常村煤礦高瓦斯低透氣性煤層CO2致裂增透技術(shù)研究

秦 勇

(山西潞安環(huán)保能源股份開發(fā)有限公司常村煤礦，山西省長治市，046100)

瓦斯治理是制約煤礦安全高效生產(chǎn)的難題，尤其是對高瓦斯礦井及煤與瓦斯突出礦井而言，瓦斯抽采更是礦井生產(chǎn)的主要工作。我國煤層瓦斯賦存條件復(fù)雜，普遍存在煤層透氣性系數(shù)較低以及鉆孔流量衰減系數(shù)較高等問題，瓦斯較難抽放，給礦井的安全生產(chǎn)帶來較大隱患。目前礦井區(qū)域瓦斯治理多采用鉆孔抽放的方法，但鉆孔數(shù)量較多，施工工程量大，抽采時間長而抽采效果較差，其他瓦斯治理方法如預(yù)裂爆破、水壓致裂以及水力割縫等，雖起到一定的作用，但都有較大限制。

CO2致裂增透技術(shù)是近年來逐漸興起的煤礦瓦斯治理技術(shù)，已成功應(yīng)用于煤層開采等領(lǐng)域，并取得了良好的效果。但在巷道掘進(jìn)方面應(yīng)用的較少，其致裂效果以及參數(shù)設(shè)計方面的研究也不完善。針對這一問題，本文以常村煤礦23采區(qū)膠帶運(yùn)輸大巷為研究背景，對CO2的致裂原理以及參數(shù)設(shè)計進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)CO2致裂增透技術(shù)在巷道掘進(jìn)中的成功應(yīng)用。

1 工程背景

常村煤礦主采3#煤層，煤層厚度在5.95～6.10 m之間，平均厚度為6.05 m，夾矸的厚度為0.23 m，煤層埋藏深度為489～548 m，煤層傾角為0°～8°。+470 m水平23采區(qū)膠帶運(yùn)輸大巷處于3#煤層中，沿底板掘進(jìn)，巷道平面圖見圖1。巷道斷面形狀為矩形，設(shè)計尺寸為寬5.04 m、高3.42 m，凈斷面達(dá)17.24 m2，膠帶大巷設(shè)計全長為2150 m。根據(jù)常村煤礦3#煤層瓦斯地質(zhì)圖顯示，常村煤礦23采區(qū)煤層原始瓦斯壓力最大可達(dá)0.9 MPa，3#煤層掘進(jìn)期間瓦斯含量最高達(dá)15 m3/t，經(jīng)巷道開口處實(shí)測數(shù)據(jù)表明，3#煤層實(shí)測瓦斯含量為6.7564 m3/t，可解吸量為5.1538 m3/t，膠帶大巷掘進(jìn)面預(yù)測絕對瓦斯涌出量為5.5 m3/min，具有瓦斯突出的危險。3#煤層初始透氣性系數(shù)在0.003237～0.2419 m2/(MPa2·d)之間，衰減系數(shù)在0.1726～0.3025 d-1之間，故3#煤層屬于低透氣性且瓦斯較難被抽采煤層。

圖1 23采區(qū)膠帶運(yùn)輸大巷平面圖

2 CO2致裂增透技術(shù)原理

煤層中瓦斯主要有游離瓦斯與吸附瓦斯兩種狀態(tài)。游離狀態(tài)的瓦斯越多，則煤層透氣性越好，煤層中的瓦斯越容易抽采。CO2致裂增透技術(shù)是在致裂管中放置液態(tài)的CO2，裝置起爆后，CO2會由液體狀態(tài)向氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)化，在這種變化過程中，大量的能量得到釋放，并沿著鉆孔向四周擴(kuò)散。由于起爆后所引起的爆破壓力遠(yuǎn)大于煤層的抗壓強(qiáng)度，在鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的煤體會迅速破碎，從而形成一定范圍內(nèi)的粉碎區(qū)。由于裝置起爆后，轉(zhuǎn)變后的CO2氣體會迅速膨脹，在鉆孔周圍形成環(huán)向以及徑向裂隙，裂隙之間相互交錯，形成一定范圍內(nèi)的裂隙區(qū)。當(dāng)起爆后的應(yīng)力在往鉆孔深部擴(kuò)散時，并不會對煤層造成損害，只能引起煤體局部震動，此區(qū)域稱之為震動區(qū)，如圖2所示。正是由于鉆孔周圍粉碎區(qū)以及裂隙區(qū)的存在，極大擴(kuò)展了瓦斯的運(yùn)移途徑，增加了煤層的透氣性，提高了煤層瓦斯的抽采量。另外，CO2的存在可驅(qū)使更多的吸附瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯，進(jìn)一步增加了瓦斯的解吸量，加之CO2的存在隔絕了氧氣，不會因?yàn)檠b置起爆而引起火花，是一種安全可靠的技術(shù)方法。

1—致裂鉆孔；2—粉碎區(qū)；3—裂隙區(qū)；4—震動區(qū)圖2 致裂形成的區(qū)域

3 常村礦CO2致裂增透方案設(shè)計

3.1 致裂鉆孔布置方案

CO2致裂鉆孔深度為60 m，致裂孔直徑選取94 mm，根據(jù)鉆孔安設(shè)需要，擴(kuò)孔至直徑113 mm，沿巷道掘進(jìn)方向順層布置，壓裂桿數(shù)量為20根/孔，單致裂管長1.5 m，每根內(nèi)充1.5 kg的液態(tài)CO2，進(jìn)行致裂鉆孔時，采用專用封孔器進(jìn)行操作。致裂相關(guān)參數(shù)：致裂孔方位角180°，與煤層傾角夾角3°，封孔深度15 m，封孔壓力7～8 MPa。

3.2 預(yù)抽鉆孔布置方案

在膠帶大巷兩側(cè)開挖了瓦斯抽采邁步鉆場，用于更好地提升煤層瓦斯預(yù)抽的效果。具體尺寸為：深5 m，里寬4 m，外寬9 m，高3.42 m。同側(cè)及異側(cè)鉆場的間距分別為120 m和60 m。在兩側(cè)的瓦斯鉆場中向巷道掘進(jìn)方向進(jìn)行預(yù)抽鉆孔的施工，用于抽采前方煤層中的瓦斯，每個鉆場內(nèi)布置有6個瓦斯預(yù)抽鉆孔，預(yù)抽孔直徑94 mm，擴(kuò)孔至113 mm，長度為140 m，沿煤層傾角方向布置。這種瓦斯預(yù)抽方式不占用膠帶大巷的掘進(jìn)時間，巷道掘進(jìn)和瓦斯預(yù)抽工作同時進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了平行作業(yè)。具體布置形式如圖3所示。為避免CO2致裂對膠帶大巷煤層巷道幫部造成破壞，在距膠帶大巷與回風(fēng)大巷各取20 m的安全距離。

圖3 膠帶大巷鉆場預(yù)抽鉆孔+致裂鉆孔布置圖

4 常村礦CO2致裂增透效果分析

4.1 致裂后瓦斯抽采濃度變化

為了對比分析CO2致裂增透對瓦斯抽采的效果，在CO2致裂試驗(yàn)前后分別測定了抽采體積分?jǐn)?shù)、瓦斯抽采純量，根據(jù)現(xiàn)場致裂試驗(yàn)前后測出的數(shù)據(jù)，繪制了其相應(yīng)的變化趨勢圖，如圖4～5所示。

圖4 平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)隨時間變化情況

從圖4～5中可以看出：CO2致裂增透前，瓦斯抽采濃度普遍低于40%，煤層瓦斯含量較大，煤層瓦斯抽采效率低；CO2致裂增透后瓦斯抽采濃度大幅提升，且較長時間內(nèi)維持在40%左右，瓦斯抽采總量得到提高；CO2致裂后單孔瓦斯日抽采純量也呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，高于CO2致裂前。致裂前抽采20 d時，瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)衰減狀態(tài)，最低至10%以下，而CO2致裂后鉆孔抽采40 d后，瓦斯抽采濃度仍維持在較高水平，這表明在CO2致裂的影響下瓦斯衰減速率降低，顯著改善了瓦斯抽采效率低的難題。

圖5 平均瓦斯抽采純量隨時間變化情況

4.2 巷道煤層瓦斯含量的變化

為了進(jìn)一步分析CO2致裂增透對膠帶大巷煤層瓦斯的影響，對CO2致裂前后的煤層瓦斯含量進(jìn)行了為期2個月的連續(xù)觀測，試驗(yàn)地點(diǎn)對應(yīng)的煤體瓦斯參數(shù)如表1所示。致裂前后瓦斯含量變化趨勢如圖6所示。

表1 膠帶大巷致裂前后2個月試驗(yàn)地點(diǎn)煤體瓦斯含量

圖6 致裂前后瓦斯含量變化趨勢圖

由圖6和表1數(shù)據(jù)可知，致裂抽采后膠帶大巷巷道煤體中的瓦斯含量平均減少了2.37 m3/t，最高減幅達(dá)到42.36%，瓦斯解吸速率不斷提高，瓦斯抽采量明顯增多。CO2致裂增透技術(shù)實(shí)施后，在煤層中形成了一定范圍的裂隙擴(kuò)展發(fā)育區(qū)域，鉆孔抽采后，3#煤層瓦斯含量處于降低的階段。由于CO2致裂壓力可控，可保證煤體主體結(jié)構(gòu)不被嚴(yán)重破壞，可有效提升煤層滲透能力，從而提高煤層瓦斯抽采效率。

5 結(jié)論

(1)分析了CO2致裂增透技術(shù)原理，得到了CO2致裂后會在鉆孔周圍形成粉碎區(qū)、裂隙區(qū)以及震動區(qū)，粉碎區(qū)與裂隙區(qū)的存在增加了瓦斯運(yùn)移的途徑，而CO2的存在促使更多的吸附瓦斯向游離瓦斯轉(zhuǎn)變，增加了煤層的透氣性，提高了煤層瓦斯的抽采量。

(2)根據(jù)CO2致裂增透技術(shù)原理，結(jié)合常村煤礦23采區(qū)膠帶運(yùn)輸大巷地質(zhì)條件，設(shè)計了常村礦膠帶運(yùn)輸大巷CO2致裂增透方案，確定CO2致裂鉆孔深度為60 m，致裂孔直徑為113 mm，沿巷道掘進(jìn)方向順層布置，并在巷道兩側(cè)開挖了瓦斯抽采邁步鉆場，用于更好地提升煤層瓦斯預(yù)抽的效果。

(3)將設(shè)計的CO2致裂增透方案在常村煤礦23采區(qū)膠帶運(yùn)輸大巷進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用CO2致裂增透技術(shù)后，瓦斯抽采濃度由原來普遍低于40%，到現(xiàn)在較長時間內(nèi)維持在40%左右；膠帶大巷煤體中的瓦斯含量平均減少了2.37 m3/t，最高減幅達(dá)到42.36%，瓦斯抽采效果明顯提高。