CO2 預裂增透瓦斯抽采技術的應用——以宏遠煤業150103 運輸順槽掘進工作面為例

王惠明

(山西煤炭進出口集團煤業管理有限公司，山西太原030006)

1 礦井瓦斯地質概況

宏遠煤礦開采山西組15#煤層。煤層位太原組下段，煤層平均厚度4. 5 m，區域上比較穩定。煤層底板標高840 ～1 240 m，埋深500 ～632 m，頂板一般為泥巖、砂質泥巖，底板為黑色泥巖、粉砂巖，老底為中細粒砂巖。煤層含夾矸0 ～3 層，一般1 層，厚1.4 m，屬結構簡單至較簡單煤層。煤層傾角0°～5°，平均傾角3°，屬緩傾斜煤層，井田內各采區煤層產狀變化較大。層總體走向北北東的單斜構造，局部波狀起伏，工作面整體東高西低。

煤層瓦斯含量最小10. 43 m3/t，最大12. 12 m3/t，平均10.5 m3/t。瓦斯壓力最小 0. 21 MPa，最大 0. 69 MPa，平均0.45 MPa。煤層透氣性比較差，屬于較難抽采類型。

150103 運輸順槽屬于近水平巷道，地質構造比較簡單，按照現有資料該地段沒有發現落差大于3.5 m 的斷層和直徑超過30 m 的陷落柱構造存在。該地段采用密集型順層抽采鉆孔進行瓦斯的抽采。

工作面可解吸瓦斯含量最小10.43 m3/t，最大23 m3/t，平均14 m3/t。根據含量特征，該工作面可能具有突出危險。煤層透氣性差。

150103 運輸順槽獨頭通風，風量Q =560 m3/min，斷面面積S=18.4 m2。風速V=0.51 m/s，瓦斯濃度為0.04%。

150103 運輸順槽第一區域鉆孔瓦斯抽采情況。

瓦斯抽采方法:順層扇形密集型預抽。

在150103 運輸順槽巷道迎頭布置39 個孔徑為94 mm 的預抽鉆孔，巷道方位角為218°，鉆孔布置三排，第一排離巷道底板1.6 m，傾角按 +6° ～ -5°施工 13 個預抽鉆孔，每孔孔距0.4 m，孔深為120 m。第二排離巷道底板1.2 m，傾角按+6° ～-5°施工。第三排離巷道底板0.8 m，傾角按+6° ～-5°施工。

圖1 150103 運輸順槽迎頭抽放孔設計平面圖

圖2 150103 運輸順槽迎頭抽放孔設計斷面圖

該工作面第一區域于2012 年12 月開始施工鉆孔預抽，預抽時間為5 個月，預抽鉆孔，瓦斯抽采量為1.0 m3/min 左右，預抽后瓦斯含量為6.2 m3/t。

正頭布置30 個預抽鉆孔，瓦斯抽采量為1.0 m3/min 左右。

150103 運輸順槽工作面將于距離巷道開口位置116 m 處進行CO2預裂增透瓦斯抽采技術方案實施，鉆場布置如下:150103 運輸順槽寬5.0 m，鉆場長4 m，寬4.0 m，高3.6 m，鉆場左右布置錯距為20 m。

圖3 150103 運輸順槽迎頭抽放孔設計剖面圖

2 實施CO2 預裂增透瓦斯抽采技術的意義和必要性

瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的根本途經，也是最重要的手段。由于我國煤礦大部分煤層屬于低透氣性煤層，本煤層瓦斯抽放較為困難。對單一煤層，目前所采取的措施主要是密集鉆孔和長時間抽采，抽采成本極高。在透氣性較好的煤礦，本煤層瓦斯抽采也存在同樣的問題。因此，提高低透氣性煤層的瓦斯抽采效率已成為共性問題，是亟待解決的技術難題。另外，在瓦斯透氣性較好的煤礦(井田)，迫切需要開發成本更低、效率更高的瓦斯抽采新技術和新工藝，提高瓦斯濃度和增加抽采量。

瓦斯既是煤礦安全的元兇，但也是寶貴的清潔能源。要實現瓦斯抽采量最大化和瓦斯利用率最大化，關鍵在于提高煤層透氣性，增加瓦斯抽采濃度和流量。

提高煤層透氣性的途徑目前常用的有兩種方法:一是開采解放層;二是地面鉆孔水力壓裂。對于宏遠礦區的單一煤層，無法實施開采解放層增透技術;采用地面打鉆壓裂技術是一種提高煤層透氣性的有效方法，但抽采時間長，有時受地面環境影響，合理的鉆孔位置選擇較困難。

CO2預裂煤層增透技術是提高低滲煤層瓦斯抽采率的新工藝和新技術。該技術工藝簡單、可靠易行、安全、綜合成本較低，可大幅度提高瓦斯抽采率和抽采速度，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，有效消除煤與瓦斯突出危險性。應用和推廣這一技術，可以使我國高瓦斯煤礦早日實現煤、氣安全高效共采。二氧化碳炮爆破原理:在爆破孔內裝入預先注入液態二氧化碳的爆破管，并將其與低壓起爆器連接;接通電流引爆爆破管的起爆頭后，管內二氧化碳迅速從液態轉化為氣態。當爆破管內氣態二氧化碳壓力達到預設壓力時，釋放頭內的破裂盤被打開，二氧化碳氣體透過排放孔迅速向外爆發，瞬間產生強大的膨脹能破碎煤體，從而達到爆破效果。

二氧化碳爆破在國際上發展歷史較長，主要用于井下煤炭開采、地面建筑拆遷、大塊石料破碎、水泥窖爐和煤倉清堵等，煤炭開采則以增加塊煤率，提高煤炭價格為目的。這類二氧化碳炮只有4 m 長，僅適用于局部爆破作業，但不適合我國低滲煤層預裂增透抽采。國內外現有的煤層壓裂增透技術主要包括水力壓裂、空氣致裂、炸藥預裂等，但這些技術存在諸多缺陷，低滲煤層增透效果不理想。

在國內，經過長期技術攻關和現場試驗，用于煤層預裂增透的“CO2煤層預裂器”和相關技術基本成熟。由于CO2預裂器具有物理爆破的特點，無明火，預裂全過程均在煤層深孔中、孔口密封情況下進行，人員也已遠離現場，因此也可稱其為本質安全型預裂增透器。

3 CO2 預裂增透瓦斯抽采技術方案

3.1 CO2 預裂增透瓦斯抽采預期目標

1)使預裂區產生大量裂隙，改變掘進面前方局部地應力狀態，有效消除煤與瓦斯突出危險性。

2)大幅增加煤層滲透性，提高抽采濃度和抽采效率，快速降低煤層瓦斯含量和壓力，消除突出危險性，保障突出掘進工作面快速掘進。

3.2 CO2 預裂增透瓦斯抽采技術方案

3.2.1 CO2預裂增透成孔技術要求

麻花鉆干式鉆井成孔。鉆頭直徑94 mm，鉆桿直徑89 mm，孔深80 m。鉆孔技術要求:施工過程采用慢速推進，孔身直、內壁光滑、孔內干凈。嚴格控制鉆孔方位角、傾角，避免與鄰近孔打穿或者距離太近，防止預裂的時候高壓氣體從鄰近孔噴出，影響預裂效果。為防止塌孔，預裂當天成孔或提前一天成孔為好。

3.2.2 150103 運輸順槽鉆孔瓦斯監測記錄表

3.2.3 預裂施工管理(表1，表2)

表1 預裂孔參數

表2 CO2 預裂現場施工記錄表

4 預裂增透瓦斯抽采效果評價及意義

4.1 瓦斯抽采參數考察

監測地點:150103 運輸順掘進頭。

監測對象:150103 運輸順槽掘進頭預抽鉆孔和預裂孔。

測試參數:瓦斯濃度、抽放負壓、孔板壓差。

考察參數:瓦斯濃度、抽放負壓、壓差、孔板系數、混合流量、純瓦斯流量。爆破預裂后要保證抽采鉆孔濃度一個月內不低于30%。

測點密度:2 次/天。

考察方法:每天監測點專人實測和記錄，專用記錄本，升井后轉錄計算機，當天計算抽采純量等數據，每10 d 小結一次，最少觀察60 d 數據，能保留兩側鉆場預抽孔預抽時間100 d 更好，數據要定時上報項目組長。

表3 CO2 預裂現場瓦斯參數監測記錄表

4.2 煤層瓦斯含量考察

由于CO2預裂后工作面原始狀態破壞，封孔難度很大，無法進行瓦斯壓力考察。建議進行瓦斯含量考察。

考察參數:瓦斯含量。

考察方法:CO2預裂前、后實測瓦斯濃度及含量對比法。

含量實測時間、地點安排:

預裂前:在150103 運輸順槽迎頭分別布置2 個瓦斯含量測點。采樣深度15 m，進行現場解吸和實驗室殘余量測試，計算瓦斯含量。

預裂后:預裂后30 d，預裂后每2 d 在上述2 個瓦斯含量測點附近選點，孔深15 m，采樣測試瓦斯含量。

比較本項技術措施前后瓦斯含量的變化，評價預裂效果。

4.3 增透預抽前后K1 值對比

增透預抽前在工作面迎頭打鉆測K1 值，預裂后30 d 在工作面迎頭測K1 值，對兩次數據進行比較(如表4)。

表4 K1 值對比表

通過上述數據表明:

1)實施CO2預裂大幅提高瓦斯抽采濃度和抽采率，快速降低煤層瓦斯含量，使高瓦斯煤層變為低瓦斯煤層，減少瓦斯爆炸事故，保障安全開采。

2)大幅提高瓦斯抽采率，快速降低煤層瓦斯壓力，消除突出危險，減少突出事故，保障突出工作面安全掘進和開采。

3)CO2預裂后，使煤層產生大量裂隙，使煤層地應力重新分布，應采取措施消除局部高應力狀態，起到消突效果，保障突出工作面安全掘進和回采。

4)抽出瓦斯可以直接民用。高瓦斯煤礦CO2預裂后的瓦斯抽采濃度到達30%以上，部分70%以上，經提純后用于汽車燃料，實現瓦斯的變害為利。

5)CO2預裂增透瓦斯抽采技術不僅給煤炭企業帶來巨大的經濟效益，社會效益更大。在解決安全難題的前堤下對環保低碳、能源開發利用等有重大意義，附合國家的產業政策。

這項技術研究成功，將是我國煤炭行業瓦斯治理安全難題的重大突破，是國家急需的，也是煤炭行業急需的。因此，該技術具有廣泛的推廣應用前景。