超長工作面CO2相變致裂分區增透高效抽采技術試驗研究*

馬小敏

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016； 2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

瓦斯是一種與煤伴生的氣體產物，一方面作為井下重大危險源威脅著礦井安全生產，另一方面作為非常規清潔能源可以滿足人類能源需求[1]。無論從礦井瓦斯災害防治的角度還是清潔能源利用的角度，瓦斯抽采都是最有效最直接的手段。而我國大多數煤層普遍具有透氣性低、裂隙不發育、解吸速度慢的特點，瓦斯抽采往往存在抽采率低、抽采效果差和抽采達標時間長等問題[2-3]，因此，對煤層進行強化增透已經是低透煤層實現安全高效抽采必不可少的技術手段。經過我國煤炭科技工作者幾十年的研究和實踐，形成了一系列科研成果，如深孔預裂爆破[4-6]、水力沖孔[7-8]、水力壓裂[9]、水力割縫[10-11]等多種煤層增透技術。而上述技術都有自身的局限性和缺點，深孔預裂爆破存在炸藥操作和管控的風險，水力沖孔在硬煤中沖孔難度大，在軟煤中又容易造成塌孔和掩埋鉆具，水力壓裂設備復雜、封孔困難，且易在壓裂范圍內產生局部應力增高區以及水力割縫應用效果差等問題[12]。近年來液態CO2相變致裂增透技術作為一種新型的煤層增透技術以其能量可控、設備簡單易操作以及CO2對CH4良好的驅替作用等優勢取得了良好的應用效果[13-17]。

在我國高瓦斯礦井有許多推進長度近2 km甚至更長的超長工作面，由于工作面形成周期長，往往存在靠近停采線的區域抽采時間達3 a以上，而靠近切眼的區域剛剛開始抽采的問題，工作面不同區域預抽時間嚴重不均衡，導致工作面抽采達標時間長，造成礦井采掘接替緊張，礦井生產能力受到嚴重制約。針對上述問題，本文以長治礦區某高瓦斯工作面為研究對象，通過現場試驗和理論分析的方法，研究了不同布孔工藝參數條件下CO2相變致裂增透對低透煤層瓦斯抽采的作用規律，并在試驗工作面開展了分區增透高效抽采技術應用，以期為高瓦斯低透煤層緩解采掘接替緊張及高效抽采提供借鑒和參考。

1 CO2相變致裂增透技術原理

1.1 CO2相變致裂增透機理

CO2相變致裂技術原理是利用充裝設備預先將液態CO2加注到致裂裝置的儲液管中，通過發爆器激活儲液管中內置的電加熱活化器，釋放熱量使得儲液管內溫度迅速升高，管內CO2由液態瞬間轉化為氣態，體積膨脹600倍，此時儲液管氣態CO2壓力達到120～276 MPa[17-18]，沖破剪切片噴發而出，高能氣體產生的高速射流和高壓CO2氣體的準靜態壓力場共同作用于煤體，從而破壞煤體產生裂隙。

高能氣體作用煤體時，一方面在高速射流產生的應力沖擊作用下，煤體發生徑向壓縮和切向拉伸，當切向拉伸應力超過煤的抗拉強度時發生劈裂作用[19]，產生大量新的裂隙；另一方面使煤體內被填充或壓實的裂隙被重新開啟，在持續高能氣體的準靜態壓力場作用下，促使原生裂隙進一步擴展、發育[13]。爆破過程使煤體形成裂隙發育區和裂隙擴展區，大大增加了瓦斯運移的通道，使得煤層透氣性顯著提高，實現增透促抽。

1.2 競爭吸附理論

煤體中瓦斯主要以吸附態和游離態2種形式賦存，而游離態的瓦斯是抽采的主要對象。煤體吸附規律研究表明[20-21]，煤體對CO2的吸附性遠高于對CH4的吸附性，當在煤層中相變爆破產生的大量CO2氣體，由于競爭吸附效應，滯留煤層中的CO2驅替置換出大量吸附態瓦斯，游離態瓦斯增加，從而有效提高瓦斯抽采體積分數和抽采量。

2 CO2相變致裂增透作用規律試驗研究

2.1 試驗地點概況

試驗礦井位于長治礦區，為高瓦斯礦井，現開采3號煤層，屬低灰-中高灰貧煤，位于山西組中下部，煤層平均厚度6.25 m，傾角3°～15°。試驗地點選在3111工作面，工作面走向長1 780 m，傾向長200 m，工作面底板標高為+450～+530 m；煤層頂底板均為泥巖，巖性致密，不利于瓦斯逸散，煤層堅固性系數為0.44～0.68，瓦斯含量為9～12 m3/t，煤層透氣性系數平均為0.426 1 m2/(MPa2·d)。試驗煤層屬單一低透煤層，抽采效果較差。

2.2 試驗方法

試驗選擇在未受采動影響的區域進行，在3111工作面運輸巷分別選取長為25 m的4個試驗區(A，B，C，D)，各試驗區間距30 m以上，避免相互影響。每個試驗區布置11個抽采鉆孔，間距均為2.5 m，其中，A試驗區不進行致裂增透，直接連入高負壓抽采系統進行抽采，B試驗區在抽采孔中選取2個作為CO2致裂孔，致裂孔間距20 m，C試驗區在抽采孔中選取3個作為CO2致裂孔，致裂孔間距10 m，D試驗區在抽采孔中選取5個CO2致裂孔，致裂孔間距5 m，B，C，D試驗區致裂孔爆破作業后與本區內其他抽采孔并網連入高負壓抽采系統進行抽采。試驗期為90 d，抽采期間分別記錄各鉆孔抽采體積分數、負壓、流量等參數。各試驗區鉆孔參數見表1，鉆孔布置方式見圖1。

3 致裂增透效果考察分析

3.1 煤層透氣性系數考察

各試驗區在CO2致裂增透前后分別測定煤層的透氣性系數，采用徑向流量法進行直接測定，即利用徑向不穩定流動理論，通過測定煤層瓦斯徑向不穩定流量來計算煤層透氣性系數，各試驗區透氣性系數致裂前后測定結果見表2。

表1 鉆孔參數Table 1 Boreholes layout of each experimental area

圖1 各試驗區鉆孔布置Fig.1 Borehole parameters

試驗區致裂孔間距/m透氣性系數/(m2·(MPa2·d)-1)致裂前致裂后增幅/%A/0.458//B200.3630.65280C100.4811.245159D50.4372.518476

從表2可以看出，B,C,D試驗區的透氣性系數均大幅增長，這是由于CO2相變爆破產生的高能氣體及沖擊波作用于煤體，在煤體中產生大量導通裂隙，并在氣楔作用下，裂隙不斷擴展和延伸，瓦斯運移通道大幅增加，進而煤層透氣性得到提高。在間距20,10,5 m致裂孔的作用下，煤層透氣性分別提高了80%,159%,476%，表明致裂鉆孔布置間距越小，煤層增透作用效果越好，透氣性系數成倍增長。

3.2 抽采體積分數和抽采純量考察

經過90 d的抽采，考察了各試驗區的抽采體積分數和抽采純量，其隨抽采時間變化規律見圖2,3。由試驗結果可知，未致裂、間距20 m、間距10 m、間距5 m致裂孔致裂條件下的平均抽采體積分數分別為14.8%,28.4%,50.9%,75.8%，平均抽采純量分別為0.28,0.66,1.18,1.73 m3/min。可見致裂后煤層的抽采體積分數和抽采純量較未致裂煤層大幅提高，這是由于CO2的致裂驅替作用打破了原始煤體的吸附解吸平衡狀態，根據競爭吸附理論，煤體對CO2的吸附性遠高于對CH4的吸附性，使得爆破后的CO2能夠滯留，且驅替置換出大量煤體吸附的CH4，瓦斯抽采體積分數和抽采量大幅提升。

圖2 抽采體積分數隨抽采時間變化規律Fig.2 Variation of extraction volume fraction with extraction time

圖3 抽采純量隨抽采時間變化規律Fig.3 Variation of extraction pure quantity with extraction time

4 分區增透高效抽采技術應用

不同布孔工藝參數條件下的CO2致裂增透作用規律研究表明：CO2相變致裂技術對煤層增透具有良好的應用效果，CO2相變致裂爆生氣體破壞煤層生成大量裂隙，大幅提升煤層透氣性，CO2對CH4的競爭吸附作用驅替置換出大量游離瓦斯，抽采體積分數和抽采純量顯著提高；致裂孔布孔間距越小，煤層增透的影響作用越強，在設計鉆孔直徑113 mm的情況下,與未致裂抽采相比，采用間距20,10,5 m致裂孔致裂條件下進行抽采時煤層透氣性系數分別提高1.8,2.6,5.8倍，平均抽采體積分數分別提高1.9,3.5,4.2倍，平均抽采純量分別提高2.4,4.2,6.2倍。

利用上述作用規律，將試驗工作面劃分為A,B,C,D 4個預抽單元(見圖4)，隨著工作面巷道的不斷推進，對A，B，C，D 4個預抽單元逐步采取不致裂抽采、布置間距20 m、布置間距10 m和布置間距5 m致裂孔致裂后抽采的不同程度增透的強化抽采措施，在不增加鉆孔工程量的基礎上，實現越靠近切眼的單元抽采效率越高，有效壓縮試驗工作面形成后的預抽時間。

試驗工作面在未致裂抽采條件下采用普通抽采方法時抽采達標時間為540 d，采用分區增透高效抽采技術后，實現各單元抽采達標所需時間分別為225，129，87 d，整個工作面形成后僅需抽采87 d即可達標進行回采，抽采周期大幅縮短，保證試驗工作面安全高效投入生產，避免因預抽時間較長而導致采掘接替緊張。

圖4 工作面分區高效抽采布置示意Fig.4 Schematic diagram of partitioned high-efficiency extraction arrangement in working face

5 結論

1)針對超長工作面抽采時間不均衡導致抽采達標時間長的問題，提出了基于CO2相變致裂的分區增透高效抽采技術，利用不同布孔工藝參數條件下CO2相變致裂增透對低透煤層瓦斯抽采的作用規律，針對工作面不同區域采取不同程度的強化增透措施，大幅縮短了整個工作面的抽采達標周期，實現低透工作面高效抽采。

2)不同布孔工藝參數條件下的CO2致裂增透作用規律研究表明，CO2相變致裂技術對煤層增透具有良好的應用效果，在設計鉆孔直徑113 mm的情況下，與未致裂抽采相比，采用間距20，10，5 m致裂孔致裂條件下進行抽采時煤層透氣性系數分別提高1.8，2.6，5.8倍，平均抽采體積分數分別提高1.9，3.5，4.2倍，平均抽采純量分別提高2.4，4.2，6.2倍。

3)試驗工作面應用分區增透高效抽采技術后，整個工作面形成后僅需抽采87 d即可達標進行回采，表明CO2相變致裂技術對低透煤層增透促抽效果良好，顯著縮短了抽采周期，對于促進礦井安全高效生產具有重要作用。