郭莊礦綜采面CO₂氣相壓裂技術的應用分析研究

陳峰真　李治剛

摘要：基于COs氣相壓裂技術原理，以郭莊礦2105工作面為例，本文中采用氣相壓裂對綜采工作面上隅進行放頂管理，收到了良好的效果。與傳統炸藥技術相比，具有更高的安全系數，為綜放工作面的安全開采提供了借鑒和參考。初采前期實施CO₂氣相壓裂，對于綜放工作面的頂板控制作用明顯。實施爆破的安全性較低，程序較為復雜，CO₂氣相壓裂技術過程中無有害氣體產生，更不會像炸藥爆破一樣產生次生爆炸，安全性高。

關鍵詞：氣相壓裂 放頂 上隅角瓦斯管理 瓦斯積聚

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.061

對工作面進行初次回采時，采空區懸頂面積會伴隨著工作面推進而逐漸增大，采空區頂板由于較長期不做垮落釋放時，控頂區內會產生壓力高度集中現象，如果得不到及時合理的處理，極易發生剪切破壞導致事故發生。因此，將有效的技術措施用于頂板處理能夠極大地促進工作面的安全生產。

對于堅硬頂板采取注水弱化時，炸藥爆破方法具有適用性廣，成本低的特點，但是注水過程中會造成作業現場環境惡劣，耗費時間長，對要求高效的回采工作產生影響；炸藥爆破能夠對各種堅硬程度的頂板產生效果，但是工序復雜，炸藥的量難以精確控制，安全系數低。基于以上分析，以郭莊礦2105工作面為例，提出采用CO₂氣相壓裂技術對煤層頂板弱化處理，并進行了工程實驗，為解決煤礦頂板問題提供新的思路。

1 CO₂泡沫壓裂技術

CO₂壓裂技術分為CO₂增能壓裂、CO₂泡沫壓裂、純CO₂壓裂三種。泡沫質量也稱泡沫干度，它表示氣相在泡沫中的體積百分數。CO₂氣相壓裂使用質量分數30～52%的泡沫，在實踐中便于操作，CO₂的主要目的是增加返排效果，對于大規模的壓裂做好應。使用質量分數為60～85%泡沫CO₂進行壓裂，這種方法使用的水基壓裂液少，對地層和裂縫傷害小呻。純CO₂壓裂是采用液態CO₂為壓裂液，即100%CO₂壓裂，對地層沒有較大變形傷害，返排過程中能夠徹底迅速排靜，另一方面考慮到氣相壓裂受施工現場和井深所限，施工過程中需配備密閉混砂車，大中規模的壓裂改造并不適用。

氣相壓裂利用極速膨脹的二氧化碳氣體對周圍物體進行爆破，從而達到物理爆破破裂頂板的目的。氣相壓裂對于較堅硬的厚煤層，爆破時產生的弱面有利于放頂煤。頂板工作面壓裂后，能有效解決回采過程中初步放頂步距過大的難題，降低頂板長時間不垮落危險性。

2 CO₂氣相壓裂技術原理

C02氣相壓裂技術是利用電加熱液態CO₂，使其由液態轉換成氣態，整個加熱反應時間約40msCO₂體積迅速膨脹，壓裂桿內的壓力瞬間增大，最高可達300MPa。當達到特定的壓力時，通過剪切片的破裂而將氣體釋放出來，對周圍產生作用力。整個反應過程中CO₂由液態變成氣態體積膨脹600倍，另一方面，在有限空間較大的靜態應力場產生，產生壓裂或破壞巖石、煤層作用。不同狀態下的CO₂都是惰性化學性質，更不可燃可爆，使用9V的啟動電壓也較低，整個過程不產生火花，因此克服了在煤礦井下使用的安全問題。

CO₂氣相壓裂裝置主要有充氣閥、加熱棒、壓裂管、密封圈、剪切片和噴氣閥組成，如圖1所示。

上述各部件連接好后組成密閉的容器，通過充氣裝置對其充入液態的CO₂，連接導線，并通過頂桿送至鉆孔指定的位置，如圖2所示。連接發爆器，發爆器對加熱棒通電，促使加熱棒反應產生大量的熱，這些熱量使壓裂管內的液態CO₂氣化體積膨脹，達到特定的壓力后，沖破剪切片，作用于鉆孔壁，從而達到壓裂的目的。

3氣相壓裂的試驗現場

3.1工作面概況

郭莊礦2105工作面為孤島工作面，軌道順槽與2107工作面為8m小煤柱，工作面兩個順槽礦壓大，掘進時采用錨桿+錨索支護，后期又增加了工字鋼棚聯合支護。工作面走向長度970m，切眼長度150m，煤層厚度6m，工作面采用放頂煤回采工藝。

3.2瓦斯治理

工作面煤層原始瓦斯含量為6.8m³/t，抽采后殘余瓦斯4.5m³/t，風排瓦斯量6.25m³/min初采期間。1500m³/min的工作面配風量，在回風流中瓦斯均含量0.4%。

將相鄰工作面的瓦斯涌出量值作為參考對比分析，63%的落煤瓦斯涌出，采空區中瓦斯含量占34%。綜采面周期來壓時采空瓦斯占比增加為53%，落煤瓦斯占44%。

根據瓦斯涌出構成分析制定了以下瓦斯治理方式：采前預抽的方式用于降低落煤瓦斯涌出，頂板裂隙帶鉆孔抽采采空區瓦斯，用埋管抽采解決上隅角局部瓦斯問題。

3.3初采頂板管理

初采期間為保證頂板垮落在工作面施工了頂板預裂孔，因2105軌道順槽與2307煤柱較小，距離軌順30m范圍的頂板未進行預裂，對頂板的錨桿、錨索也未進行退錨處理。

工作面初采時切眼寬度7.5m，支架推出切眼5.3m后，上隅角處因巷道內加強支護，頂板未能有效垮落，累計空頂長度為12.8m，見圖3。上隅角處未垮落部分的空間達180m³，空間內最高瓦斯達到3%以上，形成了局部瓦斯積聚，如果不及時進行放頂充填此區域，可能會引起瓦斯燃燒事故，或者采空區瞬間垮落引起工作面瓦斯超限。

3.4方案比較

方案1.對采空區用煤袋充填，雖然能夠解決老頂突然垮落引起瓦斯超限，但采空區內積聚的瓦斯不能得到處理。

方案2.采用打眼用火藥放炮對頂板放頂作業。優點是施工簡單，效果好；缺點是易引起采空區瓦斯燃燒。

方案3：采用氣相壓裂對頂板進行放頂，此方案既充填了上隅角又不會產生火花導致瓦斯事故。綜合比較確定實施方案3。

4氣相預裂設計及實施

氣相壓裂需要根據煤巖硬度對壓裂桿的爆破壓力進行選型。工作面上隅角處的頂煤的硬度f值為0.65，選擇氣相壓裂爆炸釋放壓力為370Mpa的壓裂桿。

采用架柱式ZYJ130鉆機，在切頂線前后打設兩排鉆孔，對頂煤進行放頂。鉆孔施工時應盡量避開錨桿、錨索，方便氣相壓裂桿的推送。

4.1方案實施

施工方案：預打鉆孔→將備好器材入井并檢查→壓裂器材安設→壓裂→器材拆除→物料及物品升井。

4.2實施注意事項

（1）打眼、裝藥前檢查施工地點瓦斯，CH₄>0.8不得作業。

（2）壓裂現場根據操作票警戒線圖布置警戒線，壓裂前所有人員撤離至警戒線以外，由當班班長安排專人警戒，警戒人沒有得到班長撤除警戒命令前，不得私自撤除警戒。

（3）將引發線路引至警戒線以外的新鮮風流中，檢查整個電路系統無誤后，將引發線與引發器連接，接到引發命令后方可啟動引發器。

（4）退壓裂桿前要檢查頂板完好情況，人員站在有效支護的地點進行退桿作業。退桿過程中施工人員要處于壓裂桿兩側，防止桿體脫落傷人。

5實施效果

在工作面分別進行了兩次放炮后，頂煤基本垮落，充填了上隅角，封堵了采空區漏風通道，有效的控制了采空區瓦斯的涌出。放炮后上隅角處垮落見圖6：

6結論

氣相壓裂時不產生火花，因此對于瓦斯和煤塵爆炸，在氣相壓裂對頂板弱化時過程中不會觸發，且對瓦斯和煤塵有稀釋作用，屬本安型壓裂器材，具有一定的推廣意義。需要注意的是，在頂板弱化中要根據頂煤巖的硬度及時調整CO₂壓裂能量，提高壓裂效果。這種措施達到了預期成果，進一步對比氣相壓裂上隅角垮落的瓦斯分析，與類似地質條件的沒有進行壓裂的工作面對比直接頂和基本頂垮落的步距都有大幅度地提高，氣相壓裂效果顯著。