液態CO2相變致裂在單一低滲低透強突出煤層的應用研究

高立森　劉傳勇

摘要：針對單一低透氣性煤層瓦斯含量高、預抽效果不理想的情況，采用液態CO2相變致裂技術，在穿層鉆孔中利用瞬間產生的高壓CO2氣體沖擊煤體，產生大量裂隙并促使裂隙發育、擴展，以達到提高煤層透氣性的目的。在綠塘煤礦南二采區S204工作面進行的試驗表明： 液態CO2相變致裂技術可有效提高瓦斯抽采效果，試驗后平均抽采流量0.057 m3/min，是試驗前平均流量的4.3倍，是相同抽采時間內水力沖孔措施平均抽采流量的2.3倍; 抽采濃度也有所提升; 在試驗考察期內流量衰減系數降低到0.046 d-1，增透效果顯著。

關鍵詞： 單一低滲低透煤層; 液態CO2; 相變致裂增透

1 引言

我國95%以上的高瓦斯、突出礦井開采的煤層是低滲、低透煤層[1]。并且只有少部分煤礦具有保護層開采條件，多數礦井為單一煤層開采。

單一低滲、低透煤層具有瓦斯含量高，抽采難度大等特點。在瓦斯抽采治理過程中存在瓦斯抽采流量小、衰減快，預抽時間長、鉆孔利用率低等弊端，給礦井安全生產、采掘接替造成極大困難。為了解決單一低滲、低透煤層瓦斯治理難題，國內學者提出了水力割縫、水力壓裂、預裂爆破等增透增滲措施，這些干預預抽措施在提高煤層透氣性、強化瓦斯抽采措施方面起到了顯著作用。但是，這些增透增滲措施同樣存在缺陷：水力沖孔技術在硬煤中沖孔難度大，在軟煤中又容易造成塌孔壓埋鉆具;水力割縫存在噴孔嚴重，導致作業場所環境惡劣;深孔預裂爆破主要存在裝藥量難以控制、易出現啞炮等缺陷，且出現啞炮后處理難度極大。

2 液態CO2相變致裂技術

2.1 技術原理

CO2在31°C以下，7.2MPa壓力時以液態存在，1kg液態CO2吸收60KJ的熱量能夠汽化，當溫度超過31℃時，無論壓力多大，液態CO2將在40ms內汽化。CO2正常存放和運輸不會激活汽化液態CO2汽化產生高壓波，致裂煤層增透，提高瓦斯抽采效率。利用CO2的親煤特性和其膨脹過程對煤層吸附瓦斯的驅趕，實現解吸，促進游離，使煤層透氣性和瓦斯游離度雙重提高。在具有突出威脅的煤層中使用，可安全有效地卸壓煤層中“瓦斯突出源”。

CO2預裂增透技術，是近幾年來發展起來的新型煤層瓦斯增透技術，是通過將高壓的液態CO2置入鉆孔內，通過發生裝置將液態CO2瞬間氣化，氣化后，CO2體積急速膨脹，一方面，利用巨大的膨脹能對煤層進行預裂增透，另一個方面，利用煤層對CO2的吸附作用是瓦斯的8倍，煤層對其親和力遠遠高于瓦斯，來對瓦斯進行置換作用。

2.2 技術工藝

CO2預裂技術是在瓦斯抽采的同時進行CO2預裂驅離，具體工藝流程為：先施工瓦斯抽采鉆孔并接抽→施工CO2預裂驅離鉆孔→CO2預裂→取出預裂器→所有鉆孔接抽。

CO2預裂增透工藝如下：

（1）預裂器入孔前逐一檢查是否存在異常現象，確認正常后方可將預裂器推入鉆孔。

（2）檢測全部的線路是否達到預裂的標準，達到預裂標準后，用施壓泵對封孔器進行加壓。加壓完成后方可起爆預裂。

（3）啟動預裂

a）啟動預裂前，必須將周圍的電器設備和材料保護好，保證預裂的成功。

b）預裂前測量作業地點附近的瓦斯、CO2濃度，待瓦斯濃度低于0.5%、CO2濃度低于0.5%方可開始作業。

c）預裂作業時要布置警戒線，并懸掛警戒牌，嚴禁人員進入工作面。

d）將引發線引至警戒線以外的新鮮風流中，經專業人員檢查整個電路系統無誤后，將引發線與發爆器連接，接到跟班隊干引發命令后方可啟動發爆器。

（4）桿體的拆除

a）壓裂完成30min后由專職瓦檢員及時對壓裂孔附近20m內瓦斯、二氧化碳濃度進行測量，濃度正常時方可進行下一步作業，發現異常嚴禁作業，及時通知調度室。

b）經檢查瓦斯及CO2濃度正常后，經專業人員檢測一切都正常后方可進行退預裂器作業。

3現場試驗

3.1工作面概況

綠塘煤礦南二采區S204工作面走向長度為1585m，斜長為115m，埋深為177～322m，頂板為粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖，底板為泥巖、粉砂質泥巖。開采的6中煤層在本工作面平均厚度3.19m，平均傾角為6°，煤層硬度f在0.16～0.468之間，結構較復雜，夾矸0～6層，煤層層位、厚度、結構基本穩定。S204工作面6中煤層瓦斯原始含量平均為14.53m3/t（當煤層埋深在154m時瓦斯含量為10.8m3/t，埋深每100m增加3.7284m3/t）。

根據6中S204運輸巷區域條帶預抽瓦斯治理及穿層鉆孔布置情況，6中S 204運輸巷局部瓦斯治理方案為“兩抽、三控、兩致、三爆”。

“兩抽”即在6中S204運輸巷掘進工作面迎頭在巷道兩側各施工一個瓦斯抽采孔;“三控”即除巷道兩側抽采孔兼做二氧化碳致裂和深孔預裂爆破控制孔外，在實施深孔預裂爆破前在巷道中間沿巷道中軸線方向再施工一個爆破控制孔;“兩致”即在6中S204運輸巷距巷幫0.5m處各施工一個致裂孔分別進行一次二氧化碳致裂;“三爆”即在兩個致裂孔二氧化碳致裂結束后及時進行全孔裝藥及在爆破控制孔內裝藥實施深孔卸壓控制爆破。

3.2致裂效果分析

（1）抽采濃度對比

在6中S204頂抽巷未致裂區域挑選兩排抽采效果較好的鉆孔，某天的瓦斯抽采數據分析。

鉆孔抽采濃度參差不齊，個別鉆孔抽采效果較好，多數鉆孔濃度偏低，兩排鉆孔平均濃度為27.8%。相變致裂措施后進行封孔連抽，對所有連抽鉆孔數據進行監測，所測第9組、第10組和第11組鉆孔平均濃度和平均工況流量.

各組致裂孔平均抽采瓦斯濃度均在70%左右，平均流量在0.2m3/min以上;未致裂前，該區域鉆場內穿層鉆孔平均瓦斯濃度約為10%，排放鉆孔平均瓦斯濃度約為27.8%。實施CO2致裂后，致裂孔平均瓦斯抽采濃度是鉆場穿層鉆孔瓦斯濃度的7倍，是排放鉆孔瓦斯濃度的2.5倍。

抽采流量增大的同時，鉆孔流量衰減系數也比原來減小。相變致裂試驗前，1號孔的衰減系數為0.384 d-1; 相變致裂后，在10 d的考察期內，1號預裂孔的流量衰減系數降為0.046 d-1。相變致裂后，抽采流量的升高，以及流量衰減系數的降低，表明通過相變致裂，在煤體中產生了利于瓦斯抽采的裂縫、裂隙，改善了煤體的應力條件，促進了瓦斯的解吸，使鉆孔瓦斯抽采更具有可持續性。

4 結論

（1） 液態CO2相變致裂技術利用瞬間釋放的高壓、高速CO2氣體沖擊煤體產生大量裂隙，在鉆孔周圍形成一片裂隙發育、透氣性好的抽采區域，達到了強化增透目的。

（2） 通過相變致裂，鉆孔瓦斯流量得到顯著提升，預裂孔試驗前流量已自然衰減為0.004 m3/min，試驗后升高到0.078 m3/min，提高了18.5倍。在10 d的考察期內，平均抽采流量為0.057 m3/min，是相變致裂前鉆孔平均流量的4.3倍，是相同抽采時間內水力沖孔平均流量的2.3倍，抽采濃度也有不同程度提高; 流量衰減系數由0.384 d-1降低到0.046 d-1，使抽采更具有可持續性，表現出良好的強化抽采效果。

（3） 液態CO2相變致裂技術工藝簡單，技術可行，實施過程及致裂過程安全可靠，不會對煤層的頂底板產生破壞，不會引起瓦斯超限。在低透低滲突出軟煤中也具有很好的增透增滲效果，拓寬了該技術適用煤體的范圍，為礦井瓦斯治理工作提供了新方法。