CO2預裂增透瓦斯抽采技術研究

郭愛軍 孟秀峰 令狐建設 趙慶珍 陳鳳杰 曹代勇

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京市海淀區，100083；2.山西能源學院，山西省晉中市，030600；3.山西陽泉煤業(集團)有限責任公司，山西省陽泉市，045000)

陽泉礦區是我國瓦斯災害較為嚴重的礦區之一。陽泉煤業(集團)股份有限公司所屬礦井隨著開采深度的增加，煤與瓦斯突出問題日益嚴重。目前，有寺家莊公司、新景公司、石港公司、新元公司、平舒公司、開元公司六對突出礦井。據統計，陽泉煤業平均每年發生煤與瓦斯突出(瓦斯異常涌出)問題66余次，最大突出強度295 t，最大瓦斯涌出量27334 m3，嚴重影響了礦井的安全高效開采。因此，防治煤與瓦斯突出是陽泉礦區瓦斯治理需要攻克的主要技術難題之一。

近幾年，陽泉煤業所屬礦井在煤層增透技術方面先后開展了水力擠出、水力割縫、水力壓裂、水砂壓裂以及深孔預裂爆破等試驗研究，在提高煤層透氣性方面取得了重要進展，但也存在一定的問題，比如水力擠出消突范圍窄，達不到區域消突的目的；水力壓裂、水砂壓裂裝備龐大，封孔較難，推廣應用受到一定限制；水力割縫在掘進工作面的消突試驗還未得到確切驗證；導爆索深孔預裂爆破也僅處于小規模的試驗階段。到目前為止，陽泉煤業的煤層增透技術仍然未形成固化的技術措施和技術體系。

通過CO2預裂增透現場試驗，研究CO2高壓致裂誘發瓦斯抽采濃度、瓦斯含量變化規律，分析CO2煤層預裂增透技術對本煤層的預裂增透效果，形成適合于陽煤集團試驗礦井CO2煤層預裂增透技術工藝，為陽煤集團高、突礦井掘進工作面快速掘進提供技術支撐。

1 CO2預裂增透技術裝備

利用CO2預裂增透治理瓦斯技術主要通過液態CO2在密閉空間液-氣兩相轉變的過程中，釋放出大量高能氣體對煤體進行預裂。在31℃以下、7.2 MPa壓力以上的物理狀態，CO2以液態存在。當溫度高于31℃時，以液態狀態存在的CO2可在100～300 mms內氣化，同時產生60～200 MPa的壓力對煤體造成“爆轟”沖擊 ，其產生的高壓沖擊波能夠在30～60 mms內對煤體沖擊致裂，增加煤體的透氣性。由于煤對CO2的吸附性能高于CH4，氣化的CO2可置換和驅替煤中的CH4，使煤層中的瓦斯在致裂增透和置換驅替雙重作用下，提高煤層瓦斯抽采效率。

CO2預裂裝備組件由可調式頂桿、引出桿、水壓封孔器、連接件、預裂裝置組成。預裂裝置的工作原理：預先安設并固定化學發熱材料裝置在預裂裝置管腔，將液態的CO2注入管腔內，存在于裝置內的化學發熱材料通過礦用發炮器進行激活，對腔內的液態CO2進行加熱，使其在短時間內受熱汽化膨脹，使管腔內產生高壓，待壓力達到預設值后，卸壓片自動打開，高壓CO2氣體瞬間釋放，產生的高壓波對煤體產生預裂作用，最終達到增透的目的。預裂裝置如圖1所示。

圖1 預裂裝置圖

2 寺家莊公司CO2預裂增透試驗

2.1 瓦斯地質概況

寺家莊公司井田位于沁水煤田的東北邊緣，總體呈東高西低的單斜構造，含煤地層由老到新依次為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組。其中，太原組、山西組為主采煤層，是主要勘探對象。可采煤層為8#、9#、15#煤層。

礦井采用斜立井多水平混合開拓，設有主斜井、副立井、中央進風立井、中央回風立井、北翼進風井和北翼回風井共6個井筒。寺家莊公司在礦建期間曾發生過2次壓出型煤與瓦斯突出，經中煤科工集團沈陽研究院鑒定，寺家莊公司為煤與瓦斯突出礦井，15#煤層為煤與瓦斯突出煤層。現階段采用的瓦斯治理技術措施有：回采工作面采用順層鉆孔雙側布孔方式預抽；掘進工作面采用順層鉆孔預抽、頂底板巖巷超前掩護煤巷預抽；千米鉆機施工順層鉆孔區域預抽。

2.2 15205工作面CO2預裂增透試驗

15205工作面開采15#煤層，該煤層結構較簡單，一般含矸2～3層，塊狀及粉狀，以鏡煤為主，其次為暗煤，屬煤光亮型煤，煤質較松軟，總體為一南北高中間低的向斜形態，煤層有波狀起伏，傾角一般為5°～7°。

試驗地點選在15205工作面進風巷，施工1個CO2預裂孔和12個抽采孔。15205工作面預裂、抽采鉆孔布置如圖2所示。預裂孔位于巷道中線上，距底板2.3 m。12個抽采孔位于預裂孔兩側，1#、2#、3#、4#、5#抽采孔位于左側，1#、2#、3#抽采孔位于同一縱向上，孔間距1.2 m，距離預裂孔4.6 m，3#抽采孔距底板1 m；4#、5#位于同一縱向上，孔間距1.2 m，距離預裂孔4.1 m，5#抽采孔距底板1.6 m。6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#抽采孔位于右側，6#、11#、7#、12#抽采孔位于同一縱向上，孔間距0.5 m，距離預裂孔4.6 m，12#抽采孔距底板1 m；8#、9#、10#抽采孔位于同一縱向上，距離預裂孔4.1 m，孔間距1.2 m，10#抽采孔距離底板1 m。15205工作面預裂、抽采鉆孔布置參數見表1。

1#、2#、3#抽采孔終孔位置距右幫輪廓線20 m， 4#、5#抽采孔終孔位置距右幫輪廓線17 m；6#、7#、11#、12#抽采孔終孔位置距左幫輪廓線20 m，8#、9#、10#抽采孔終孔位置距左幫輪廓線17 m。

預裂孔和抽采孔施工完成后，進行了兩次預裂，時間間隔24 h，第一次預裂使用14個預裂管，預裂深度27～55 m，第二次預裂使用12個預裂管，預裂深度24～48 m。

圖2 15205工作面預裂、抽采鉆孔布置剖面圖

孔號角度/(°)方位角/(°)鉆孔深度/m距底板/m預裂深度/m預裂器支數/支預裂孔1S0°862.320～60二次預裂1#抽采孔2SE15°903.4--2#抽采孔2SE15°902.2--3#抽采孔0SE15°901.0--4#抽采孔2SE12°882.8--5#抽采孔2SE12°881.6--6#抽采孔-5SW15°902.5--7#抽采孔-7SW15°901.5--8#抽采孔0SW12°883.4--9#抽采孔-9SW12°882.2--10#抽采孔-5SW12°881.0--11#抽采孔-8SW28°482.0--12#抽采孔-8SW28°481.0--

3 結果分析

15205工作面預裂鉆孔實施“一孔兩爆”試驗。第一次預裂前，巷道最大瓦斯濃度為0.15%，孔口最大瓦斯濃度為30%；試驗后，巷道最大瓦斯濃度為0.16%，在預裂16 h后測量的孔口最大瓦斯濃度為68%。第二次預裂前，巷道最大瓦斯濃度為0.16%，孔口最大瓦斯濃度為68%；試驗后，巷道最大瓦斯濃度為0.16%，在預裂16 h后測量的孔口最大瓦斯濃度為73%，隨后瓦斯濃度逐漸衰減。

二次預裂后各抽采孔及預裂孔瓦斯濃度變化見表2和圖3。由表2可以看出，有8個鉆孔瓦斯濃度升高，5個鉆孔瓦斯濃度降低，左側鉆孔平均瓦斯濃度增加3.28%，右側鉆孔平均瓦斯濃度增加1.72%，整體瓦斯濃度升高1.4%。總體以預裂孔為圓心，瓦斯形成“置換、驅替環”，在預裂孔周圍的4#、5#、9#抽采孔瓦斯濃度迅速下降，比預裂前的瓦斯濃度平均下降了27.6%。而遠離預裂孔的1#、2#、3#、12#抽采孔平均瓦斯濃度比預裂前升高了20.95%。

圖3 CO2預裂形成的“置換、驅替環”

表2 二次預裂后各抽采孔及預裂孔瓦斯濃度變化

4 結論

(1)采用“一孔兩爆”的方式進行CO2預裂試驗，CO2置換和驅替了預裂孔周圍的CH4，瓦斯迅速向周邊擴散，形成以預裂孔為圓心的瓦斯“置換、驅替環”，在預裂孔周圍的4#、5#、9#抽采孔瓦斯濃度迅速下降，比預裂前的瓦斯濃度平均下降了27.6%。而遠離預裂孔的1#、2#、3#、12#抽采孔，平均瓦斯濃度比預裂前升高了20.95%。

(2)通過第一次預裂前后巷道瓦斯濃度和第二次預裂前后巷道瓦斯濃度的對比，表明CO2預裂強度提高后，未對巷道風排瓦斯造成影響，證明“一孔兩爆”CO2預裂方法安全有效，可在高瓦斯礦井中使用。

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