突出煤層回采面CO2 致裂二次強化增透瓦斯抽采技術(shù)研究

李明LI Ming；甘路軍GAN Lu-jun；徐金國XU Jin-guo；劉麗凱LIU Li-kai；倪學(xué)寧NI Xue-ning；郭帥房GUO Shuai-fang

（①山西和順天池能源有限責(zé)任公司，晉中 032700；②河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，焦作 454000）

0 引言

我國高瓦斯突出礦井廣泛分布，其瓦斯治理面臨巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。近年來國內(nèi)外開發(fā)出密集鉆孔、多項水力化措施、驅(qū)替抽采、深孔爆破等技術(shù)[3-7]，在一定程度上解決了煤礦瓦斯治理技術(shù)難題，但不同技術(shù)適用于不同的瓦斯地質(zhì)條件。CO2作為一種新型破煤巖手段，具有安全性能高、操作簡便、威力巨大等特點域[8]。該技術(shù)引入中國后，經(jīng)多次研究與試驗[9-11]，其具有的造縫、卸壓、增滲的特點在煤礦采掘工程中取得了顯著效果[12-14]。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用液態(tài)CO2致裂技術(shù)，可以降低瓦斯突出風(fēng)險，提高瓦斯抽采效率，提高礦井的可持續(xù)開采能力。但在低滲難抽煤層密集鉆孔區(qū)域?qū)嵤〤O2致裂技術(shù)，在國內(nèi)外鮮有研究，本文對天池煤礦已抽采兩年的15604工作面進行了二次強化增透瓦斯抽采試驗，對比分析抽采鉆孔參數(shù)，探究在煤礦安全生產(chǎn)中CO2致裂二次強化技術(shù)所起到的增滲、卸壓、提高抽采速度的重要意義。

1 研究區(qū)概況

山西和順天池公司主采15 號煤層，位于太原組下段中下部，采掘生產(chǎn)主要集中在六采區(qū)，全區(qū)劃分為煤與瓦斯突出危險區(qū)。煤層埋深在83.78～602.96m，平均330.92m，厚度在0.45～5.71m 之間，平均4.18m。

15 號煤層在靠近頂板處煤層松軟，瓦斯含量較高，下部煤層較為堅硬，瓦斯含量稍低，煤層中間分布的薄層夾矸阻礙了抽采過程中的瓦斯?jié)B流。604 工作面實施了順層密集鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯（抽采鉆孔分別在運輸順槽和回風(fēng)順槽垂直巷壁平行布置，鉆孔間距為1.5m，孔徑94mm，鉆孔長度110m）。但是，15 號煤層瓦斯含量高（瓦斯含量最大為16.64m3/t）、低滲透（0.02mD）、難抽采，抽采兩年后，在回采割煤時，瓦斯仍異常涌出，安全狀況嚴峻。并且隨著采區(qū)向深部延伸，煤層瓦斯含量越來越大，在常規(guī)瓦斯抽采方法情況下需要抽采的時間越來越多。

現(xiàn)需在15604 回采面進行CO2致裂二次強化增透瓦斯抽采技術(shù)研究，在已經(jīng)抽采兩年的密集鉆孔區(qū)域內(nèi)中形成更加復(fù)雜的裂縫卸壓圈，消除局部應(yīng)力集中，降低瓦斯壓力，提高瓦斯抽采效率，進而保障回采工作面的安全生產(chǎn)。

2 CO2 致裂試驗方案

2.1 CO2 致裂工藝

CO2致裂裝置由充氣閥、儲液管、噴氣閥、加熱器、剪切片、密封墊等組成，作為一種煤層致裂增滲防突技術(shù)；圖1 為CO2致裂結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 氣相壓裂裝置結(jié)構(gòu)示意圖

①高壓管，采用熱處理的空心高強度鋼管構(gòu)成，管道的兩端設(shè)有注液孔和排放孔。高壓管堅固耐用，可重復(fù)使用超過15 年。

②充氣閥，包括六角定位錐形螺釘閥門和兩個連接引燃導(dǎo)線的電極等，該部分有充氣、放氣和接通電源功能。

③噴氣閥，安裝在高壓管前端，上有8-16 個孔，用于高壓氣體噴出。

④剪切片，爆破片在氣相壓裂裝置中主要用于控制爆破壓力，一旦高壓管內(nèi)氣相壓力超過爆破片的強度，爆破片就發(fā)生破壞，氣體從而得到釋放。一般采用的是剪切型爆破片，這種爆破片結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便。爆破片使用前要進行標定，根據(jù)不同的爆破壓力選用合適的爆破片。為保證密封效果，在爆破片和爆破筒主體之間加入起密封作用的銅墊片。

⑤加熱器，內(nèi)裝化學(xué)物質(zhì)，用于高壓管內(nèi)液態(tài)氣體加熱增壓引爆；當電極接通電流時，增壓器內(nèi)化學(xué)物質(zhì)發(fā)生快速反應(yīng)放熱增壓，即刻引爆高壓管，使氣體噴出。

⑥啟爆器，用于引爆增壓器和高壓管內(nèi)氣體。

采用煤礦井下鉆孔施工鉆機，配套工裝，完成CO2致裂瓦斯治理設(shè)備的推進和退出工作，提高施工效率。

目前用于煤礦瓦斯治理的致裂器主要有以下幾種設(shè)備，其中C-74 型主要用于煤礦井下瓦斯治理，主要參數(shù)見表1。

表1 CO2 致裂裝置技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗方案

15604 工作面進風(fēng)順槽停采線往工作面方向100m 范圍內(nèi)的密集鉆孔抽采區(qū)進行致裂強化增透工業(yè)試驗。施工16 個氣相致裂鉆孔，孔間距為6m，孔深110～120m，鉆孔布置圖見圖2。

圖2 CO2 致裂技術(shù)方案

①試驗地點：15604 工作面進風(fēng)順槽停采線往工作面方向100m 范圍內(nèi)。

②按照順序依次施工氣相致裂鉆孔，施工完成后及時封孔并聯(lián)網(wǎng)抽采，進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。

③施工致裂鉆孔，施工深度為120m，傾角+4°，開孔高度距頂板1.8m，鉆孔位于604 進風(fēng)順槽右?guī)停怪庇谙锏馈毫堰^程中使用壓裂桿30 根，通纜鉆桿深度40m，鉆孔成孔后，及時將致裂管、封孔器、推桿等推進鉆孔，固定致裂設(shè)備，拉信號線到安全區(qū)域，撤人設(shè)警戒，啟動致裂，30min 后檢查工作面情況，確認無異常進入工作面，將設(shè)備退出鉆孔。

④致裂后封孔嚴格按照“兩堵一注”的方式進行，深度范圍為10～18m，鉆孔全程下Ф50mm 的篩管（特殊情況時，確保下管長度不小于鉆孔長度的60%），Ф50mm 的封孔器，在8-18m 孔深進行囊袋封孔器封孔，管件采用Ф50mmPVC 材質(zhì)膠管、與封孔管采用密封圈密封。Ф50mmPVC 閥門、連通管之間采用Ф50mm 螺旋管連接、確保無漏氣現(xiàn)象后進行聯(lián)網(wǎng)抽采。

⑤完畢后及時封孔并聯(lián)網(wǎng)抽采，封孔使用“囊袋封孔”的方式進行封孔。

⑥加強抽采鉆孔管理，對低濃度抽采鉆孔進行堵漏處理，處理后濃度較低的抽采鉆孔進行關(guān)閉處理或者水泥注漿封堵。

3 試驗效果分析

3.1 鉆孔瓦斯?jié)舛?/h3>

在天池煤礦15604 工作面進風(fēng)巷道實施CO2致裂試驗16 個鉆孔，鉆孔具體實施如圖2，試驗共使用CO2致裂器480 根次。

圖3可以看出，原始鉆孔經(jīng)2 年抽采，瓦斯?jié)舛认鄬Ψ€(wěn)定，原始鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為11.76%；11 月7 日開始瓦斯抽采濃度檢測，其瓦斯抽采濃度隨抽采時間的增加呈波動下降趨勢，其致裂孔的瓦斯抽采濃度平均為51.36%，經(jīng)CO2致裂后，煤層瓦斯?jié)舛扔写蠓忍嵘骄嵘?.36 倍。

圖3 瓦斯抽采濃度

從抽采數(shù)據(jù)來看，對現(xiàn)有的密集鉆孔段而言，已抽采超過2 年的煤層在壓裂過后仍具有較高的瓦斯抽采濃度，說明，該工作面瓦斯含量較大，抽采效果不明顯。而從致裂前后的抽采數(shù)據(jù)來看，CO2致裂技術(shù)具有明顯改善煤層內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)的特性，致裂后平均瓦斯抽采濃度最大可達71.26%，且濃度較為穩(wěn)定。煤層經(jīng)過CO2致裂二次強化增透后，煤層內(nèi)部裂隙更為發(fā)育，瓦斯經(jīng)過CO2致裂產(chǎn)生的裂縫涌出煤層，增加了瓦斯抽采量及瓦斯?jié)舛取?/p>

3.2 管道瓦斯抽采純量效果考察

圖4中反映了總抽采純量、原抽采量計算值及致裂鉆孔數(shù)量隨時間的變化趨勢。在致裂后的抽采過程中，總抽采量的變化趨勢與氣相致裂孔個數(shù)相一致。瓦斯抽采總純量隨著致裂孔數(shù)量的增加而增加，隨著數(shù)量的減少而呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于原始煤層已進行了兩年抽采，原始抽采孔對總抽采量貢獻不大，隨著CO2致裂技術(shù)的實施，總抽采量出現(xiàn)了波動上升，說明CO2致裂二次增透技術(shù)不僅能直接改善煤層抽采能力，還能對原始鉆孔進行改造，促使并改造原始鉆孔的抽采能力，進一步降低煤層瓦斯含量，極力避免了煤層回采過程的瓦斯超限問題。

圖4 管道瓦斯抽采純量及壓裂孔數(shù)量曲線圖

值得注意的是，CO2致裂后，11 月17 日至11 月22日，即第7 個至第10 個致裂孔致裂后瓦斯抽采純量達到峰值，最大可達471.79m3/h，平均抽采純量為274.93m3/h，相比于原始密集鉆孔的瓦斯抽采純量191.32m3/h，提高了44%。隨著回采的進行，抽采鉆孔數(shù)量逐漸減少，但總瓦斯抽采純量有逐漸增大的趨勢。這進一步證明了致裂技術(shù)具有明顯的造縫能力，進一步改善了煤層內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)及原始孔的抽采能力。

4 結(jié)論

①原始鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為11.76%，致裂孔的瓦斯抽采濃度平均為51.36%，經(jīng)CO2致裂后，煤層瓦斯?jié)舛扔写蠓忍嵘骄嵘?.36 倍。

②CO2致裂后，隨著致裂孔數(shù)量的增加，瓦斯抽采總純量也會隨之增加，反之則會下降。致裂后的最大瓦斯抽采純量為471.79m3/h。

③CO2致裂二次技術(shù)會在煤層中形成復(fù)雜的裂縫卸壓圈，均化瓦斯涌出，進而提高瓦斯抽采效率。