该成果来源于国家“十三五”国家科技重大专项，开展井下注氮促流扩缝驱替增渗技术机理研究。实验考察注入氮气对原生裂隙的扩张作用，分析注入氮气驱赶裂隙瓦斯流动速率，研究氮气-瓦斯对流扩散规律，阐明注氮促流扩缝驱替增渗机理；研发井下注氮促流扩缝驱替增渗关键工艺与配套装备。以理论研究成果为基础，考虑井下施工过程中所面临的参数确定、气源配置、高效封孔与智能调控等问题，研制与开发井下注氮促流扩缝驱替增渗关键工艺与配套装备。
推导了综合考虑二元气体竞争吸附、复合基质膨胀、混合气体流动、Klinkenberg效应与有效应力等多因素影响的煤层注氮-瓦斯抽采过程全尺度多场耦合本构模型，分析凝练了煤层注氮有利于强化瓦斯抽采效果的三重效应：(1)促流效应。有利于增加注入钻孔与抽采钻孔间的气体压力梯度，从而促进裂隙瓦斯流动;(2)增渗效应。有利于减小煤储层所受有效应力，从而增加煤层透气性；(3)置换效应。有利于竞争吸附与置换瓦斯，从而促进孔隙瓦斯解吸。研发了井下注氮促流扩缝驱替增渗装备（表1），并进行了现场工程试验，验证了井下注氮促流扩缝驱替增渗设备的可靠性。
表1井下注氮促流扩缝驱替增渗装备功能参数
针对低渗碎软突出煤层，提出了底抽巷注氮促流快速条带消突工艺，完整搭建了井下“制氮-增压-储气-注气-抽采-观测”的全流程井下注氮促流工程系统，开展了中-高压力持续注氮促流试验，现场试验验证了底抽巷注氮促流快速条带消突工艺对于提升低渗碎软煤层瓦斯抽采量和降低瓦斯含量有着明显作用，瓦斯含量最快在1个月内降低2.56m3/t。试验发现了低渗碎软煤层的注氮起效临界压力与滞后效应。
图1底抽巷注氮促流快速条带消突钻孔布置
针对低压力低含量高强度开采煤层，提出井下顺层钻孔注氮促流抽采降低残余难抽煤层瓦斯抽采工艺，极大的降低了回采期间工作面瓦斯涌出量。在中煤新集刘庄矿、山西王家岭矿煤展开了井下注氮促流扩缝驱替增渗技术试验，结果表明：该技术可以明显提高抽采钻孔的瓦斯混合量及瓦斯纯量，增幅达1.5到5倍，残余瓦斯含量减少20%。
图2注气前后抽采纯量及混合量的变化
图3 2019年获得中国职业安全健康协会科学技术一等奖
