煤體增透與抽采瓦斯的關系研究

董 愷

（陜西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦，陜西 彬縣 713500）

瓦斯災害是煤礦中最嚴重的災害之一[1]。只有把瓦斯治理工作做扎實、做到位，才能避免煤礦生產過程中瓦斯事故的發生。當前，瓦斯治理的主要方法是抽采和風排，而抽采無疑是治理瓦斯最積極、最主動的一種方法。在進行煤層瓦斯抽采時，根據煤層透氣性系數將煤層瓦斯抽放的難易程度劃分為三類：容易抽放、可以抽放、較難抽放[2]。為了提高可以抽放及較難抽放煤層的瓦斯抽采率，就需要對此類煤層進行煤體增透，通過促使煤體裂隙發育以達到提高瓦斯抽采率的目的。

目前主要的煤體增透措施有水力壓裂增透、水力割縫增透、松動爆破增透、高壓氣體沖擊煤體增透[3]、液態CO2致裂增透。

為了研究煤體增透與抽采瓦斯的關系，在蔣家河煤礦ZF204備用工作面，選用液態CO2致裂增透技術進行了一次煤體增透試驗，試驗結果表明，增透以后的煤層平均抽采瓦斯濃度提高近3.5倍，平均抽采瓦斯流量提高3～5倍。

1 礦井及工作面概況

蔣家河煤礦隸屬于彬縣煤炭有限責任公司，位于陜西咸陽彬州市境內的彬長礦區南部。2005年開工建設，2009年建成投產，生產規模90萬t/a。采用立井單水平開拓、中央邊界式通風、綜合機械化放頂煤開采，4#煤層為井田內主要可采煤層，全井田分布，結構單一[4]，經煤科集團沈陽研究院有限公司2016年3月測定：4#煤層最大瓦斯含量6.76～6.92m3/t，瓦斯壓力0.29～0.49MPa，煤層透氣性系數2.466～2.657m2/MPa2.d，鉆孔瓦斯流量衰減系數0.0196～0.0229d-1，為可以抽放煤層。經咸陽市礦山救護隊2016年7月鑒定：礦井絕對瓦斯涌出量34.37m3/min，相對瓦斯涌出量17.68m3/t，采面最大絕對瓦斯涌出量26.83m3/min，為高瓦斯礦井。

ZF204備用工作面走向長度1270m，傾斜長度151m，煤層平均厚度9.3m，共布置兩條巷道，分別為運輸順槽、回風順槽。回風順槽斷面為矩形，寬4.5m，高3.1m，用于回風、運料、行人。運輸順槽斷面為矩形，寬5.0m，高3.1m，用于進風、運煤、運料、行人。

2 液態CO2致裂增透試驗

2.1 液態CO2致裂器結構

液態CO2致裂器組成結構[5]見圖1，由主管、充氣頭(起爆頭)、排氣頭、加熱棒、致裂片、泄能片、止飛器等組成。本次致裂試驗選用型號為SBB400-1180/63的液態CO2致裂器，長1.2m，外徑Φ63mm，內徑Φ30mm，泄能片極限壓力為450MPa，致裂器主管中充裝液態CO2質量為0.8～1kg，液態CO2充裝壓力為12～15MPa。

圖1 液態CO2致裂器實物圖

2.2 液態CO2致裂增透原理

CO2在溫度小于31℃、壓力超過7.35MPa時，呈現液態，溫度大于31℃時則逐漸氣化。利用該特性，將液態CO2加注到致裂裝置的充裝管內，使用煤礦專用發爆器迅速激發加熱設備，在40s內充裝管內液態CO2快速氣化，體積迅速膨脹，形成大量高壓CO2氣體，超過泄能片極限壓力時，泄能片于0.1～0.5s內爆裂，高壓氣態CO2由泄能頭四周的泄氣孔飛速沖出，與空氣介質碰撞，產生強大的應力波，沖擊試驗煤體，從而將試驗煤體炸裂，達到增透煤體的目的。

2.3 增透試驗工藝流程

使用液態CO2開展致裂增透技術主要工藝流程包括施工致裂鉆孔、送入液態CO2致裂器及連接管、固定致裂器、利用注水封孔器進行封孔、撤人起爆、致裂器取出，然后對致裂孔進行封孔并連接抽采，最后開展效果考察。

2.4 增透試驗過程

試驗時間在2016年11月，地點選擇在ZF204備用工作面運輸順槽距離開切眼200m處。在ZF204工作面運輸順槽垂直巷道向煤體中布置3個致裂孔和4個控制孔（控制孔用于觀測瓦斯濃度、流量等），致裂孔和控制孔交替布置，三個致裂孔間距為5m，每兩個致裂孔中間布置一個控制孔。所有孔的孔徑均為113mm，致裂孔孔深50m，控制孔孔深120m。鉆孔布置見圖2，布置參數見表1。井下試驗部分主要工作有：打鉆、裝致裂器、布線、封孔、起爆、效果考察幾個部分。

圖2 致裂孔和控制孔孔口位置布置圖

表1 試驗鉆孔布置參數

在致裂之前將各個控制孔進行抽放，觀測瓦斯濃度和流量等。致裂之后致裂孔以及控制孔聯網抽采瓦斯，測定其瓦斯濃度、流量等參數，與致裂之前的進行對比分析。

2.5 效果檢驗與分析

經過16d的液態二氧化碳致裂試驗與數據觀測發現：致裂后各觀測孔（控制孔，下同）瓦斯濃度和流量都得到了不同程度的提高，其中2#觀測孔瓦斯濃度提高最大，從5.2%提高到75%，提高了近15倍，經過10d后衰減到16%左右，效果最為明顯。其余觀測孔瓦斯濃度都有不同程度提高，平均抽采濃度由原來的3.7%提高到14.28%，平均提高近3.5倍。根據與致裂孔不同間距的觀測孔濃度變化來看，瓦斯抽采半徑由原來的3m增大到7m。各個觀測孔的瓦斯流量平均提高了3～5倍，致裂效果非常明顯。

3 煤體增透可以提高瓦斯抽采濃度及流量的原因

瓦斯在煤體內的存在狀態主要有兩種，即游離狀態和吸附狀態。這兩種存在狀態不是固定不變的，而是處于不斷變化的動平衡狀態，當條件發生變化時，這一動平衡就會被打破。壓力、溫度的變化，都會影響到這一動平衡。當進行煤層瓦斯抽放時，煤層內壓力降低，煤體內部分吸附狀態的瓦斯就會解析為游離狀態的瓦斯。煤的瓦斯含量就是游離瓦斯含量和吸附瓦斯含量兩部分構成的。影響煤的瓦斯含量的因素較多，其中煤層透氣性對煤層瓦斯含量影響很大。煤層透氣性是煤層對于瓦斯流動的阻力，通常用透氣性系數表示。透氣性系數越大，瓦斯在煤層中流動越容易。煤體增透的目的就是借助高能流體、爆破等技術手段，促使煤體裂隙發育，使吸附狀態瓦斯更易解吸，使游離瓦斯更易流動。因此，煤體增透能提高瓦斯抽采濃度和流量。

4 結論

（1）對于煤層透氣性差、較難抽放煤層的煤體進行增透，可促進煤體裂隙發育，增大煤層透氣性系數，提高瓦斯抽采率。

（2）煤體增透的程度對抽采瓦斯的濃度、流量變化有較大影響。

（3）不同煤礦、不同煤層、不同區域實行煤體增透后，瓦斯抽放濃度及流量增加的比例不同。蔣家河煤礦進行煤體增透后，平均抽采濃度提高近3.5倍，平均流量提高了3～5倍。

（4）實行煤體增透后，瓦斯抽采半徑增大。蔣家河煤礦瓦斯抽采半徑由原來的3m增大到7m，可以減少一半的鉆孔施工量，節約瓦斯治理成本。