煤層液態CO2 增滲技術研究

崔瑞清 高宏燁

（1.山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046002；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

我國煤層中瓦斯儲存方式以吸附為主，絕大多數高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井的煤層滲透率在2×10-8～1.617×10-14m2，傳統的頂底板穿層、順層鉆孔及巷道、卸壓抽采等技術對低透氣性煤層效果不大。為克服瓦斯積聚、瓦斯超限、瓦斯突出以及瓦斯爆炸給煤炭企業帶來的困難，解除煤層開采時的瓦斯威脅，必須先將煤層中高濃度瓦斯降到可采濃度以下。為此，國內外許多專家、學者在提高煤層透氣性系數、改進低透煤層抽采瓦斯技術方面進行了探索和嘗試。液態CO2相變致裂技術本身屬于物理致裂的一種，其作為新興的增透技術，具有安全、成本低、無污染、威力強大、操作簡單等優點。該技術通過對液態CO2進行化學加熱，使其體積急劇膨脹，瞬間釋放氣體膨脹從而壓裂鉆孔周圍巖體，以此提高滲透性[1-2]。同時，CO2比甲烷吸附能力更強，可以通過對吸附在煤體上的甲烷進行置換從而實現改善瓦斯抽采效果的目的[3]。鑒于此，本文通過模擬軟件優化液態CO2爆破參數，從而為改善瓦斯抽采效果提供相關的技術支持和理論支撐。

1 液態CO2 相變致裂模擬分析

1.1 模型構建

通過利用流- 固耦合算法，建立15 m×15 m×0.1 m 尺寸相應的三維數值分析模型，如圖1 所示。模型構建參數取自三元煤業3#煤層工作面煤巖物理力學參數，具體參數見表1。為所構建模型的前后表面及左右邊界設置相應的邊界條件，分別為Z 軸方向約束和X 軸方向約束，將3#煤層上方900 m 處的煤巖自重通過在模型頂部添加12 MPa 的均勻分布載荷來替代。

表1 煤巖物理力學參數

圖1 液態CO2 相變氣爆幾何模型（m）

1.2 致裂器間距的影響分析

分別對致裂器間隔為1 m、2 m、3 m 處的氣爆情況進行數值模擬分析，結果如圖2 所示。圖2（a）和（c）分別為致裂器間距為1 m 和2 m 的工況下，觀察其氣爆損傷區，發現在其250 步和280 步時首次出現損傷區域的接觸，在這兩種情況下氣爆損傷范圍不再發生擴大時的步數均為各自的第402 步，此時的時間是1.2 ms。因此在上述條件下繼續對3 m工況條件下進行模擬，直到爆炸持續到第402 步時，觀察液態CO2對致裂器周圍的煤巖體的相變氣爆[4]。

圖2 不同致裂器間距的煤巖損傷演變云圖

通過觀察云圖能夠了解到：在致裂器間距為1 m 的情況下，液態CO2致裂器相變氣爆后的圖（a）和（b）均出現煤巖壓碎區域（即Dlin∈[0.8-1.0]），說明致裂器附近的煤巖存在有較大損傷的情況。而且，致裂器之間的煤巖損傷系數主要集中于0.4～1.0 的范圍內，證明煤巖裂隙在歷經相變氣爆之后的發展較好，這對瓦斯的預裂抽采有較好的效果。但是由于存在破碎區采煤不方便的情況，1 m 的致裂器間距布置方式沒有達到理想的效果。

在致裂器間距為2 m 的條件下，煤巖在發生相變氣爆后的圖（c）和圖（d）中出現了裂隙擴展區域（即Dlin∈[0.3-0.4]），煤巖損傷系數（致裂器）主要集中于0.2～0.6 范圍內。與致裂器間距為1 m 時相比，隨著致裂器間距的增大，前后致裂器相變瓦斯爆炸區域的首次接觸時間推遲。在氣爆損傷區域不再繼續擴大的情況下，經過實地測量得到在y 軸方向上煤巖裂隙擴展區的凈長度為6.86 m，在間距為1 m的情況下，凈長度為5.84 m，也就是在軸向上煤巖裂隙擴展范圍增大了0.17 倍，致裂器之間的裂隙在該情況下能夠順利發展。

在致裂器間距為3 m 的情況下，致裂器之間Dlin∈[0.4-0.6]的裂隙延伸區不再處于完全貫通連通的狀態，且Dlin∈[0.2-0.4]的裂隙擴展區域的一小部分出現在Dlin∈[0-0.2]的煤巖擾動震蕩區。在裂縫貫通區發生變窄的情況下，與前兩組相比貫通效果較差，但依然能夠產生效果較好的裂隙，裂隙周圍的煤巖破壞區并不是彼此相對獨立的，主裂隙之間沒有滲透空白區。同時，通過對距離為2 m 和3 m 的煤巖損傷演變云圖進行觀察可以了解到，裂隙附近受相變瓦斯爆炸能量影響的煤巖破碎區域發生了改變，x 軸和y 軸上受能量影響區域的凈長度較大，兩者之差較小，該結果證實相變瓦斯爆炸后煤巖的損傷分布在壓裂裝置間距為2 m 和3 m 時更為均勻。

對三種情境下的氣爆損傷范圍進行了研究并通過實際測量得到了在不同致裂器間距下煤巖損傷演變云圖中的最大有效致裂半徑，具體結果見表2。

表2 不同致裂器間距的有效致裂半徑 m

由表2 可以看出，液態CO2相變氣爆后，在致裂器間距為3 m 時相較于間距為1 m 的情況下煤巖損傷半徑同比增大了35%。考慮單一情況下的最大裂縫效應，圖中最大有效裂縫半徑在三種情況下取平均值，實測有效裂縫半徑取前后壓裂裝置間距1 m 時半徑最大的地方。因此，表2 中的數據表明，有效致裂半徑與壓裂裝置間距無線性關系。忽略掉這一因素，通過對比壓裂裝置間距為2 m 和3 m 時的半徑和損傷云圖，可以發現壓裂裝置布置間距的增大直接增加了爆生能量影響范圍的軸向凈長度。同時，伴隨著爆生沖擊波超覆面積的不斷減小，能量更加有效地向壓裂裝置周圍的煤巖擴散，減少過碎煤巖的破碎面積。基于以上方面，通過合理地增加壓裂裝置布置間距可以對煤巖致裂半徑起到積極的促進作用。通過對致裂器間距在3 m 情況下的有效致裂半徑值進行觀察可以發現，在致裂器間距為4 m 的情況下，前后的致裂器之間無法形成貫通。

2 液態CO2 相變氣爆致裂技術工業試驗

2.1 鉆孔參數設計

在4301 工作面回風巷道距離切眼550 m 的位置鉆出1 個致裂鉆孔，并在鉆孔右側與其間隔為1.25 m、2.25 m、3.25 m 處再鉆3 個觀測鉆孔，如圖3所示的抽采效果測點鉆孔施工布置圖。在施工過程中隨時會有氣爆沖擊波的干擾，為避免該干擾的發生，需要在與3#觀測鉆孔相距30 m 的右向位置繼續增加一個鉆制抽放孔記為5#自然抽放孔，該鉆孔的設計詳細的參數見表3。采用3 m 作為軸向間距，本次抽采的時長為35 d，經過對前后兩次鉆孔位置得到的自然瓦斯涌出量進行對比，探究致裂器爆破優化主要參數之后氣爆的增透效果。

表3 鉆孔布置參數表

圖3 抽采效果測點鉆孔施工布置圖（m）

2.2 鉆孔自然瓦斯涌出特征

由鉆孔涌出的瓦斯量受到多種因素的影響，其中最主要的是最開始前的自然瓦斯涌出強度q0和瓦斯涌出流量的衰減系數α。α是隨著時間改變的，每個不同時間的鉆孔自然瓦斯流量測定出的數據根據式（1）進行非線性擬合回歸分析[5]。

式中：qt表示在t天時的鉆孔瓦斯流量，m3/min；q0表示起始的鉆孔瓦斯流量，m3/（min·100 m）；αl表示鉆孔瓦斯抽采的衰減系數與時間成反比，d-1；t表示鉆孔自排瓦斯時間，d。

選取布置圖3 中的4#位置的觀測孔和5#位置的自然抽采孔進行測定，測定好數據繪制出其瓦斯涌出量隨時間變化的趨勢圖，如圖4，用式（1）對數據進行非線性擬合最終獲得表4 中數據。

表4 4301 工作面煤層百米鉆孔瓦斯自然涌出結果

圖4 鉆孔百米瓦斯自然涌出特征圖

根據位置點4#觀測孔和位置點5#自然抽采孔百米鉆孔瓦斯涌出量衰減的變化，可以得出：在進行完試驗將液態CO2相變氣爆時，瓦斯涌出量的最大最小值都變大了，各個觀測鉆孔起始瓦斯涌出強度是無氣爆時的自然抽采孔的4.42 倍，說明氣爆對卸壓有重大的影響。由上述還可以得出氣爆之后自然瓦斯流量衰減系數也發生了極大的變化，由之前的0.038 6 d-1降低至0.009 12 d-1，瓦斯的流量衰減到76.37%，說明氣爆可以加長瓦斯抽采的時間。

3 結論

1）通過模擬得到液態CO2致裂器布置間距的增大對煤巖致裂效果起到了正向促進作用，并且致裂器間距為3 m 時致裂效果最佳。

2）液態CO2氣爆觀測鉆孔的起始瓦斯涌出強度是沒有氣爆能量的自然抽采孔的4.42 倍，瓦斯流量衰減降幅達到76.37%。