綜采工作面砂巖夾矸層酸化壓裂破碎機理

鄧廣哲，劉 華

（1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安710054）

我國以煤炭為主的能源結構仍是未來相當時期內能源的基本形式。《中國能源發展報告（2019）》顯示[1-3]，2018 年我國能源消費總量為46.4 億t 標準煤，占全球一次能源消費總量的23.6%。其中，陜北侏羅紀煤田位于鄂爾多斯聚煤盆地的核心區，累計探明保有煤炭源量1 360.56 億t，是世界上少有的內陸三角洲成因巨大型煤田。但開采過程中，煤層堅硬夾矸層的存在嚴重制約了安全高效生產的進行。幾十年來，廣大學者提出了包括常規爆破及深孔預裂爆破、水壓致裂、高壓水射流割縫、氣體爆破等方法，它們著重于改變煤層堅硬夾矸的外在壓力，使堅硬矸石發生松動、破裂[4-8]。但目前這些方法對煤層夾矸作用效果相對單一，在一些地區的實施效果不甚理想。而CO2壓裂作為1 種復合型壓裂方式，利用CO2獨有的物理化學性質，可以進入巖層較小的微孔裂隙中，在巖層破裂時有利于裂縫網絡的形成[9]。目前針對CO2壓裂技術的研究，主要集中在研發施工設備、增加CO2壓裂液黏度、降低管柱摩阻等方面[10-11]。此外，諸多學者對CO2壓裂裂縫起裂和擴展規律進行了研究。花崗巖超臨界CO2和水壓致裂實驗發現，超臨界CO2的破裂壓力低于常規水壓致裂的破裂壓力，并且壓裂形成裂縫形態更為復雜[12-13]。有學者研究了層狀致密砂巖超臨界CO2壓裂裂縫擴展規律，發現在高水平應力差條件下，超臨界CO2仍可以促進層理和天然裂縫的張開和剪切破裂，從而形成復雜的裂縫網絡[14]。另有學者開展頁巖與砂巖真三軸超臨界CO2壓裂試驗研究，結果表明與水壓致裂相比，超臨界CO2壓裂的起裂壓力降低了50%以上，且壓裂過程中有多次起裂現象，更易形成復雜裂縫，壓裂后滲透率顯著提高[15-17]。以上關于CO2壓裂煤巖體過程中的物理化學特性研究[18-20]，主要分析了飽和CO2、水和煤巖體之間的作用規律，但關于微量CO2耦合溶液致裂煤巖體的研究較少，且CO2耦合溶液致裂煤巖體的力學特性變化規律與微觀孔隙結構的演化機制有待于深入研究。

為此，針對陜北侏羅紀中統延安組（J2y）煤層中出現的大面積砂巖夾矸層，以小保當礦區為工程背景，提出了以微量CO2水合物為主的復配專用巖石酸化壓裂方法，研究CO2-水-巖作用對致密砂巖性質及夾矸壓裂裂縫擴展的影響。首先，開展CO2水溶液浸泡致密砂巖試驗，從微觀上揭示CO2耦合致裂砂巖的作用機制。其次，構建合適質量分數的CO2耦合溶液，開展CO2耦合致裂物理模擬試驗，探索CO2耦合致裂起裂規律。最后，進行CO2耦合致裂煤層夾矸層現場試驗，并對該技術的有效性及適用性進行驗證。

1 CO2 水溶液浸泡致密砂巖試驗

1.1 試驗裝置與試樣

目前的浸泡方法主要有靜態浸泡法[21]和動態驅替法[22]2 類。靜態浸泡法只能模擬常壓下CO2水溶液與巖石試樣的反應過程，不能模擬一定壓力條件下的CO2水溶液與巖石試樣的反應過程。動態驅替法是通過壓力差將CO2水溶液壓入巖石試樣基質中，達到CO2水溶液與巖石試樣中礦物充分反應的目的，但會給浸泡后試樣的力學性質測試造成不便。為了使CO2水溶液與致密砂巖試樣充分反應，又能在反應過程中提供一定的浸泡壓力，使反應過程接近實際地層條件，CO2水溶液浸泡致密砂巖實驗裝置圖如圖1，試驗系統主要由三軸壓力室、溫度控制系統、氣液供應裝置、增壓泵等組成。三軸壓力室最高工作壓力40.0 MPa；溫度控制系統中的加熱裝置從外部對壓力室加熱，壓力室內部安裝應力傳感器，溫度范圍可控制在100 ℃以內；增壓泵可在0～40.0 MPa 范圍內加壓，并實時跟蹤壓力室內的壓力，保證壓力室壓力恒定。

圖1 CO2 水溶液浸泡致密砂巖實驗裝置Fig.1 Experimental device of tight sandstone immersed in CO2 solution

試樣取自小保當煤礦鄂爾多斯盆地侏羅紀中統延安組（J2y）煤層粉砂巖夾矸。為了便于測試CO2水溶液浸泡前后致密砂巖的礦物組成變化，采用粒徑為0.8～1.1 mm 的致密砂巖顆粒開展CO2水溶液浸泡試驗，目的是為了增大CO2水溶液與致密砂巖的接觸面積。將致密砂巖加工成直徑為50 mm，長度為100 mm，用于測試CO2水溶液浸泡前后致密砂巖的孔隙結構、孔隙度、滲透率和抗拉強度等變化。相同條件下不同參數測試采用相同的巖心，為了盡可能減小非均質性對試驗結果的影響，致密砂巖試樣取自臨近位置。

1.2 試驗方法

根據小保當礦區粉砂巖夾矸所在地層的水質分析報告，用蒸餾水配置浸泡液體，浸泡液體的組成成分為：2.12%KCl+0.07%MgCl2+1.49%NaCl+0.31%CaCl2。將砂巖試樣放入三軸壓力室中，連接好壓力室與底座，并連接試驗系統管路，向壓力室注入浸泡液體，待壓力室內壓力達到1 MPa 后，對試驗系統的氣密性進行檢查，氣密性檢查良好后，對浸泡的溫度、壓力和時間進行設定，為使反應過程更接近地層的實際條件，設定浸泡壓力為15 MPa，浸泡溫度為25 ℃，根據現場CO2壓裂施工時間，設定浸泡時間為12 h。CO2水溶液浸泡致密砂巖顆粒的質量為7.000 g。另外，便于對比CO2水溶液浸泡前后砂巖試樣的抗拉強度，對巖心進行編號，其中對編號為S-1、S-2 的巖心進行浸泡，編號為S-3、S-4 的巖心不浸泡，用于測試砂巖原始抗拉強度。

1.3 試驗結果與分析

基于特定粒子相互作用理論和高精度狀態方程的CO2溶解模型，計算CO2在鹽水中的溶解度，采用PHREEQC 軟件計算CO2水溶液的pH 值[23]。計算結果表明，在浸泡壓力和溫度為分別為15 MPa、30 ℃時，CO2在浸泡液體中的溶解度約為1.08 mol/kg，溶液PH 值約為3.16。說明在現場粉砂巖夾矸所處的實際地層壓力和溫度條件下，CO2溶解于地層水形成具有較強酸性的CO2水溶液，可對砂巖夾矸中的碳酸鹽礦物產生溶蝕作用，使得致密砂巖的物理化學性質發生改變。

1.3.1 礦物組分試驗

試驗采用德國Bruker 公司X 射線衍射儀（D8 ADVANCE），對CO2水溶液浸泡前后砂巖試樣的全巖礦物組成和黏土礦物相對含量進行測試。小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品在CO2水溶液浸泡前后的礦物組成見表1。

表1 小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品在CO2 水溶液浸泡前后的礦物組成Table 1 Mineral composition of coal seam sandstone gangue samples in Xiaobaodang Mining Area before and after immersion in CO2 aqueous solution

由表1 可知，CO2水溶液浸泡后，方解石和白云石含量降低最為明顯，分別降低2.6%和2.5%；斜長石降低幅度最小，為0.4%，鉀長石次之，降低幅度為1.2%；由于石英和黏土礦物與CO2水溶液基本不發生反應，浸泡后其余礦物含量降低，從而使石英和黏土礦物含量升高，石英含量升高2.3%，黏土礦物含量升高5.2%。另外，黏土礦物中伊蒙混層含量不變，伊利石和綠泥石含量降低幅度不大，分別降低2.0%和3.0%，可以看出CO2水溶液對伊利石和綠泥石溶蝕效果不明顯；高嶺石含量增加5%，由于鉀長石和斜長石被溶蝕部分可轉化為高嶺石，加之伊利石和綠泥石含量的降低，致使高嶺石含量增加幅度較大，膨脹作用增強。

1.3.2 掃描電鏡試驗

將CO2水溶液對砂巖夾矸作用后的微觀孔隙結構進行研究，利用小砂輪將砂巖夾矸樣品截為16段，并折斷成自然斷面，在真空干燥箱中以25 ℃的溫度干燥24 h，采用JSM-6460LV 高分辨率掃描電子顯微鏡。小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品在CO2水溶液浸泡前后掃描電鏡照片如圖2。由圖2 可以看出，巖樣表面與CO2水溶液作用后發生了不同程度的變化，孔隙表面顆粒被溶蝕，孔隙表面變的更為平滑，同時在煤體表面形成新的孔、裂隙結構，且大孔數量明顯增多，連通性增強。這是因為CO2水溶液與砂巖發生溶解反應，其中的方解石、白云石、長石等碳酸鹽礦物被溶蝕，導致砂巖表面孔隙結構發生變化。

圖2 小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品在CO2 水溶液浸泡前后掃描電鏡照片Fig.2 Scanning electron micrographs of coal sandstone gangue samples in Xiaobaodang Mining Area before and after immersion in CO2 aqueous solution

1.3.3 孔隙度和滲透率測試

利用氦氣孔隙度測定儀和脈沖衰減法氣體滲透率測量儀，對CO2水溶液浸泡前后巖心的孔隙度和滲透率進行測試。小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品在CO2水溶液浸泡前后的孔隙度和滲透率見表2。

表2 小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品在CO2 水溶液浸泡前后的孔隙度和滲透率Table 2 Porosity and permeability of coal seam sandstone gangue samples before and after immersion in CO2 aqueous solution

由表2 可以看出，砂巖夾矸試樣原始孔隙度平均為6.98%，CO2水溶液浸泡后孔隙度平均為7.92%；試樣的原始滲透率平均為11.12×10-3mD（1 mD=10-3μm2），CO2水 溶 液 浸 泡 后 滲 透 率 平 均 為25.92×10-3mD。CO2水溶液浸泡后砂巖夾矸試樣的滲透率和孔隙度均增大，孔隙度增大幅度平均為13.40%，滲透率增大幅度平均為133.04%。由于CO2水溶液可以溶蝕砂巖中的方解石、白云石、長石等礦物，使溶蝕孔隙數量增多，孔徑增大，從而引起CO2水溶液浸泡后砂巖夾矸試樣的孔隙度和滲透率增大。

1.3.4 抗拉強度測試

利用單向劈裂試驗測定砂巖夾矸試樣的抗拉強度，砂巖夾矸試驗劈裂試驗如圖3，小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品在CO2水溶液浸泡前后的抗拉強度對比見表3。

圖3 砂巖夾矸試驗劈裂試驗Fig.3 Split test of sandtstone gangue samples

由表3 可知，砂巖夾矸試樣原始抗拉強度平均為8.86 MPa，CO2水溶液浸泡后降低為7.73 MPa，降低幅度為12.75%。CO2水溶液浸泡后，砂巖夾矸試樣抗拉強度降低，而巖石的抗拉強度很大程度上取決于膠結強度，由于砂巖夾矸試樣中的碳酸鹽和長石等礦物被CO2水溶液溶蝕，降低了其膠結強度，導致抗拉強度降低。

表3 小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品在CO2 水溶液浸泡前后的抗拉強度對比Table 3 Comparison of tensile strength of coal seam sandstone gangue samples before and after immersion in CO2 aqueous solution in Xiaobaodang Mining Area

綜上所述，小保當礦區砂巖夾矸中含有的碳酸鹽礦物主要類型為方解石（CaCO3）和白云石（CaMg（CO3）2）等，CO2水溶液對砂巖夾矸中碳酸鹽礦物的溶蝕作用，使得巖石中的溶蝕孔隙數量顯著增多，孔徑變大，孔隙度和滲透率均增大，同時生成高嶺石等黏土礦物，且石英基本不被溶蝕，從而黏土礦物和石英含量升高。另外，CO2水溶液溶蝕了砂巖中的膠結礦物，使礦物顆粒間聯結力減小，顆粒間或裂隙面間摩擦力降低，導致砂巖夾矸試樣抗拉強度降低。

2 CO2 耦合致裂試驗

CO2水溶液可對砂巖夾矸產生化學損傷，大部分碳酸鹽礦物與CO2水溶液發生溶蝕反應（式（1）與式（2）），氫離子在酸性溶液中比其他類型的陽離子具有更強的吸附性能，氫離子被吸附到礦物表面，與其表面及結構中的部分離子發生交換，交換出的離子離開礦物表面或是本身結構，進入到反應溶液中，而不能交換的骨架部分在原地形成沉淀。

溶蝕作用造成巖體微觀結構的變化，而微觀結構的變化導致宏觀力學性質的弱化，巖體中的碳酸鹽礦物和黏土礦物與CO2水溶液發生反應，會使巖體的結構力降低。由摩爾-庫侖破壞準則可得：

式中：τ 為巖體的極限剪應力，MPa；φ 為巖體的內摩擦角，（°）；c 為巖體的黏聚力，MPa。

在孔隙水壓力作用下，巖體有效應力σ′=σαp，代入式（3）可得：

式中：σ 為作用在巖體上的正應力，MPa；α 為等效孔隙壓力系數，取決于巖體孔隙、裂隙發育程度，0≤α≤1；p 為在裂隙內側作用的水壓力，MPa。

受孔隙水壓力影響的抗壓強度σw為：

式中：σc為完整巖石的單軸抗壓強度，MPa。

與水相比，CO2水溶液對砂巖夾矸的滲透作用更強，巖體中的孔隙壓力變大，進一步減小煤體的黏聚力和抗壓強度，有利于巖體的軟化破碎；同時，CO2水溶液對砂巖夾矸中碳酸鹽礦物的溶蝕作用將對巖體造成化學損傷，巖體強度會相對降低，使得巖體的起裂壓力和延展壓力都會降低，有利于壓裂過程中裂隙的起裂與延展；在同等施工壓力參數的條件下，裂隙的延展范圍更大。

基于以上針對CO2-水-巖之間物理化學作用的分析，結合以往活性壓裂軟化材料的研究成果，提出以CO2耦合溶液為主的復配專用巖石酸化壓裂方法，CO2耦合溶液配置中選擇陰離子K-12，非離子OP-10 的復配表面活性劑，選用復配表面活性劑濃度2‰與1.5% KCl 水溶液配置活性水基溶液，最后配置質量分數為5%的CO2耦合溶液。

2.1 CO2 耦合致裂試驗系統與試樣

試驗采用自主研發的煤巖體多場多相耦合壓裂試驗系統，該系統主要由三軸應力加載系統、三軸壓力室、CO2供應系統、注液控制系統、溫度控制系統及數據采集系統、輔助裝置等部分組成。根據國際巖石力學學會（ISRM）推薦的巖石測試標準，將砂巖夾矸加工成直徑為50 mm，高為100 mm 的圓柱體試樣，并在試樣一端鉆取直徑6 mm，深60 mm 的圓孔模擬壓裂孔，壓裂前試樣準備如圖4。

2.2 試驗方法

采用配置好的質量分數為5%的CO2耦合溶液，常溫（25 ℃）下開展砂巖試樣致裂試驗。考慮到小保當礦區煤層地應力受構造應力影響較大，根據實驗室條件，設定軸壓為9.0 MPa，圍壓為7.0 MPa，采用清水和CO2耦合溶液2 種液體開展砂巖試樣致裂試驗，清水模擬常規水壓致裂作為對比。根據壓裂液的不同，將試驗分為2 組：①第1 組：選用清水壓裂，砂巖試樣編號為S-11；②第2 組：選用CO2耦合溶液壓裂，砂巖試樣編號為S-22。考慮到現場壓裂時間較長，在CO2耦合溶液壓裂前，對S-22 試樣進行CO2耦合溶液浸泡，設定浸泡壓力為15 MPa，浸泡溫度為25 ℃，時間為12 h。

圖4 壓裂前試樣準備Fig.4 Sample preparation before fracturing

2.3 試驗結果與分析

小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品常規水壓致裂和CO2耦合溶液壓裂曲線如圖5。由圖5 可知，常規水壓致裂的S-11 試樣增壓速率較大，開始壓裂后注入壓力幾乎呈線性增長，注入壓力達到15.82 MPa時，試樣破裂產生宏觀裂縫，注入壓力急劇降低。采用CO2耦合溶液壓裂的S-22 試樣，隨著壓裂時間的增加，CO2耦合溶液不斷增多，注入壓力持續增加，當壓力達到12.79 MPa 時，試樣發生破壞并產生宏觀裂縫，最終壓力與圍壓保持一致。

圖5 小保當礦區煤層砂巖夾矸樣品常規水壓致裂和CO2 耦合溶液壓裂曲線Fig.5 Conventional hydraulic fracturing and CO2 coupling solution fracturing curves of sandstone gangue sample in Xiaobaodang Mining Area

對比S-11 與S-22 試樣的壓裂曲線可以看出，相對于常規水壓致裂，CO2耦合溶液壓裂的破裂壓力降低，降低幅度為19.15%，增壓速率較慢，在試樣達到破壞前，CO2耦合溶液壓裂存在微裂隙的起裂擴展，注入壓力表現出臺階式波動，最終產生宏觀裂隙。這是由于CO2-水-巖體之間發生溶蝕作用，孔隙結構發生改變。

結合前文研究成果，將砂巖試樣CO2耦合致裂過程可分為3 個階段：孔腔充填階段（A）、CO2-水-巖相互作用階段（B）與致裂破壞階段（C）。孔腔充填階段（A）為致裂初期，CO2耦合溶液優先進入試樣較大孔隙，壓力增長速率較快；CO2-水-巖相互作用階段（B）為CO2耦合溶液進入孔隙并與試樣中礦物組分發生溶蝕作用，隨著注入壓力的增加，存在微孔的破裂與擴展，從而引起壓力曲線的臺階式波動，但并未達到破裂壓力。致裂破壞階段（C）注入壓力達到試樣破壞強度，壓裂裂紋迅速擴展并形成貫通的宏觀裂縫，注入壓力下降，最終與圍壓保持一致。

3 CO2 耦合致裂現場試驗

3.1 工作面夾矸賦存概況

小保當煤礦112201 綜采工作面2-2煤賦存于延安組第4 段頂部，可采儲量1207.33 萬t，煤層傾角為1°，煤層厚度4.2～6.3 m，根據井下實際情況設計采高5.8 m。采用長壁后退式一次采全高全部垮落法采煤，工作面走向長為4 645 m，傾向長為350 m。112201 首采工作面現主采的2-2煤層中，存在著大范圍致密堅硬夾矸。根據煤層夾矸地質調查化驗分析，該夾矸層位于距工作面100～500 m 范圍煤層中，距煤層底板約為1.5 m，夾矸層厚度0.6～1.0 m，為堅硬致密粉砂巖夾矸層，并連續貫通工作面。這些分布特殊、硬度大的粉砂巖夾矸層造成采煤機截割困難、作業速度慢等影響安全高效生產的問題。

3.2 壓裂鉆孔布置方案

根據工作面開采工藝與技術條件，選擇112201工作面回風巷布置壓裂鉆孔，采用ZYWL-6500D 型履帶式全液壓定向鉆機精確定向鉆進，確保壓裂鉆孔位于夾矸層中。為了對比CO2耦合壓裂、常規水壓致裂與正常回采之間的效果區別，將距工作面90 m以內作為對照區進行正常回采，100～240 m 作為常規水壓致裂區，250～500 m 作為CO2耦合壓裂區，鉆孔間距為10 m。壓裂鉆孔平面布置圖如圖6。工作面壓裂鉆孔設計參數見表4。

3.3 試驗過程

3.3.1 CO2耦合壓裂關鍵工藝及技術

1）按照鉆孔布置方案進行壓裂鉆孔施工，施工完成后進行封孔。

圖6 壓裂鉆孔平面布置圖Fig.6 Plan layout of fracturing drilling

表4 工作面壓裂鉆孔設計參數Table 4 Design parameters for working face fracture drilling

2）檢查設備、連接管路，配置質量分數為5%的CO2耦合溶液作為壓裂材料。

3）在壓裂區布置安全警戒線，開始壓裂，壓裂時間控制在2 h，期間觀察煤壁及鉆孔情況并記錄相關數據。

4）壓裂結束后將壓力調整至5 MPa，對鉆孔夾矸層進行10 h 軟化，結束后清洗壓裂設備。

5）分別對非來壓期間正常回采、常規水壓致裂和CO2耦合壓裂階段工作面裂隙分布情況、回采率及采煤機截割能耗情況進行統計。

3.3.2 壓裂過程分析

1）CO2耦合壓裂。112201 工作面砂巖夾矸層CO2耦合壓裂瞬間壓力監測曲線如圖7，可以看出鉆孔起裂壓力為19.0 MPa，壓力監測曲線與圖5 基本一致，壓裂過程大致可分為孔腔充填階段、CO2-水-巖相互作用階段與致裂破壞階段。驗證了CO2-水-巖體之間發生溶蝕作用，使孔隙結構發生改變，有利于巖體的破碎軟化。

2）常規水壓致裂。112201 工作面砂巖夾矸層常規水壓致裂瞬間壓力監測曲線如圖8，常規水壓致裂的起裂壓力為24 MPa，可以看出CO2耦合壓裂的起裂壓力相比于常規水壓致裂降低20.8%，這是由于CO2水溶液具有更強的滲濾作用，增加了巖體中的孔隙壓力，使有效應力減小，從而降低起裂壓力。

圖7 112201 工作面砂巖夾矸層CO2 耦合壓裂瞬間壓力監測曲線Fig.7 Instantaneous pressure monitoring curve of CO2 coupled fracturing in sandstone gangue layer at 112201 working face

圖8 112201 工作面砂巖夾矸層常規水壓致裂瞬間壓力監測曲線Fig.8 Instantaneous pressure monitoring curve of conventional hydraulic fracturing in sandstone gangue layer at 112201 working face

3.4 試驗效果分析

為了驗證試驗效果，對工作面非來壓期間正常回采、常規水壓致裂和CO2耦合壓裂區段的裂隙分布情況、回采率及采煤機截割能耗情況進行統計。

3.4.1 夾矸層裂隙情況

工作面砂巖夾矸層采用CO2耦合壓裂軟化破碎方法，其物理化學作用可以促使夾矸層微裂隙起裂、擴展，并于天然裂隙貫通，降低巖體強度。采用裂隙視窗法，對試驗工作面不同區段的非來壓期間裂隙分布進行觀測統計，工作面各試驗區段裂隙分布情況如圖9，與正常回采區段相比，CO2耦合壓裂、常規水壓致裂裂隙度分別提高5.6 倍和3.0 倍，裂隙間距分別減小0.9 m 和0.4 m。表明CO2耦合壓裂可明顯增加夾矸層裂隙數量，并減小裂隙間距。

3.4.2 回采率分析

工作面不同區段回采情況統計如圖10。

圖9 工作面各試驗區段裂隙分布情況Fig.9 Distribution of cracks in each test section of working face

圖10 工作面不同區段回采情況統計Fig.10 Statistics of mining conditions in different sections of working face

由圖10（a）可知，工作面正常回采、常規水壓致裂與CO2耦合壓裂區段的平均回采率分別為71.4%、80.5%、89.0%；與正常回采區段及常規水壓致裂區段相比，CO2耦合壓裂區段工作面回采率分別提高了17.6%和8.5%。由圖10（b）可知，工作面正常回采、常規水壓致裂與CO2耦合壓裂區段的平均原煤產量分別為36 020、38 950、41 570 t/d；與正常回采區段及常規水壓致裂區段相比，CO2耦合壓裂區段平均原煤產量分別提高了5 550 t/d 和2 620 t/d。表明CO2耦合壓裂對夾矸破碎軟化效果顯著。

3.4.3 采煤機截割能耗分析

回采過程中試驗工作面不同區段采煤機材料消耗情況見表5。可以看出，與正常回采區段相比，CO2耦合壓裂區段與常規水壓致裂區段的截齒消耗量分別減小52.9%和22.1%；油脂消耗分別減小43.0%和29.9%；電量消耗分別減小45.2%和38.1%；其中CO2耦合壓裂區段截割能耗降低幅度最為明顯，說明CO2耦合壓裂使煤層中砂巖夾矸層充分破碎軟化，裂隙發育程度高，從而降低采煤機截割能耗。

表5 試驗工作面不同區段采煤機材料消耗情況Table 5 Cutting energy consumption of shearers in different sections of test working face

4 結 論

1）CO2水溶液溶蝕作用使得砂巖性質發生改變，主要表現在以下4 個方面：以方解石和白云石為主的碳酸鹽礦物含量顯著降低，斜長石和鉀長石降低幅度不大，石英和黏土礦物含量升高，黏土礦物中高嶺石含量增加幅度較大，膨脹作用增強；溶蝕后砂巖等孔隙含量增多、孔徑變大；孔隙度和滲透率增大；抗拉強度明顯降低。

2）CO2水溶液對砂巖夾矸產生化學損傷，溶蝕作用造成巖體微觀結構的變化，從而導致宏觀力學性質的弱化。室內壓裂物理模擬試驗中，采用CO2耦合壓裂的破裂壓力相比于常規水壓致裂降低了19.15%。砂巖CO2耦合致裂過程可分為3 個階段：孔腔充填階段、CO2-水-巖相互作用階段與致裂破壞階段。其中試樣破壞前的CO2-水-巖相互作用階段，CO2耦合溶液壓裂存在微裂隙的起裂與擴展，注入壓力表現出臺階式波動，最終產生宏觀裂隙。

3）對小保當煤礦112201 綜采工作面大范圍堅硬砂巖夾矸層進行現場壓裂試驗，將試驗區段分為正常回采區、常規水壓致裂區和CO2耦合壓裂區，提出工作面夾矸層CO2耦合壓裂系統工藝。現場壓裂試驗過程中，CO2耦合壓裂的起裂壓力比常規水壓致裂的起裂壓力降低20.8%；對試驗工作面不同區段的非來壓期間夾矸層裂隙分布進行觀測統計，CO2耦合壓裂區段裂隙度最大，裂隙間距最小。說明CO2耦合壓裂砂巖夾矸具有更低的起裂壓力，且形成的壓裂裂隙數量增多，裂隙網絡更為復雜。

4）通過開采驗證，相比于工作面正常回采區段和常規水壓致裂區段，CO2耦合壓裂區段工作面回采率分別提高了17.6%和8.5%，平均原煤產量分別提高了5 550 t/d 和2 620 t/d，并且CO2耦合壓裂區段采煤機截齒、油脂及電量消耗的降低幅度最為明顯。