玉溪煤礦CO2氣相爆破預裂增透試驗研究

李 棟

(山西蘭花科技創業股份有限公司,山西 晉城 048000)

高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯強化抽采對于提高采煤工作面抽采效果、減少瓦斯抽采達標時間、提高礦井經濟效益具有重要意義[1-3]。傳統強化抽采的主要方式為水力割縫、水力沖孔、水力壓裂。采用水動力介質強化抽采的方式容易造成糊鉆和水體排出困難等問題,為抽采鉆孔的穩定性埋下隱患,水體排出困難會影響瓦斯的解析與抽采[4-6]。

CO2預裂增透利用物理變化,將CO2作為增透和驅替介質,爆破過程中不會產生水和有害氣體,同時還可以提高瓦斯的抽采效率、降低抽采成本,是一種高效、經濟、適用范圍廣的增透新方法[7-8]。在碳基吸附劑中,CO2具有更強的吸附能力,且比甲烷、氮氣擴散得更快,因此CO2適用于驅替煤層中的甲烷[9-10]。

1 二氧化碳致裂原理

二氧化碳致裂器利用液態二氧化碳吸熱氣化膨脹,壓力瞬間上升的原理,在達到目標壓力后瞬間釋放高壓氣體進行破巖、致裂。致裂器體積小,便于運送,使用過程安全可靠,釋放壓力可控,可廣泛應用于煤礦、非煤礦山、工業物料清堵、水下爆破、城市市政建設等領域。

在二氧化碳致裂器的儲液管內充裝液態二氧化碳,啟動加熱裝置產生熱量,使儲液管內液態二氧化碳瞬間氣化,體積膨脹約600倍,壓力急劇升高,當管內壓力達到定壓剪切片極限強度時,高壓氣體沖破定壓剪切片,利用瞬間產生的強大推力,沿自然裂隙或爆生裂隙沖破物料,從而達到致裂(爆破)的目的。定壓剪切片是控制泄能壓力的部件,可以通過更換使用不同規格的剪切片從而控制釋放壓力,目前最大釋放壓力可達250 MPa。

1—充裝閥;2—加熱裝置;3—儲液管;4—密封墊;5—定壓剪切片;6—釋放管圖1 致裂器結構示意圖Fig.1 Cracker structure

致裂器里面的液態二氧化碳通過儲存罐來儲存,然后使用充裝機將液態二氧化碳壓入到致裂器中。因此,致裂器可以通過致裂與充裝實現反復應用。

2 致裂試驗方案

2.1 工作面概況

山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司(簡稱“玉溪煤礦”,下同)位于山西省南部、樊莊普查區的東南部,井田面積26.147 km2,設計生產能力為240 萬t/a,主采3號煤層,服務年限41.7 a。根據山西省煤炭工業廳《關于山西亞美大寧能源有限公司大寧煤礦和山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司突出礦井認定的批復》(晉煤瓦發〔2012〕512號文),玉溪煤礦批復為煤與瓦斯突出礦井。

1301工作面是玉溪礦首采工作面,煤層平均厚度5.85 m,巷道掘進工作面高3.8 m,寬5.8 m,工作面走向長度1 250 m,傾向長度200 m,工作面采用“兩進三回”“U”型通風方式。掘進工作面布置有2條底抽巷,采用穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯措施進行1301工作面進風順槽、回風順槽、切眼的區域防突。回采工作面設計采用順層鉆孔作為區域防突措施。在1301工作面的未施工抽采鉆孔的300 m范圍進行預裂增透,以提高抽采效率。

2.2 鉆孔布置

1)切眼工作面長度200 m,運輸順槽正在抽采的鉆孔深度120 m左右,為保證不會在實施預裂的過程中與對面鉆孔擊穿,中間保留10 m的隔離帶。

2)在靠近原有抽采鉆孔開始打鉆時,第一個預裂鉆孔要與原有抽采鉆孔保持10 m間隔,防止在預裂過程中擊穿。

3)預裂鉆孔開孔高度為1.5～1.8 m,共設計21個鉆孔,鉆孔平均分布，間隔13.3 m。預裂鉆孔深度68～70 m,與抽采鉆孔保留10 m隔離距離。

2.3 施工工藝

2.3.1鉆頭及鉆孔

1)采用94 mm鉆頭打鉆孔,要保證鉆孔質量,尤其是從孔口開始前30 m,鉆孔內壁不能有劃痕,否則會造成鉆孔密封不嚴而漏氣,嚴重時甚至導致無效果。

2.3.2具體施鉆參數

壓裂鉆孔參數如下:

1)鉆孔直徑:94 mm。

2)壓裂鉆孔深度:68～70 m。

3)開孔高度:施工前由我公司技術人員現場確認,選擇硬煤分層布置鉆孔,一般距煤層底板1.5～1.8 m。

4)壓裂孔角度:垂直于工作面煤壁且平行于巷道頂板,傾角為煤層傾角+1°。

5)壓裂管：20～25根/孔。

6)壓裂時封孔器封孔深度：12～15 m。

7)壓裂段:15～60 m(根據鉆孔深度及壓裂桿入孔數量變化)。

8)壓裂鉆孔抽采階段應采用兩堵一注膨脹水泥封孔,長度12 m。

值得注意的是施工過程中根據鉆機能力及地質條件等因素的變化,鉆孔深度、開孔高度、壓裂桿數量可適當調整。

2.3.3封孔

實施預裂后要及時對預裂鉆孔進行兩堵一注封孔抽采,封孔深度和負壓按照礦方的相關規定執行,整個預裂工程實施完畢后2～3 d可以進行兩邊抽放孔的補孔工作。

3 效果評價與分析

3.1 預裂對周圍鉆孔抽采效果影響

對離21#預裂孔最近的第10組抽放單元的瓦斯濃度與流量進行分析,單孔瓦斯體積分數變化如圖2所示,抽采管路瓦斯體積分數和流量變化如圖3所示。對離1#預裂孔最近的第14組抽放單元的瓦斯體積分數與流量進行分析,單孔瓦斯體積分數變化如圖4所示,抽采管路瓦斯體積分數和流量變化如圖5所示。預裂后大部分鉆孔的單孔抽采濃度都有所提高。第10組抽放單元總管的瓦斯體積分數在預裂前后由31%提高至45.3%,抽采混量由1.41 m3/min增長至1.73 m3/min。第14組抽放單元總管的瓦斯體積分數在預裂前后由44%提高至59.2%,抽采混量由4.98 m3/min增長至5.56 m3/min。

圖2 第10組鉆孔預裂前后瓦斯抽采體積分數對比Fig.2 Extraction volume concentration comparison before and after pre-splitting the 10th group of drilling holes

圖3 第10組鉆孔抽采管路預裂前后瓦斯抽采效果Fig.3 Extraction effect before and after pre-splitting of extraction pipelines of the 10th group of drilling holes

圖4 第14組鉆孔預裂前后瓦斯抽采體積分數對比Fig.4 Extraction volume concentration comparison before and after pre-splitting of the 14th group of drilling holes

圖5 第14組鉆孔抽采管路預裂前后瓦斯抽采效果Fig.5 Extraction effect before and after pre-splitting of extraction pipelines of the 10th group of drilling holes

為了考察不同距離對驅替效果的影響規律,定義瓦斯抽采體積分數提升率,用η表示。其計算公式如下:

式中:φ1表示預裂前瓦斯抽采體積分數,%;φ2表示預裂后瓦斯抽采體積分數,%。

如圖6所示，第10組鉆孔中1#孔距離21#預裂孔10 m，1#鉆孔至15#鉆孔按孔間距1 m順序遞增式遠離21#預裂孔方向布置。可以看出，隨著距離的增加，瓦斯抽采體積分數提升率先增大后減小。根據圖中反映的第10組鉆孔預裂后抽采濃度提升率趨勢，距離預裂鉆孔14～16 m時，瓦斯體積分數提升率最高。

圖6 第10組鉆孔預裂后瓦斯抽采體積分數提升率Fig.6 Extraction concentration increase rate after pre-splitting the 10th group of drilling holes

如圖7所示,第14組鉆孔中1#孔距離1#預裂孔10 m，1#鉆孔至15#鉆孔按孔間距1 m順序遞增式遠離1#預裂孔方向布置。可以看出，隨著距離的增加，瓦斯抽采體積分數提升率總體趨勢也是先增大后減小，距離預裂鉆孔14～17 m時，瓦斯濃度提升率最高。

圖7 第14組鉆孔預裂后瓦斯抽采體積分數提升率Fig.7 Extraction concentration increase rate after pre-splitting the 14th group of drilling holes

3.2 預裂孔抽采效果評價

1301回風1巷預裂孔濃度變化情況:1#孔預裂后瓦斯體積分數為10%,一周后升高至40%,隨后衰減至5%;3#、6#、13#、17#、21#孔預裂后瓦斯體積分數在50%～60%之間,一周后衰減至20%;其他預裂孔預裂后瓦斯體積分數在80%～90%之間,一周后瓦斯體積分數仍在70%以上,目前瓦斯體積分數在50%左右。一周內的平均瓦斯體積分數如圖8所示。

圖8 預裂鉆孔瓦斯抽采平均體積分數Fig.8 Average gas extraction volume fraction of pre-splitting boreholes

為了對比預裂孔本身預裂后對自身抽采效果的影響,對預裂鉆孔的平均濃度分布進行統計分析并與鉆孔未預裂前的瓦斯濃度分布進行對比。如圖9所示,選取的21個預裂鉆孔瓦斯體積分數超過48%的大于10個,達到50%以上。如圖10所示,21個常規鉆孔沒有預裂前,有50%的鉆孔瓦斯抽采體積分數沒有超過50%,說明了預裂鉆孔不僅僅對周圍鉆孔瓦斯抽采具有增強作用,對其本身的瓦斯抽采亦具有提升作用。

圖9 預裂鉆孔瓦斯抽采體積分數分布Fig.9 Gas extraction volume fraction distribution curve of pre-splitting drilling holes

4 結束語

1)二氧化碳氣相爆破預裂不僅能夠提高自身抽采濃度,更能夠提高壓裂周圍單組瓦斯抽采濃度和抽采量。玉溪煤礦1301工作面試驗結果表明:第10組抽放單元總管的瓦斯體積分數在預裂前后由31.0%提高至45.3%,抽采混量量由1.41 m3/min增長至1.73 m3/min；第14組抽放單元總管的瓦斯體積分數在預裂前后由44.0%提高至59.2%,抽采混量由4.98 m3/min增長至5.56 m3/min。

2)預裂較小范圍內瓦斯被驅替,提升效率有限,但是隨著預裂范圍擴大,裂隙發育和驅替能力減小,瓦斯抽采濃度提升率有一個最值區間,在該區間之外提升效果不明顯,對于玉溪煤礦3#煤層該區間位于距離壓裂鉆孔14～17 m范圍內。