CO2氣相壓裂增透技術在王莊煤礦的應用

薛志興

(山西潞安礦業(集團)有限責任公司王莊煤礦，山西省長治市，046031)

近年來，王莊煤礦隨著開采深度的不斷增加，煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量也隨之增高，由于所采3#煤層為低滲難抽采煤層，瓦斯治理難度大，嚴重影響了礦井的瓦斯抽采效果[1-4]。目前，該礦為了提高煤層瓦斯抽采效果，主要采用密集深鉆孔技術、延長抽采時間等瓦斯治理技術[5]，存在工程量大、成本高、封孔技術難度大、瓦斯抽采濃度低、抽采效果差、抽采周期長等不足，因此，增加鉆孔密度、延長抽采時間不能從根本上解決煤層瓦斯問題。

針對王莊煤礦煤層堅固性系數較大、透氣性較差、瓦斯難以抽放的特點，急需采取一種新的煤層增透方法對其工作面進行增透，從而提高煤層透氣性，提升礦井煤層瓦斯抽采效率，降低瓦斯災害，保證礦井安全高效生產。為從根本上解決煤層瓦斯治理難題，該礦專門引進近年來新提出的CO2氣相壓裂增透技術，該技術作為一種新型的煤層增透強抽技術[6]，能夠使煤體松動，擴展煤層原生裂隙和次生裂隙，使煤體產生大量裂隙，大大增加了煤體的透氣性，顯著提高了煤層瓦斯抽放率[7]；與此同時氣相壓裂化解了工作面可能存在的“瓦斯包”[8]，降低生產過程中煤與瓦斯突出的危險性，提高了瓦斯涌出的均勻性，減少了瓦斯預警及超限事故發生的可能。

1 CO2氣相壓裂增透技術原理

CO2氣相壓裂增透技術是應用高壓氣體的膨脹功對煤層進行直接壓裂，壓裂鉆孔孔壁的煤層在受到高壓氣體的作用下瞬間破壞產生裂隙和卸壓作用，釋放煤層原始地應力，消除可能存在于煤層的“瓦斯包”，從而降低煤與瓦斯突出風險，提高抽采效率。

氣相壓裂低滲煤層瓦斯綜合治理的機理在于，氣相壓裂低滲煤層后，首先在壓裂鉆孔周邊重啟原生裂縫，從而造成增透和卸壓雙重效應，繼而大幅度提高瓦斯抽采速度和抽采率。具體表現在：形成瓦斯泄流通道，大幅度增加煤層滲透率幾倍到幾十倍；形成鉆孔周邊局部卸壓，消除局部地應力集中現象，緩解瓦斯突出威脅；大幅度增加煤體暴露面積，加速瓦斯解吸，大幅度提高瓦斯抽采速度和抽采效率[9]。該技術主要用于煤體增透、降低煤層瓦斯突出風險、強化瓦斯抽采等方面，是一項煤礦瓦斯綜合治理的新技術，可在一定程度上解決和緩解該礦在瓦斯治理過程中面臨的兩大難題：一是降低高瓦斯工作面煤與瓦斯突出危險，二是解決回采工作面快速抽采，實現抽采達標和安全高效采煤，已在現場實際運用中取得了良好的效果。

2 現場工業試驗

2.1 試驗地點概況

本次試驗地點選擇在王莊煤礦540回風大巷一掘進面，該掘進面開采3#煤層，位于91采區。地面位于太長高速以西，北栗村以南；井下位置東、西、南均為實體煤，北接北栗風井總回風大巷三。地面標高929～934 m，工作面標高416～451 m。該掘進面開采3#的煤層賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊型沉積，煤層厚度穩定，煤層總厚度為7.03 m，容重為1.4 t/m3。該巷道設計長度為1660 m，巷道斷面為6 m×3.5 m矩形斷面，采用全錨支護。

540回風大巷一掘進面開口處經測定煤層原始瓦斯含量為8.14 m3/t，殘存瓦斯含量為2.36 m3/t。2015年王莊煤礦委托華北科技學院對540回風大巷一掘進面進行了瓦斯基礎參數測試：孔隙率4.23%,吸附常數a為34.68 m3/t，吸附常數b為0.89 MPa-1，瓦斯放散初速度1.946 kPa，堅固性系數0.51，瓦斯含量8.53 m3/t, 瓦斯壓力0.50 MPa，透氣性系數0.0288 m2/(MPa2·d)。該掘進面地質條件復雜，瓦斯含量大，煤層透氣性差，現主要采用“掘進頭預抽+雙翼邊掘邊抽鉆場抽采”瓦斯治理模式。

2.2 試驗鉆孔布置

在巷道兩側施工雙翼邁步鉆場，進行邊掘邊抽，邁步鉆場按照步距40 m進行布置，鉆場內呈兩排三列平行布置6個鉆孔，鉆孔深120 m、孔徑120 mm，傾角為1°；同時在工作面施工15個掘進頭抽采鉆孔，布置3排平行孔，鉆孔深120 m，孔徑120 mm，傾角0°～2°。鉆孔施工完畢后，兩翼鉆場及工作面各安裝1個孔板，對鉆孔進行并網帶抽，并網后對各鉆場、工作面抽采參數及單孔濃度觀測3～5 d。

CO2預裂鉆孔在兩翼鉆場及工作面抽采孔并網預抽3～5 d后(便于預裂前后瓦斯抽采量的對比分析)在左右鉆場各布置一個壓裂鉆孔，壓裂鉆孔孔徑?120 mm，鉆孔深度120 m，1#預裂孔位于左鉆場，距巷道輪廓線外1.0 m、距煤層底板1.4 m、方位角0°，為垂直掘進面，傾角為1°的直孔；2#預裂孔位于右鉆場，距巷道輪廓線外1.0 m、距煤層底板1.4 m、方位角0°，為垂直掘進面，傾角為1°的直孔，如圖1所示。壓裂鉆孔使用自動排渣的麻花鉆桿施工，施工過程采用慢速推進，保證孔平直、光滑；壓裂鉆孔的深度盡可能的深(不少于120 m)，壓裂鉆孔施工完畢后，將孔內的煤渣清理干凈。

2.3 壓裂施工工藝

(1)施工前檢查確保每根CO2預裂器完好并能正常使用，將充裝好的CO2預裂器逐個用連接件送入打好的鉆孔中，裝入CO2預裂器15個，對CO2預裂器進行連接時做到邊連接邊測試電路電阻數據是否正常，若出現電阻數據異常，必須查找原因，數據正常后再繼續往下進行，本次試驗選用的CO2預裂器選用的型號為C74，直徑67 mm，長度2000 mm，液態CO2質量1500 g，液態CO2膨脹體積1∶600，反應時間20～40 ms，壓力60～270 MPa。

圖1 540回風大巷一掘進面試驗鉆孔布置示意

(2)用封孔引出桿在CO2預裂器逐一放入鉆孔后將膠囊封孔器與鉆孔的最后一根CO2預裂器連接，同時將引線從膠囊封孔器中間的管內穿出封孔器另一端，封孔器外端接上注液高壓軟管，利用封孔引出桿將膠囊封孔器送到距孔口12 m的深度，封孔引出桿孔口外露0.5～1.0 m，將可伸縮螺紋頂桿一端將封孔引出桿頂住，另一端頂在對面的煤壁上，旋緊絲桿頂牢，如圖2所示；將注液高壓軟管與打壓泵連接可靠，打壓到4～8 MPa后，孔即封好。

(3)人員撤離現場，將放炮引線拉直距離預裂點不小于300 m的地方，按預裂的要求測試數據正常后，按照放炮的相關規定、確認人員全部撤離到安全地點，連接發爆器—充電—激活CO2預裂增透器—釋放出高壓氣體對煤層進行深孔預裂。

(4)預裂操作完畢，用高低壓壓力表觀察鉆孔內壓力，30 min后若壓力完全消失，確認安全后，觀測瓦斯無異常，再拆除封孔器，將CO2預裂器逐一取出，完成后接入抽采系統，封口、抽采、記數。如果孔內壓力較大(大于0.5 MPa)則應暫緩拆除封孔，對孔內壓力逐步釋放、泄壓。

(5)壓裂鉆孔內的設備回收后，對壓裂孔進行封孔(封孔深度20 m)并網帶抽；觀測、記錄壓裂后抽采孔瓦斯濃度、抽采量，并與壓裂前的數據進行對比、分析。

圖2 壓裂鉆孔CO2預裂器裝入及封孔示意

3 效果分析

3.1 煤層透氣性顯著增加

煤層原始透氣性系數為0.0288 m2/(MPa2·d)，氣相壓裂后煤層透氣性系數為0.7482 m2/(MPa2·d)，增加了26倍，氣相壓裂后試驗區域煤層由難抽采改造為可抽采煤層，煤層透氣性顯著增加。

3.2 防突指標快速下降

通過井下實測對比，氣相壓裂前K1值實測最大值為0.62、瓦斯壓力最大值為0.52 MPa、瓦斯含量最大值為0.82 m3/t，氣相壓裂預抽后測得K1值為0.3～0.4，瓦斯壓力穩定在0.28～0.42 MPa之間，瓦斯含量穩定在7 m3/t左右，消突效果明顯，避免了突出事故的發生，為掘進創造了良好條件。

3.3 工作面響煤炮現象明顯減少

氣相壓裂化解了巷道掘進頭前方可能存在的瓦斯包，使瓦斯均勻釋放，減少了掘進頭揭露瓦斯包時，瓦斯突然大量涌出及高頂、偏幫現象發生的可能，降低了工作面瓦斯預警超限事故率。

3.4 抽采效果顯著提高

未采取氣相壓裂時，鉆場單孔最大抽采濃度為60%，平均為28%；掘進頭預抽鉆孔抽采15 d內的單孔平均抽采純量為0.052 m3/min，最大值為0.068 m3/min，預抽30 d內抽采鉆孔衰減不明顯，單孔抽采量穩定在0.03 m3/min。

采取氣相壓裂后，壓裂鉆孔單孔平均抽采純量為0.258 m3/min，相比普通預抽鉆孔的0.052 m3/min，提高了4.9倍；鉆場鉆孔單孔濃度均有不同程度的提升，抽采純量變大，單孔最大抽采濃度為98%，平均為50%，抽采濃度提高約1倍，抽采純流量增加0.2～0.4 m3/min；掘進頭預抽鉆孔在預抽15 d內的單孔平均抽采純量為0.126 m3/min，最大值為0.398 m3/min，但在壓裂后第5天出現明顯衰減，預抽15 d左右后，單孔衰減至0.03 m3/min，增透效果明顯，抽采效率提高1倍，單孔平均抽采純量提高2.4倍，單孔最大抽采純量提高5.8倍，抽采達標時間明顯縮減。

3.5 工作面割煤循環時間縮短

氣相壓裂前，割煤時間約為50～60 min/排，氣相壓裂后瓦斯涌出較均勻，單排割煤時間縮短為40～50 min，生產效率顯著提高。

4 結論

從試驗結果來看，CO2氣相壓裂對煤體裂隙發育作用明顯，提升了抽采純流量，降低了煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和K1值，消突效果顯著，消除了工作面突出危險性，大大提高了掘進速度，保障工作面安全高效掘進。

由此可見，通過CO2氣相壓裂，工作面在壓裂范圍內應力得到了消除、煤層透氣性系數大幅度提高，大幅度提高了瓦斯抽放量，實現安全快速抽采瓦斯，切實保障煤巷工作面快速安全掘進，提前對掘進面的瓦斯進行了超前治理，提高了掘進面瓦斯抽采效果，最終實現礦井安全快速抽采瓦斯。