斜溝煤礦液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)試驗研究

溫建偉

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602）

0 引言

近年來，隨著采掘活動向深部延伸，地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜多變，瓦斯已成為礦井安全生產(chǎn)的主要影響因素[1-2]。然而，我國煤田普遍具有煤層透氣性差的特點，瓦斯抽采難度大、抽采率低是原始煤層抽采過程中亟待解決的問題[3]。為了改善煤層抽采效果，提高瓦斯抽采效率，必須對煤層采取卸壓增透技術(shù)措施[4]。

本文基于液態(tài)CO2爆破器工作原理[5]，提出液態(tài)CO2預(yù)裂增透技術(shù)方案，通過現(xiàn)場試驗對比增透前后煤層瓦斯的抽采效果，提高了本煤層瓦斯預(yù)抽效果，消除瓦斯給礦井安全生產(chǎn)帶來的隱患。

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣魏家灘鎮(zhèn)，主采煤層為8#、13#煤，8#煤層平均厚度為4.70 m，傾角為平均9.4°。8#煤透氣性系數(shù)為0.00926 m2/(MPa2·d)～0.01416 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

圖1 18205工作面布置

18205 工作面標高為+520 m～+584 m，可采走向長度為2 800 m，傾斜長為264 m，采用U 型通風(fēng)方式，目前工作面瓦斯涌出量為14.15 m3/min，因煤層透氣性差，本煤層瓦斯抽采率低，上隅角瓦斯?jié)舛容^大，嚴重影響工作面的推進速度。

2 液態(tài)CO2爆破技術(shù)

將充有液態(tài)CO2的預(yù)裂組件，組裝安設(shè)在已打好的鉆孔內(nèi)，專用封孔器封孔，通過激活預(yù)裂組件內(nèi)的發(fā)熱裝置加熱組件內(nèi)的液態(tài)CO2，至設(shè)定壓強時組件開啟，高壓CO2氣體得以在煤體中適時擴散并較長時間作用煤體。

3 液態(tài)CO2預(yù)裂增透技術(shù)方案及效果檢測

煤層深孔預(yù)裂爆破時，控制孔的存在對煤預(yù)裂爆破效果是有利的。施工控制孔后，鉆孔在沖擊波和應(yīng)力波的傳播衰減過程中，應(yīng)力波在控制孔周圍發(fā)生反射，應(yīng)力疊加，鉆孔周圍煤體的卸壓效果提高，裂隙區(qū)范圍增大。

3.1 鉆孔間距對鉆孔爆破的影響

鉆孔距離的大小對煤層預(yù)裂爆破效果有直接影響。鉆孔距離過大，則會造成炮孔間存在大面積爆破空白區(qū)，導(dǎo)致裂縫無法貫通，無法達到理想的卸壓效果，若是爆破孔和控制孔間距過小，會造成爆破區(qū)域發(fā)生大面積重疊，增加額外的爆破成本，并導(dǎo)致煤體破碎嚴重而影響正?；夭伞Ｒ虼?，選擇合理的爆破孔間距至關(guān)重要。建立煤層多孔連續(xù)液態(tài)CO2爆破的FLAC3D數(shù)值模型，計算域50 m×80 m×10 m，爆破鉆孔和控制孔間隔布置，爆破孔直徑為100 mm，控制孔直徑100 mm，模型網(wǎng)格數(shù)124 800 個，節(jié)點數(shù)139 755 個。模型上方以等效均布壓方式施加上覆巖層應(yīng)力10 MPa。通過對爆破孔間距為10 m、8 m、7.5 m 進行數(shù)值模擬，如圖2所示：爆破孔間距為10 m時，爆破孔間有大面積區(qū)域未曾受到爆破影響；爆破孔間距為8 m時，爆破有效范圍明顯增加，但仍有小部分區(qū)域沒有達到爆破增透效果；爆破孔間距為7.5 m 時，爆破孔間所有范圍全部處于爆破有效影響范圍內(nèi)，達到理想的爆破效果。因此，爆破孔的合理間距為7.5 m。

圖2 不同間距多孔連續(xù)爆破數(shù)值模擬

3.2 液態(tài)CO2預(yù)裂增透技術(shù)的現(xiàn)場試驗方案

（1）液態(tài)CO2爆破器結(jié)構(gòu)及工藝

液態(tài)液態(tài)CO2爆破器爆破器（見圖3）：主要由主體腔、化學(xué)熱反應(yīng)裝置、充排氣電極閥、泄能閥、定壓泄能片、止飛機構(gòu)、密封墊、切割圈等組成。

圖3 液態(tài)CO2爆破器的組成結(jié)構(gòu)

在地面把預(yù)裂組件中的發(fā)熱裝置等組件組裝好后注入液態(tài)CO2，合格后運至井下現(xiàn)場，將組件連接件、聯(lián)線件依次組合推入鉆孔，安設(shè)封孔器、引出桿和可調(diào)式頂桿實現(xiàn)固定，用封孔注液泵實施遠程封孔，遠距離激活發(fā)熱裝置進行預(yù)裂，按照作業(yè)規(guī)程要求啟封，拆除預(yù)裂裝備。

（2）鉆孔布置

根據(jù)斜溝煤礦的實際需要，在18205 材料巷采用液態(tài)CO2預(yù)裂時，用原有的本煤層鉆孔作為本次試驗的爆破孔和控制孔施工位置，孔徑113 mm，爆破孔深50 m，裝藥深度30 m；共計施工本煤層預(yù)抽鉆孔118個，其中預(yù)裂鉆孔71個、未預(yù)裂鉆孔47個，鉆孔開孔高度為1.2 m，同煤層傾角，相鄰孔間距為3.75 m，鉆孔布置如圖5所示。

圖4 爆破鉆孔參數(shù)布置圖

3.3 18205材料巷增透區(qū)域效果檢驗

二氧化碳相變致裂爆破本煤層后，在巷道煤壁上形成明顯裂隙，從而可以直觀的看出二氧化碳致裂技術(shù)能夠有效提高煤層裂隙，導(dǎo)通低透氣性煤層瓦斯流動通道，提高本煤層鉆孔瓦斯抽采濃度及純量。18205工作面材料巷煤壁在爆破后裂隙發(fā)育規(guī)律如圖5 所示。

圖5 本煤層二氧化碳爆破后煤體裂隙發(fā)育情況

通過對18205 材料巷預(yù)裂鉆孔中進行分析，爆破數(shù)據(jù)見表1：孔深220 m，預(yù)裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量為0.029 m3/min·hm，相比于未預(yù)裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量0.010 m3/min·hm，百米鉆孔瓦斯流量提高了2.9 倍、單孔抽采量提高了2.7 倍，并保持穩(wěn)定，如圖6所示。

圖6 爆破前后瓦斯抽采混量對比

表1 鉆孔施工參數(shù)及抽采參數(shù)

通過預(yù)抽期間及回采期間對18205材料巷預(yù)裂鉆孔和普通鉆孔抽采效果進行逐日觀測分析，其預(yù)裂鉆孔百米鉆孔瓦斯流量平均為0.029 m3/min·hm，相比于未預(yù)裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量0.01 m3/min·hm提高了3倍；預(yù)裂鉆孔平均抽采量為0.0613 m3/min、而未預(yù)裂鉆孔抽采量僅為0.023 m3/min，預(yù)裂鉆孔抽采量比未預(yù)裂鉆孔抽采量提高了2.66倍；預(yù)裂單孔瓦斯?jié)舛茸兓幻黠@，其鉆孔瓦斯?jié)舛仍诔椴蛇^程中能夠穩(wěn)定在±2%；其抽采效果非常明顯，不僅增加了抽采鉆孔抽采效果、增大了鉆孔間距、縮短了鉆孔抽采時間、減少了抽采鉆孔工程量、提高了煤層透氣性系數(shù)及打鉆現(xiàn)場質(zhì)量標準化水平、緩解了生產(chǎn)與抽采銜接緊張的局面，保證了工作面的安全回采。

4 結(jié)論

（1）模擬結(jié)果表明：控制孔的存在對煤預(yù)裂爆破效果是有利的，施工控制孔之后進行煤層液態(tài)CO2爆破的裂隙區(qū)影響范圍明顯大于無控制孔時的爆破的裂隙區(qū)影響范圍；斜溝煤礦爆破孔的合理間距為7.5 m。

（2）試驗結(jié)果表明：預(yù)裂鉆孔百米鉆孔瓦斯流量平均為0.029 m3/min·hm，相比于未預(yù)裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量0.01 m3/min·hm提高了3倍；預(yù)裂鉆孔平均抽采量為0.0613 m3/min、而未預(yù)裂鉆孔抽采量僅為0.023 m3/min，預(yù)裂鉆孔抽采量比未預(yù)裂鉆孔抽采量提高了2.66倍。