氣相壓裂技術在低透氣性煤層巷道瓦斯治理中的應用★

張海東

（山西工程技術學院，山西 陽泉 045000）

引言

礦井瓦斯突出一直嚴重威脅我國煤礦安全生產，若回采煤層為透氣性差、突出危險性大的煤層時，會面臨較大的瓦斯治理壓力[1-3]。為了消除礦井高突低透危險性問題，我國專家學者進行了大量研究工作，主要圍繞煤層突出危險性方面展開[4-6]。研究方向有：

1）水力化措施增強煤層透氣性，包括水力壓裂和水力割縫措施。

2）CO2致裂增透技術增強煤層透氣性。

3）瓦斯治理綜合技術措施，增透措施結合合理通風[7-13]。

之前的研究主要針對具體礦井進行工程實例研究，或關于礦井瓦斯運移規律進行研究，關于具體礦井瓦斯運移規律及治理措施合理選擇方面的研究較少。

貴州中嶺煤礦11034 工作面運輸順槽掘進過程中，瓦斯抽采長期無法達標，為解決該巷道瓦斯災害問題，對現場煤層地質情況及透氣性進行分析，采用數值模擬的方法對抽采區域瓦斯抽采情況進行分析，選擇合適致裂增透措施增加煤層透氣性，進行增透措施效果考察。

1 工程概況

11034 工作面主采煤層為3 號，煤層平均厚度3 m，煤層原始瓦斯含量為18 m3/t。煤層頂板為砂質泥巖，平均厚度12 m，煤層底板為泥巖，平均厚度16 m。11034 工作面走向長度870 m，切眼長度180 m，工作面采用走向長壁綜合機械化走向長壁開采。目前工作面處于掘進狀態，工作面尚未貫通。11034 運輸順槽掘進至120 m，巷道掘進瓦斯抽采預抽14 d 后，進行K1值和殘余瓦斯含量檢測，檢測結果如表1 所示。抽采鉆孔、取樣鉆孔設計如圖1 所示，鉆孔參數如表2所示。根據殘余瓦斯含量和K1值，抽采14 d 后，掘進區域殘余瓦斯含量均>臨界值8 m3/t，K1值均>臨界值0.5 mL/（g·min1/2），抽采不達標。

表1 K1 值及殘余瓦斯含量檢測表

表2 鉆孔參數表

2 瓦斯抽采分析

2.1 瓦斯抽采情況分析

為分析瓦斯治理過程中基本情況，對11034 運輸順槽掘進區域主管路瓦斯抽采濃度和流量進行監測，監測周期為14 d。監測結果如下頁圖2 所示。

由圖2 可知，瓦斯抽采管路抽采濃度整體衰減較快，最大瓦斯濃度（體積分數，下同）為30%，14 d 后衰減到2%。抽采流量整體衰減速度較快，抽采初始最大抽采流量為2.1 m3/min，抽采時間持續14 d 后抽采流量衰減到0.3 m3/min。出現瓦斯濃度和流量衰減的主要原因為煤層透氣性差，抽采鉆孔施工完成后，抽采半徑比較小，鉆孔周邊的裂隙范圍比較小，因此出現抽采一段時間后濃度、流量衰減比較大的現象。

2.2 數值模擬及分析

瓦斯抽采效果差的主要原因為煤層透氣性差，導致抽采半徑小，為研究3 號煤層瓦斯抽采半徑，現對該區域瓦斯抽采半徑進行數值模擬研究。本次數值模擬采用耦合模擬軟件COMSOL Multiphysics。由于煤層是多孔介質，瓦斯在煤層中以游離態和吸附態存在，瓦斯抽采半徑研究必須考慮煤體和瓦斯雙介質的共存特征。該區域煤體低溫較小，無煤層自燃現象，因此，不考慮溫度對煤體滲流規律的影響，本次選用流固耦合模塊。假設3 號煤層為均勻多孔介質，僅考慮煤層中瓦斯滲流，不考慮煤層中水滲流的影響。現場取3 號煤層樣本帶到實驗室，測試相關模擬參數。邊界地應力為20 MPa。假設鉆孔周邊抽采負壓均勻，皆為101 kPa，模擬得出鉆孔周邊瓦斯含量分布情況及2 號鉆孔10 m 位置周邊瓦斯含量曲線如圖3 所示。

由圖3 可知，11034 運輸順槽前方存在瓦斯抽采空白帶，根據圖3-1 瓦斯含量分布云圖可知，11034運輸順槽前方0～40 m 范圍，巷道設計掘進輪廓線左、右幫15 m 范圍存在煤層瓦斯含量和原始瓦斯含量相等（即未抽采區域），40～100 m 范圍，抽采鉆孔之間存在未抽采區域，鉆孔孔底位置抽采空白帶面積最大。瓦斯抽采過程中，鉆孔內部抽采負壓會存在壓降現象，因此，孔底位置抽采空白帶面積最大。通過瓦斯含量分布云圖，可定性分析瓦斯抽采空白帶分布位置及變化情況。

為確定瓦斯抽采半徑，需對鉆孔周邊瓦斯含量進行定量分析，定量分析如圖3-2 所示。0～1 m 區間范圍，瓦斯含量與孔壁距離呈現線性遞增趨勢，1 號、5號鉆孔遞增量和遞增速度均比2 號、3 號、4 號鉆孔大，1 號、5 號鉆孔在1 m 位置瓦斯含量達到18 m3/t（即原始煤層瓦斯含量），2 號、3 號、4 號鉆孔1 m 位置瓦斯含量為14 m3/t，在5 m 位置點瓦斯含量到達原始煤層瓦斯含量。由于1 號鉆孔、5 號鉆孔一側均無抽采鉆孔，不會出現瓦斯抽采互相影響區域。2 號、3號和4 號鉆孔抽采兩側均存在抽采鉆孔，會出現瓦斯抽采區域耦合現象。因此，將1 號鉆孔、5 號鉆孔周邊瓦斯含量情況作為單個鉆孔抽采半徑依據較為可靠。礦井瓦斯抽采影響半徑為0～1 m，根據2 號、3 號、4號鉆孔周邊瓦斯含量增大的速度可知，鉆孔兩側均有抽采鉆孔的情況下，在瓦斯抽采有效范圍內形成了能量耦合的現象，從而增加了瓦斯抽采有效范圍。巷道前面40～100 m 范圍內存在未擾動區，100 m 位置鉆孔終孔位置抽采影響區域極小。

通過綜合分析，目前11034 運輸順槽存在抽采效果差、抽采濃度低、抽采流量小的現象，抽采濃度和抽采流量衰減快、抽采半徑小的問題。解決該問題的主要方式為增加煤層瓦斯抽采半徑。

3 致裂增透措施及效果考察

根據目前抽采情況分析，煤層透氣性差，抽采濃度、抽采流量衰減比較快，需要實施致裂增透措施，由圖3 可知，能量耦合效果最大影響范圍為4 m，因此，考慮最終增透效果，將致裂增透措施鉆孔終孔間距控制在6 m 范圍內。

我國目前被廣泛應用的增透技術有CO2致裂增透技術、水力壓裂技術、水力割縫技術和深孔預裂爆破技術等。水力化措施使用的主要設施有加壓泵站、水倉，設備比較大，工序較為繁瑣，靈活性較差。深孔預裂爆破技術需要使用炸藥、雷管等爆破用品，使用過程中需要專業爆破人員進行現場實施，裝藥過程中一旦塌孔，將炸藥留置在鉆孔中極易形成危險源。CO2致裂增透技術所使用的介質為液態CO2，將液態CO2存儲在致裂器中，通過快速釋放CO2，產生應力波，最終起到增透作用。同時CO2可以置換出瓦斯氣體，對于瓦斯抽采具雙重作用。綜上所述，基于安全因素、可操作性等，選用致裂增透措施為CO2致裂增透技術。

3.1 CO2 致裂增透技術

研究表明：CO2在7.2 MPa、31 ℃情況下以液態形式存在，60 kJ 的能量可以將1 kJ 的液態CO2汽化。溫度超過31 ℃時，液態CO2在40 ms 內汽化，汽化過程中會產生高壓波，對煤層產生致裂增透效果，提高瓦斯抽查效率。CO2對煤炭具有吸附作用，吸附特性高于瓦斯氣體的吸附能力，實驗研究表明CO2對煤層的吸附能力是瓦斯的4 倍。

CO2致裂增透措施使用的設備如圖4 所示。每根致裂器長度2 m，安裝到致裂鉆孔中，每個鉆孔安裝致裂器14 根，致裂孔設計如圖5 所示，鉆孔參數如表3 所示。

表3 致裂孔參數表

工程實施步驟：致裂器組裝→液態CO2氣體充裝→井下安裝→起爆致裂。

1）致裂器組裝：致裂增透設備主要有充氣閥、主管、發熱裝置、泄能閥和電極。各部件按照組裝順序進行組裝，每次組裝必須檢查電路并進行導通工序。

2）液態CO2氣體充裝：CO2致裂器設備充填裝置有空壓機、增壓泵、充裝架和液態CO2鋼瓶等。

充裝流程：使用增壓泵將液態CO2進行加壓后填充到特質致裂器儲液管中，致裂器儲液管內液態CO2壓力保持在8～10 MPa 之間。

3）井下安裝：將致裂器運輸到井下作業位置點，井下連接安裝。致裂器收尾按照次序依次連接，每連接一節均需要檢查電路，確保致裂器連接完畢后無電路故障。

推入孔內的致裂器必須達到設計數量要求，推送完畢后將封孔器和致裂器連接，封孔器尾部連接高壓管路，同時推送入孔內，推送過程中防止高壓管路和連接線斷裂。使用的爆破線放置在頂桿上部，推進過程中隨著頂桿一起送入。當致裂器推送到設計深度后停止推送作業。孔內所有設備連接完成，致裂器推送到位，測量線路導通情況，確定線路通暢后，使用高壓打壓管路至注水壓力泵，觀測管路壓力，封孔壓力為6～8 MPa，注水壓力達到設定的壓力后調試頂桿，設置頂桿軸力阻力，致裂器整體固定完畢。

4）起爆致裂：致裂器固定完畢后，測量電路導通后，使用礦用低壓（9 V）起爆器啟動致裂裝置，起爆作業完成后，觀測周邊觀察孔內瓦斯壓力情況，為保證CO2釋放效果，致裂器起爆后封孔器不立即卸壓，保壓15 min 左右，以保證致裂增透效果。

起爆后，CO2溫度不斷升高且壓力持續增大，突破了CO2的氣液變化臨界點（31 ℃、7.35 MPa），管內CO2由氣—液兩相轉化為次臨界狀態及超臨界狀態。主管內急劇升高的壓力最終達到定壓剪切片極限強度（可設定），高壓CO2沖破定壓剪切片從釋放管釋放，瞬間噴出的超臨界CO2在煤體內產生了以應力波和爆生氣體為主要動力的破煤能量。在應力波作用下，介質質點產生徑向位移，由此在煤體中產生徑向壓縮和切向拉伸，當切向拉伸應力超過煤的抗拉強度時，會產生徑向裂隙。在應力波向煤體深部傳播的同時，爆生氣體緊隨其后迅速膨脹，進入由應力波產生的徑向裂隙中，由于氣體的尖劈作用，使裂隙繼續擴展。隨著裂隙的不斷擴展，爆生氣體壓力迅速降低。當壓力降到一定程度時，煤體開裂的應力因子小于煤體的斷裂韌性，裂隙停止擴展。最終，在鉆孔周圍形成一片透氣性高、裂隙發育的區域，從而達到致裂爆破的目的。

3.2 效果考察

致裂增透后在原抽采設計基礎上施工瓦斯抽采鉆孔，對2 號鉆孔瓦斯抽采濃度、抽采流量進行為期30 d 的考察，考察結果如下頁圖6 所示。

由下頁圖6 可知，在為期30 d 的瓦斯抽采濃度、抽采流量效果考察過程中發現，最大瓦斯抽采濃度為96%，最小抽采濃度為85%，60 d 衰減率為9%。抽采流量波動較小，最大抽采流量為3 m3/min，最小抽采流量為2 m3/min。抽采效果明顯提高，和未實施致裂增透措施前對比，最大抽采濃度增加了2.2 倍，整體抽采流量波動比較小，增透措施效果明顯。CO2致裂增透措施措施實施過程中未出現安全問題，技術措施安全可靠。

4 結語

為系統研究低透氣性煤層瓦斯治理問題，采用數值模擬運算計算抽采半徑，跟蹤考察抽采參數變化，實施致裂增透措施，并進行后期效果考察，得到以下結論：

1）原始煤層透氣性差，抽采效果差，最大抽采濃度30%。

2）數值模擬研究結果顯示原始煤層抽采半徑為1 m，抽采半徑較小。

3）實施CO2致裂增透措施后，抽采濃度提高了2.2 倍，增透效果明顯。

CO2致裂增透技術有效解決了低透氣煤層抽采困難的問題，研究結果和研究方法對于其他礦井瓦斯治理具有一定指導意義和現實意義。