CO2 預裂增透技術在瓦斯抽采中的研究應用

劉志國

（同煤集團，山西 大同 037003）

1 引言

煤層瓦斯含量高、滲透性差始終是煤礦瓦斯抽采面臨的難題，如何有效增加煤層滲透性、提高瓦斯抽采率是解決瓦斯治理難題的最直接途徑。

液態CO2預裂增透技術在北杏莊煤業的應用表明，CO2由液相向氣態的轉化過程中釋放巨大能量，利用沖擊波實現煤層爆孔預裂，一方面可為瓦斯移動創造條件，另一方面可通過驅替瓦斯，從而實現順利抽采[1-2]。

2 煤層概況

同煤集團地煤公司北杏莊煤業公司位于大同市西南部，井田東西走向，井田面積49.3km2，主采13#煤層。此次CO2預裂增透技術的應用主要針對北杏莊煤業有限公司402 盤區8204 工作面13#煤層進行試驗。

經測定，13#煤層瓦斯壓力為1.1 ～1.38MPa，瓦斯放散初速度為14.7ml/s，透氣性系數為0.018 ～0.164/（MPa2·d），煤層瓦斯含量最大為19.63m3/t，平均為12.94m3/t，礦井相對瓦斯涌出量為31.81 m3/t，絕對涌出量為319.27 m3/min。煤層瓦斯含量高，透氣性差，抽采難度較大，嚴重制約煤礦安全生產。

3 CO2 預裂增透技術原理及設備工藝

CO2預裂增透技術主要利用液態CO2氣化產生的高能氣體形成高壓沖擊波，致使煤體預裂。若使液態CO2氣化，則溫度應大于31℃，此時液態CO2在極短時間內迅速氣化，能夠釋放150MPa 左右的壓力，沖擊煤體，形成較好的預裂效果，顯著增加煤層透氣性[3]。

通過CO2預裂器內部安裝發熱裝置，對礦用發爆器充排氣閥上兩個電極施加脈沖電流（利用CO2的抑爆性能，可以阻止爆炸和燃燒），電流可以使裝置內的化學材料發生反應并放熱。液態CO2吸收熱量溫度升高，迅速氣化，導致預裂器內腔壓力大于設定壓力值，突破定壓剪切片噴向煤體。此時CO2氣體在煤體裂隙中急速膨脹，進一步形成新的裂隙并擴展，增加煤體透氣性。由于煤體對CO2的吸附能力遠強于CH4，因此，在煤體預裂過程中，爆孔形成大量裂隙以及微裂隙，不僅能夠增多CO2的運移通道，而且通過CO2的驅替作用，使得CH4由吸附態變為游離態，通過預裂后的通道進行解吸，提高瓦斯抽采濃度[4]。

CO2預裂器由充裝閥、發熱裝置、儲液管、密封墊、定壓剪切片以及釋放管組成，如圖1 所示。預裂裝置管腔內預先安裝好發熱材料，將液態CO2注入管腔內，通過對礦用發爆器充排氣閥上兩個電極施加脈沖電流從而對液態CO2進行加熱，氣化后的CO2體積膨脹，達到預設壓力，此時定壓剪切片自動打開，通過釋放管作用于煤體，產生沖擊震蕩—應力波穿透—爆生氣體驅動裂紋擴展，達到增透目的。

圖1 CO2 預裂器結構

通過 CO2預裂增透技術的應用，瓦斯抽采純量明顯增加，在保持抽采純量的基礎上，將來可以實現抽采鉆孔數量的減少，減少抽采鉆孔的工作量，極大地降低成本。

4 抽采效果分析

在北杏莊煤業有限公司402 盤區8204 工作面13#煤層預裂增透的試驗中，在鉆場左右各施工一個預裂孔，編號1 和2。1 號鉆孔以15°的角度向左幫偏離施工，開孔位置距離左幫1.4m；2 號鉆孔以15°的角度向右幫偏離施工，開孔位置距離右幫0.7m。1、2 號鉆孔開孔間距為3.15m，終孔間距42m，孔深75m，如圖2 所示。

圖2 預裂1 號和2 號鉆孔布置圖

對1、2 號鉆孔預裂后的瓦斯流量與抽采濃度進行觀測，如下表1 所示。

由表1 可以看出，預裂后瓦斯流量最高為1.24m3/min，濃度為43%，9d 后瓦斯流量降至0.47m3/min，濃度為18%，瓦斯流量衰減量為0.77m3/min，平均每天衰減0.0856m3/min，瓦斯濃度衰減量為25%，平均每天衰減2.78%；瓦斯平均抽采濃度為28%，與預裂前（平均抽采濃度為10%）相比，瓦斯抽采濃度提高了180%，抽采效果顯著提升。試驗結果表明，應用CO2預裂增透技術能夠提高煤層透氣性，最終單孔瓦斯抽采濃度較長時間穩定在18%以上，并且CO2在驅替瓦斯方面，對于提高瓦斯解吸量效果明顯。

表1 1 號和2 號鉆孔預裂后的瓦斯流量與抽采濃度隨時間變化表

5 結論

實施煤層CO2預裂增透技術，對提高煤礦瓦斯抽采效率和效果具有積極作用。

（1）CO2預裂增透技術不僅可以提高煤層滲透性，而且可以實現鉆孔裂隙的再擴展，增加游離瓦斯運移通道；另外，能夠驅替瓦斯，將吸附態的瓦斯進行驅替，以游離態的形式進行解吸。

（2）預裂增透技術的應用，提高了瓦斯抽采濃度，使得瓦斯抽采濃度最高為43%，最低為18%，平均抽采濃度為28%，與預裂前抽采濃度10%相比，提高了180%，對于高瓦斯低滲透煤層的預裂增透效果十分顯著。

（3）通過 CO2預裂增透技術的應用，在保持抽采純量的基礎上，將來可以實現抽采鉆孔數量的減半，減少抽采鉆孔的工作量，極大地降低成本。