CO2預裂增透技術在巷道掘進中的試驗及效果分析

2017-05-14 09:52:51白鵬

中國煤炭工業 2017年1期

文/白鵬

隨著煤炭開采深度的增加，煤層瓦斯含量呈高倍數梯次遞增，瓦斯抽出難度加大，煤炭安全生產風險亦增加，并且這一趨勢與日俱增。要實現礦井瓦斯的趨利避害，瓦斯抽采是主要的治理技術手段。而現有的技術缺陷，難以達到行業、環境和社會的要求，探求新的技術方法，解決煤礦瓦斯抽采問題已是刻不容緩的事情。

山西石泉煤業有限責任公司在礦井低透氣性煤層巷道掘進過程中，防突預測指標值△h2頻繁超標（△h2大于200Pa），采用傳統的施工瓦斯釋放孔效果不明顯，嚴重制約了掘進速度和單進水平的提高，影響了礦井正常的生產接續。針對這種情況，山西石泉煤業有限責任公司提出了“高壓二氧化碳預裂和巷幫鉆孔邊抽邊掘掩護掘進”相結合的綜合瓦斯治理技術。

一、高壓CO2煤層預裂增透解吸技術工作原理

在標況下液態CO2受熱成為氣體后體積可達原來的600余倍，在其膨脹過程中可對周圍物體產生巨大的壓強，形成裂隙。由于煤層并非一個完全致密物體，本身就存在著原生裂隙，具有巨大壓強CO2氣體必將會對這些裂隙擴張并溝通，最終改善煤層透氣性。由于CO2氣體的帶壓膨脹會對吸附在煤層中的瓦斯產生驅趕作用，但瓦斯又具有較強的親煤特性，使得煤體中的吸附瓦斯呈游離狀態。因此，高壓CO2煤層預裂增透解吸技術從根本上解決了難抽采煤層透氣性差和煤層中瓦斯游離度低的抽采的制約因素，實現瓦斯的高濃、高效抽出。二氧化碳預裂增透技術的基本原理如下：

1.CO2氣體本身沒有爆炸性，具有抑制爆炸和燃燒的作用。

2.在溫度 31℃以下、壓力 7.2MPa時，CO2以液態存在。

3.1.0kg液態CO2吸收60.0kJ的熱量才能氣化。

4.當溫度超過31℃時，無論壓力多大，液態CO2將在40毫秒內氣化。

5.CO2預裂器內部安裝發熱裝置，熱反應過程在完全密閉且充滿液態CO2的主體內腔中進行，震動和撞擊均無法激活發熱裝置，因此該設備的充裝、運輸、正常存放和安裝使用具有較高的安全性。

6.液態CO2氣化產生高壓波，可以預裂煤層增透，提高煤層滲透性，增加瓦斯抽采效率。

7.煤體對CO2的吸附性遠遠高于對瓦斯的吸附性，使爆破后的CO2能夠滯留，且驅趕出大量煤體吸附的瓦斯。

8.煤體對CO2的滲透率高于對瓦斯氣體的滲透率2個數量級以上，CO2爆破過程中，由于CO2氣體的滲流運移，減小了煤體吸附瓦斯的分壓，從而使瓦斯持續解吸，提高瓦斯釋放量和礦井瓦斯抽采率。

二、高壓CO2煤層預裂技術裝備及特征

1.高壓CO2煤層預裂技術裝備

二氧化碳預裂器主要由二氧化碳預裂組件、連接件、聯線件、封孔器、引出桿、可調式頂桿及封孔注液泵組成，如圖1所示。

圖1 二氧化碳預裂器組成示意圖

2.技術裝備特征

二氧化碳煤層預裂器主要由主體腔、化學熱反應裝置、充排氣電極閥、泄能閥、定壓泄能片、止飛機構、密封墊、切割圈等組成，其結構如圖2所示。

圖2 二氧化碳預裂組件結構圖

工作時，將液態的CO2注入CO2煤層預裂器內腔，關閉注液閥。在煤壁上打一適當的鉆孔，將注入液態CO2的預裂器置于鉆孔內，通過礦用發爆器在充排氣閥上的兩個電極上加脈沖電流約0.5～2秒，裝置中的化學熱反應材料迅速反應放熱，液態CO2溫度迅速升高。汽化致使其壓力隨之加大，達到設定壓力時，定壓泄能片破裂，使得CO2氣體高速噴出，從而使其能夠在煤層裂隙中膨脹，導致煤層裂隙進一步擴大、透氣增強。

從實際試驗中測得，CO2氣體從管體中噴出的時間大致可控制在0.1～0.5秒之間，這樣CO2氣體對煤層的作用時間就相對長的多，并且，在氣體膨脹過程中就能夠保持一段相對高的壓力，這樣能量的釋放也就緩和的多、持續的多，這對于煤層裂隙的進一步擴展、增加煤層滲透性和驅替瓦斯非常有利。

三、高壓CO2預裂煤層實施方案及工藝

1.高壓CO2預裂煤層實施方案

在掘進巷道兩幫設置預裂抽采鉆場，通過預裂抽采，在巷道設計路線上預先形成一個低瓦斯區，從而徹底解決巷道掘進時瓦斯帶來的安全威脅。本著這一宗旨，在巷道掘進前，首先設置預裂抽采鉆場，通過高壓CO2煤層預裂增解吸技術對煤體的作用改善煤層透氣性和煤層瓦斯的游離性，實現預定區域內瓦斯快速抽出。石泉煤業在30101采區膠帶上山掘進巷道兩幫布置抽采鉆場，布置間距為80m，而在首次預裂時，鉆場布置為兩鉆場相對布置，此后一幫（左右幫均可）于40m處布置第二個鉆場，而另一幫則于80m處布置第二個鉆場，之后各幫的鉆場均為80m間隔布置即可。

（1）鉆場設計。鉆場布置在30101采區膠帶上山巷道兩幫，鉆場規格：5m×4m×3.2m(深×寬×高)，如圖 3所示。

圖3 鉆場設計圖

（2）鉆孔設計。預裂孔距鉆場實體煤側0.5m，距底板高1.2m處。屏蔽抽采孔；1#孔距鉆場實體煤側1m，距底板高1.6m處；2#孔距鉆場實體煤側1.5m，距底板高2m處，如圖4所示。

圖4 鉆孔設計圖

鉆孔方向為巷道掘進方向，方位角與巷道軸線外偏10°。傾角與底板平行或略仰2°，鉆孔直徑為Φ94；孔深為100m。

2.高壓CO2預裂煤層工藝

在地面將發熱裝置安裝在組件內，并把預裂組件組裝好，通過專用設備注入液態CO2，合格后運至煤礦井下預裂現場，將預裂裝置組裝依次推入已打好的預裂鉆孔內，安設封孔器，通過引出桿和可調式頂桿固定，用封孔注液泵實施遠程封孔，經檢查，達到要求時即可用井下礦用發炮器激活組件內發熱材料進行預裂工作，起爆后等待規定時間后啟封。若啟封時瓦斯涌出量過大，可立即再次封孔，使用調節啟封方式將孔內瓦斯適量泄出，最后從孔內拆卸預裂裝置，按抽采要求接入系統進行瓦斯抽出。

（1）按照設計參數施工爆破孔，實施至預定深度后，通過壓風清理鉆孔中的殘渣，然后退出，并測試鉆孔瓦斯涌出參數。但此時不可移動鉆機或更改鉆機參數，如鉆機支護位置、鉆機方位角、傾角等。

（2）測試完畢后，利用鉆機將二氧化碳致裂器推送入孔中。100m的鉆孔中等間距布置10套致裂器，致裂器之間通過一定數量的連接管連接。將致裂器全部送入鉆孔后，裝入封孔器和止飛機構。

（3）按照《煤礦安全規程》和《防治煤與瓦斯突出規定》的要求實施爆破作業。

（4）爆破完畢后，打開封孔器測試管，測試鉆孔瓦斯流量及考察孔的瓦斯流量。

（5）利用鉆機將鉆孔中的致裂器和連接管依次取出，對試驗鉆孔進行封孔，封孔長度不小于10m，始封深度2m，并持續考察瓦斯涌出參數。

四、試驗效果分析

高壓CO2煤層預裂增解吸技術于2014年10月11日在石泉煤業30101采區膠帶上山3#鉆場中試驗性使用。

對比圖5～6可知：在試驗前，抽采孔瓦斯濃度衰減較快，在連續抽采15天瓦斯濃度基本趨于穩定，處于5%～8%；且在連續抽采18天平均瓦斯濃度為19.3%。二氧化碳預裂爆破后，抽采21天單孔平均瓦斯濃度為73%，抽采18天單孔平均瓦斯抽采濃度為73.8%，為試驗前抽采孔瓦斯平均濃度的3.8倍；且連續抽采21天后瓦斯濃度無明顯下降趨勢。

對比圖7～8可知：試驗前鉆孔瓦斯抽采純量在16天內平均為0.025m3/min；采用二氧化碳預裂爆破以后，鉆孔瓦斯抽采純量在16天內平均為0.4m3/min，為試驗前鉆孔瓦斯抽采純量的16.3倍；21天內瓦斯抽采純量平均為0.37m3/min。