高壓CO2預裂增透解吸技術在松軟厚煤層的應用

郝瑞云

(1.山西山煤國源煤礦安全技術有限公司,山西 太原 030006；2.山西煤炭進出口集團 科學技術研究院有限公司，山西 太原 030006)

傳統本煤層平行鉆孔瓦斯抽采技術對松軟厚煤層透氣性改善影響小，煤層中瓦斯解吸少，導致瓦斯治理效果差，同時平行鉆孔抽采技術存在人力材料消化多，瓦斯抽采效率低等問題，嚴重影響礦井的生產銜接[1-2].研究表明，提高松軟厚煤層瓦斯治理效果關鍵是要增加煤層透氣性，提高瓦斯解吸量，將煤層中的瓦斯吸附態變為游離態[3-4].因此，煤層增透技術成為松軟厚煤層提高瓦斯抽采濃度，提升瓦斯治理效果的主要研究方向。

以霍爾辛赫煤礦松軟厚煤層為背景，圍繞提升鉆孔瓦斯抽采效果，采用數值模擬及現場試驗，分析論證CO2預裂增透技術在松軟煤層中的可行性及應用效果。

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦3#煤層埋深495～525 m，煤厚4.49～7.17 m，平均5.65 m，構造較簡單，屬于穩定煤層。3#煤層瓦斯含量為3.49～15.79 m3/t，透氣性系數為0.090 6～0.202 8 m2/(MPa2·d)，屬低透氣性難抽—可抽煤層。預裂孔直徑94 mm，為計算域中心。預裂管長度為1.5 m，CO2質量為1.5 kg.根據上述條件建立了CO2預裂有限差分數值模型，煤層鉆孔采用摩爾庫倫本構模型。上覆巖層重量由模型頂部施加均布載荷實現，鉆孔在等圍壓作用下變形破壞，對鉆孔裂隙擴展進行動力計算，其余邊界設置為粘彈性自由邊界場[5-6].巖石物理力學性質見表1.

表1 巖石物理力學性質表

2 數值模擬分析

該次CO2預裂數值模擬主要考慮不同作用時間段、煤層地應力及普氏系數3方面因素，分析預裂圍巖塑性區變化及應力分布特征，驗證分析預裂效果。

2.1 不同時刻對應的應力變化特征

模擬不同時刻CO2預裂作用下的應力分布情況，分析應力隨時間的變化特征，見圖1.

從圖1可知，在CO2預裂作用下，圍巖的應力隨時間的延續處于動態變化中。在10～60 ms，圍巖應力變化為集中區減小，卸載區擴大，說明CO2預裂對圍巖產生了一定破壞。而應力集中區和卸載區變化較小，表明CO2預裂對煤層圍巖產生一定破壞實現增透效果，但不會影響巷道的穩定性[7-8].

圖1 不同時刻對應的應力特征圖

2.2 地應力的影響

研究表明,地應力對圍巖裂隙的發育可以起到抑制作用。模擬施加10 MPa與30 MPa地應力，研究分析在CO2預裂作用下不同地應力對應的塑性區的變化情況，見圖2.

圖2 不同地應力對塑性區的影響圖

從圖2可知，地應力為10 MPa 較地應力為30 MPa，CO2預裂影響區域較大。而地應力增加為30 MPa 時，圍巖應力集中區增加，應力卸載區減小，CO2預裂影響范圍有所減少。模擬結果驗證了地應力的存在對裂隙的發育起到阻礙作用，通過煤層卸壓可以增加預裂的效果。

2.3 煤體普氏系數的影響

煤體不同普氏系數影響原始裂隙發育程度。模擬0.1與0.7煤層普氏系數，研究分析在CO2預裂作用下不同普氏系數對應的煤層塑性區的變化情況，見圖3.

圖3 普氏系數對塑性區的影響圖

從圖3可知，隨著煤體硬度的增加，CO2預裂作用下煤層塑性區也隨之增加。原因為煤體普氏系數小，煤層在地應力作用下圍巖松軟，原始裂隙發育較高，CO2預裂產生的沖擊波衰減速率快，預裂作用效果不明顯。當煤體普氏系數增加時，CO2預裂產生的沖擊波增加了圍巖裂隙的發育，但隨著普氏系數增加到一定數值時，預裂影響范圍基本保持穩定。

3 現場試驗

2020年在3803運輸順槽西幫960 m、980 m、100 m和120 m處分別施工3個CO2預裂增透預抽鉆孔，編號1#—3#，以及一個未預裂增透的預抽鉆孔，編號為4#.預裂孔距巷道底板1.5 m，預裂深度90 m,預裂孔間距為20 m，孔深120 m，孔徑約為113 mm，傾角0°，方位角275.3°.

在進行抽采的33天里，對試驗地點CO2預裂鉆孔及抽采鉆孔的抽采瓦斯純量和濃度的數據進行采集分析，結果見圖4—9.

圖4 1#、4#鉆孔抽采瓦斯濃度對比圖

圖5 2#、4#鉆孔抽采瓦斯濃度對比圖

圖6 2#、4#鉆孔抽采瓦斯濃度對比圖

圖7 1#、4#鉆孔抽采瓦斯純量對比圖

圖8 2#、4#鉆孔抽采瓦斯純量對比圖

圖9 3#、4#鉆孔抽采瓦斯純量對比圖

1)CO2預裂爆破之前試驗地點煤層瓦斯含量為12.97 m3/t，抽采33天后，煤層瓦斯含量為7.05 m3/t，降低了45.6%.相較于4#鉆孔抽采濃度最高9.6%，1#、2#和3#鉆孔的抽采濃度分別提高到預裂前的4.18倍、3.67倍和3.05倍。

2)1#、2#和3#鉆孔瓦斯抽采純量最高分別為0.33 m3/min、0.61 m3/min和0.32 m3/min，分別是預裂前的1.96倍、3.7倍和1.95倍。經過33天抽采之后，4#未預裂預抽孔共抽采瓦斯3 116.41 m3，平均每天抽采94.43 m3；1#預裂預抽孔共抽采瓦斯4 546.53 m3，平均每天抽采137.77 m3，較4#預抽孔提高了46%；2#預裂預抽孔共抽采瓦斯5 420.63 m3，平均每天抽采164.26 m3，較4#預抽孔提高了73%；3#預裂預抽孔共抽采瓦斯4 684.88 m3，平均每天抽采瓦斯141.96 m3，較4#預抽孔提高了50%.

3)順槽長度按1 000 m、鉆孔深度120 m計算，預裂前鉆孔間距2 m，則需施工500個鉆孔，每套封孔器單價1 600元，鉆孔單價60元/m，則總計成本為440萬元。預裂后，每50 m施工一個預裂鉆孔，則需施工20個預裂孔(兼做抽采孔)，預裂孔總價為100萬元，鉆孔間距3 m，則需施工333個抽采孔，抽采孔總價為293.04萬元，則總成本為393.04萬元，共計能夠節約成本46.96萬元。

4 結 論

1)通過CO2預裂試驗，抽采33天后，試驗地點煤層瓦斯含量由12.97 m3/t降為7.05 m3/t，降低了45.6%.相較于未預裂鉆孔抽采濃度最高9.6%，采用CO2預裂鉆孔平均最高抽采濃度為34%，提高3.63倍。

2)采用CO2預裂鉆孔瓦斯抽采純量最高值平均為0.42 m3/min，較預裂前的0.42 m3/min提高了2.53倍。經過33天抽采，未預裂鉆孔抽出瓦斯3 116.42 m3，平均抽采瓦斯94.43 m3/d；預裂鉆孔平均抽出瓦斯4 884.01 m3，平均每天抽采瓦斯148 m3/d.

3)采用CO2預裂瓦斯抽采技術相較于傳統本煤層預抽鉆孔，在提高瓦斯抽采效果同時，每個回采工作面可節約成本46.96萬元，實現了礦井的本質安全和降本增效。