅河等盆地。中国低煤阶煤层气资源量巨大，形成了良好的勘探开发资源基础。开展低煤阶煤层气资源评价研究，探索勘探开发工艺技术具有积极的意义。

2 国内外研究现状

2.1 理论基础

美国的煤层气开发首先是在圣胡安和黑勇土两个盆地的中煤阶煤中取得突破，并由此形成了煤层气产出的“排水—降压—解吸—扩散—渗流”理论。20世纪90年代，美国又提出“生物型或次生煤层气成藏”理论，并在尤因塔、粉河盆地上白垩统煤系地层勘探取得成功，实现了低煤阶煤层气的商业性开发。加拿大注重发展连续油管压裂、二氧化碳注入、水平羽状井等增产技术。澳大利亚发展了针对低渗透特点的地应力评价理论和水平井高压水射流改造技术，均实现了煤层气开发突破。同时，也证明了美国煤层气理论的适用性，根据煤层气资源条件进行借鉴应用和适宜性改进，可以促进中低煤阶煤层气资源开发。

中国实现煤层气资源开发的突破区是高阶煤，目前，中联公司、中石油、蓝焰等公司在沁水盆地实现了无烟煤煤层气地面商业化开发，形成了创新性煤层气开发技术体系，解决了高阶煤煤层气勘探开发的技术和模式问题，可保证煤层气地面开发的顺利进行，具有国际领先水平在低煤阶煤层气研究方面，开展了大量的工作，比如总结出影响低阶煤煤层气富集的关键因素是封堵，而构造、岩性和水动力是形成煤层气封堵的主要因素(傅小康，2006)开展了中国低煤阶煤层气藏的地质特征和成藏模式研究，提出低煤阶煤层气成藏模式(孙平，2009)介绍国外成功应用的低煤阶煤层气勘探开发技术，对我国的低煤阶煤层气资源与勘探开发前景进行了初步分析、评估和展望(李五忠，2008)。对于低煤阶煤层气资源的富集模式、成藏条件、储层特征以及钻完井等施工技术开展了理论研究和实践应用总结，在准南煤层气资源勘探开发方面，也形成了诸多研究成果，对于促进我国低阶煤煤层气资源发展起到了积极的作用。在总结国内外低煤阶煤层气研究成果的基础上，以准南地区为对象，提出低煤阶煤层气勘探开发的一些认识。

2.2 开发现状

全球已有29个国家开展了煤层气研究、勘探和开发，其中，美国、加拿大、澳大利亚、中国已形成煤层气产业(图1)。2009年美国煤层气年产量542亿m3，占当年美国天然气产量的8.7%，在尤因塔、粉河盆地等的低煤阶煤层气资源开发突破，实现了煤层气产量的大幅增长。粉河盆地主要为低煤阶褐煤，深部存在高挥发分烟煤，煤层气以生物成因气为主且主要通过微生物发酵代谢途径形成。富集区带的高产是由于同时存在超压承压和水动力捕集致使煤层再饱和的运移热成因气和生物气而造成的，煤层气开发区位于盆地东缘浅部位。同时澳大利亚在低煤阶的苏拉特(Surat)盆地、加拿大在阿尔伯塔盆地成功实现煤层气规模开发。国外煤层气开采实践已证实，低煤阶煤层同样具有产气能力，完全可以实现规模化商业性生产。

2010年中国地面煤层气产量仅为14.5亿m3，占常规天然气总产量的1.5%，几乎全部来自沁水盆地无烟煤煤层气资源开发。而美国在粉河盆地2006年底年产气量就超过140亿m3，实现了低煤阶区煤层气的大规模开发。中国低煤阶煤层气资源十分丰富，若实现技术突破推动低煤阶煤层气资源开发，中国煤层气产量将大幅增加。

图1 煤层气年产量曲线

3 中国低煤阶煤层气基本特征

中国典型的低煤阶含煤盆地具有煤层层数多、厚度大、分布广泛的特点，弥补了含气量小的缺点，使得低煤阶煤层气具有良好的勘探开发前景。低煤阶煤层气藏以美国的粉河盆地为代表，在盆地开发初期，认为低含气量、低地层压力将阻碍煤层气的发展，但独特的地质条件和煤储集层特征、理论和技术进步带来的全新完井工艺技术理念，推动了该盆地煤层气商业性开发，成为低煤阶煤层气开发的示范。中国准噶尔盆地煤层气藏与美国粉河盆地煤层气藏的成藏特征极为相似，含气量明显高于粉河盆地，粉河盆地的煤层气商业开发给准噶尔盆地煤层气的勘探开发提供了思路和借鉴。

选择北部的二连盆地、中部的鄂尔多斯盆地、实现高煤阶煤层气商业化开发的沁水盆地以及国外具有代表性的低煤阶煤层气区粉河盆地进行特征对比。其中北部的二连盆地群，是我国重要的低煤阶聚煤区，霍林河地区是二连盆地群典型的聚煤盆地。而中部的鄂尔多斯盆地侏罗系，截至2010年5月底，共钻煤层气探井17口，部分井目前已获得了工业气流。其中铜川矿务局与煤炭科学研究总院西安研究院在焦坪矿区合作开发一口煤层气井，井深628米，排采一个月后日产气量达到了1000m3，之后产气量维持在1000～1500m3/d。准南地区施工煤层气井14口，阜试1井和ZN－01井获得了连续排采数据，为准南地区排采特征的研究和排采制度的制定提供了原始数据。

相对于高煤阶含气量高的特点而言，低煤阶地区具有渗透率好、煤层厚度大等特点，保证了低煤阶煤层气开发的资源条件和煤层气产出的有利条件。比如沁水盆地主要含气区含气量在10m3/t以上，普遍高于低煤阶几立方米的含气量，但低煤阶煤层气藏的渗透率一般大于高煤阶煤层气藏，美国粉河盆地低煤阶煤层气藏渗透率一般为35～450mD，鄂尔多斯盆地乌审旗地区、准南地区主力煤层都在10mD，而沁南高煤阶煤层气藏渗透率一般小于2mD，同时，煤层厚度也普遍高于沁水盆地。

表1 煤层气盆地主要特征对比表

相对于国内其他低煤阶地区，准南地区具有更高的含气量，煤层厚度适中，但地层倾角大，加大了开发难度，与粉河盆地具有诸多的相似性，煤储层渗透率高，煤层厚度大，地层倾角大，粉河盆地成功的勘探开发模式和技术对准南地区具有更好的适用性。

4 准南煤层气基本特征

本区含煤地层主要为侏罗系中统西山窑组(J2x)和下统的八道湾组(J1b)，煤层赋存条件相对较好的区域主要分布于玛纳斯河至阜康大黄山区段，其中八道湾组富煤带位于阜康水西沟一带，西山窑组富煤带展布于玛纳斯乌鲁木齐。西山窑组可采煤层总厚度6～45.24m，八道湾组可采煤层总厚度2.50～45.32m。煤类以长焰煤、气煤为主。含气量较高的地区分布在乌鲁木齐河白杨河区域，主可采煤层含气量均能达到10m3/t以上阜康大黄山和乌鲁木齐矿区最高气含量均达到15cm3/g左右。该地区孔裂隙发育，煤层渗透率高，利于煤层气开采。储层压力总体处于稍欠压和正常压力状态。准南地区煤层基本特征总体为高倾角、厚煤层、高含气量、中渗透率、稍欠压。

目前普遍认为准噶尔盆地等具有良好的煤层气勘探前景，是我国低煤阶煤层气勘探开发潜在的接替领域，力争在低煤阶煤层气勘探开发领域取得突破。依据《中国西部低阶煤煤层气资源调查研究成果报告》(中联煤层气公司，2005)，准噶尔盆地共有5个低阶煤煤层气富集区，而准噶尔盆地南缘为最具有潜力的地区，准噶尔盆地南缘是现在新疆具有较好条件的勘探开发区域。

5 准南勘探现状

至2010年底，准南地区施工了7口参数井、3口生产试验井、1口参数+生产试验井，共11口井。

在准南地区实施排采的煤层气井共有4口。2006年中石油在呼图壁施工了昌试1井、昌试2井，套管完井，通过造穴射孔、压裂进行储层改造，煤层最高实测含气量为7m3/t(深度890～1070m)2008年，新疆煤田地质局在阜康地区实施阜试1井，42号煤层为射孔高能气体压裂，44号煤为洞穴完井，同年11月开始排采，12月9日点火成功，在排采过程中，日最大产气量近1000m32009年中联公司与新疆煤田地质局在阜康地区实施ZN01井，是一口套管完井的煤层气生产井加参数井，测试42号煤层平均含气量9.6m3/t，对42号煤层(880～888m)进行压裂，目前正进行排采，产气量较小。

图2 准南地区煤层气井分布图

总体上，准南地区的煤层气勘探开发处于勘探初期阶段，目前已初步完成了选区评价工作，对地区煤层气地质条件和储层特征有了一定认识，同时实施了十余口煤层气井，4口井进行了生产试验，获取了部分煤储层参数和生产特征数据，在煤层气井钻井、储层改造、排采方面积累了宝贵经验。勘探开发工作集中在阜康、后峡、硫磺沟玛纳斯地区，也是工作的优先区和重点区。新疆煤田地质局在阜康白杨河地区，以阜试1井、ZN01井为基础，已开展小井网建设，拟在该地区初步建成煤层气开发利用基地，起到示范带动作用。

6 勘探开发建议

6.1 井网部署

由于该区地层倾角较大(阜康有利区地层倾角在45°～50°)，根据高倾角地层压降漏斗的特点，考虑采用三角形构成的梯形网。即布设两条线(井距大约300m)，线距200m(垂深700m～900m)，共布置5个井(杨曙光，2010)。井网井型的确定应采用数值模拟进行优化部署，建议尽快开展数值模拟工作，以确定合理的布井间距。

6.2 钻完井技术

(1)大倾角、高渗区:准南阜康地区煤层倾角大、渗透率偏高地区，可以采用大倾角斜井钻井技术，以及U型水平井技术(U型定向斜井)。斜井沿煤层倾向从高向低钻进，保证了与煤层的最大限度接触面积，预期可实现单井产量提高3～5倍

(2)厚煤层:阜康地区主力煤层厚度大于20米，ZN01井进行了水力携砂压裂，压裂过程和压裂曲线都比较理想，但由于地应力较高，可能裂缝压开后，随着井内压力被释放，压开的裂缝又闭合，从而造成煤层的渗透性减弱，可试验注N2，CO2置换工艺技术，查看实际应用效果。

(3)煤层较松软、破裂压力较低:煤层气井固井一般水泥返深在最上层煤层顶板以上200m，ZN01井目的层42号煤层距最上层煤层39号煤层100余米，煤层破裂压力较低，可能对煤储层造成了一定影响。水泥返深应根据煤层埋深、破裂压力、煤质等状况确定，合理控制水泥浆量与顶替液量，在煤层较松软、破裂压力较低时，合理降低水泥返深，降低固井液密度，防止煤层在固井时压裂，保证固井质量，保护煤储层。

6.3 排采

煤层气主要以吸附状态储存于煤层中，因此，煤层气井的生产是通过抽排煤层或顶底板含水层的承压水，降低煤储层压力，促使煤储层中吸附的煤层气解吸。煤层气井的产气量大小、生产周期则直接受控于排采制度的调整以及设备的选型。因此在排采过程中，必须选择适合该煤层气井地质、储层条件和不同生产阶段的排采工艺技术。

总体原则是排液应连续平稳，保持动液面平稳下降，禁止间歇间排和排量的大起大落而造成生产压差上下波动，至使储层激动、吐粉、垮塌。

依据中联公司在沁南地区排采经验，排水降压阶段，为使井底和储层间的压差变小，并维护煤层结构的完好，宜采用定压排采制度，根据本区地层水的情况和煤层强度，控制适中的排采强度，保持液面平稳下降。阜康地区主力煤层埋深近900米，目的层较深，排水降压后期液面下降每天不宜超过50m。一方面是防止煤粉和压裂砂抽吸过程中在井筒附近聚积堵塞煤缝隙，二是避免进入泵筒引起泵堵，因为每一次的停泵检修，都是对煤储层的一次伤害，三是如果井底压力释放过快，受上覆地层压力的影响，前期改造好的气体运移通道将受到大力挤压，从而使通道闭合，降低渗透率稳产阶段，宜采用定产排采制度，即通过控制井底压力来控制产气量。通过降低套压或降低动液面都可以达到降低井底压力、增加产气量的目的。

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