基于防突指標下降視角的CO2 氣相壓裂增透技術應用分析

穆俊來

（山西省華陽集團七元煤業有限責任公司，山西 晉中 045400）

0 引言

煤礦資源屬于不可再生資源，隨著開采程度的加深，資源含量隨之減少，因此需要引入提高開采效率的先進技術。結合大量實踐資料來看，在開采過程中，會出現瓦斯難以抽放以及煤層透氣性差的情況，容易帶來開采事故，無益于防突指標下降。為此，實際作業中應當引入CO2氣相壓裂增透技術，拓展原生裂隙，提高透氣程度，避免出現瓦斯突出產生瓦斯包的問題，降低危險性。

1 現場試驗

1.1 測驗點概況

本工程的地質條件為陸相湖泊型沉積，其巷道斷面結構為6 m×3.7 m，長度為1 688 m，煤層容重為1.5 t/m3，總厚度為7.05 m。整體采取全錨支護形式，經過初始瓦斯基礎參數測試，對應的結果，如表1 所示。

表1 采煤工程初始瓦斯基礎參數測試結果

1.2 鉆孔布置

運用邊掘邊抽的方式，設置雙翼邁步鉆場，沿著巷道兩側布置鉆場，并將步距設置為40 m。利用鉆孔將鉆場均分為兩排三列，鉆孔傾角、孔徑和孔深分別為1°、120 mm、120 m，并設置掘進頭抽采鉆孔，于工作面平行分布3 排孔，鉆孔傾角、孔徑和孔深分別為0°～2°、120 mm、120 m。針對鉆孔設置符合兩翼結構的工作面和鉆場，以此保證在并網帶抽的過程中能夠對鉆孔實施相應操作，使得單孔濃度、工作面抽采參數和各鉆場的觀測時間超過3 d[1]。

實施觀測作業后，進入到并網預抽環節，就工作面和兩翼鉆場的CO2預裂鉆孔作用約5 d，對比分析前后瓦斯抽采量，并分設壓裂鉆孔置于左右鉆場。設定鉆孔參數為：距外輪廓線1.2 m、傾角為1°、方位角1°、距煤層底板距離1.5 m、處于左鉆場、鉆孔深度120 m、孔徑Φ120 mm，并保證與掘進面垂直。另一鉆孔的參數為：距外輪廓線1.2 m、傾角為1°、方位角0°、距煤層底板距離1.5 m、處于右鉆場、鉆孔深度120 m、孔徑Φ120 mm，并保證與掘進面垂直。利用麻花鉆桿施工，運用自動排渣手法設置壓裂鉆孔，并保證施工速度維持等速狀態，整體速度較緩，檢查孔位是否光滑平直。試驗中所鉆壓裂孔深度大于120 m，清除煤渣，保持孔內清潔[2]。此次試驗中掘進面試驗鉆孔的布置情況，如圖1 所示[3]。

圖1 工程掘進面試驗鉆孔布置圖

1.3 壓裂工藝

此次掘進面施工前需對所使用的CO2預裂器型號予以確定，其中，對應參數為：壓力70～270 MPa、反應時間20～45 ms、液態CO2膨脹體積1∶600、液態CO2質量1 400 g、長度200 mm、直徑68 mm、型號C74。施工前需檢查CO2預裂器是否處于正常工作狀態，在打好鉆孔中送入填裝完畢的CO2預裂器。此次試驗所使用的CO2預裂器為15 個，將其利用連接件連接過程中應當檢查電阻數據，針對電阻數據異常情況需深入研究原因，以此確保在后續試驗中能夠提供正常作用。

通過讀圖可以發現，使用膠囊封孔器連接CO2預裂器的最后一端，連接前經過封孔引出桿依次放入鉆孔中，并在連接管中穿出引線，置于封孔另一區域，外部與注液高壓軟管連接，在距離孔口約13 m 位置放置膠囊封孔器。整體連接方式從左至右為頂桿、打壓泵、注液高壓軟管、封孔引出桿、封孔膠囊和CO2預裂器，當打壓泵與注液高壓管連接完畢，打壓至5～9 MPa，將孔封閉[4]。

檢查整體連接是否符合試驗要求后，施工人員需轉移場地，并張拉放炮引線，張拉長度應當超過350 m。精準檢驗測試數據，參照放炮標準，檢查人員撤離情況，按照先連接爆發器后深孔預裂煤層的順序，將CO2高壓氣體作用于煤層深孔中。實施預裂作業后，測定鉆孔內壓力，讀取高低壓力表讀數。經過0.5 h，壓力趨近于0，此時瓦斯處于安全狀態，及時撤出封孔器，逐個取出CO2預裂器，而后接通抽采結構，完成抽采和數據記錄工作。查看孔內壓力，若壓力值>0.5 MPa，應當泄壓釋放孔內壓力，直至壓力值符合要求，繼續拆除封孔。

2 效果分析

2.1 瓦斯預警超限

經試驗，明顯減少工作面響煤炮問題，避免出現瓦斯包，在巷道掘進作業中均勻釋放瓦斯。在此基礎上，針對偏幫和高頂問題也在應用CO2氣相壓裂技術后有所改善，不易出現瓦斯預警超限問題，提高施工安全性。

2.2 防突指標

經試驗，井下實測結果可以得到：預抽前的瓦斯含量最大值、瓦斯壓力最大值和K1實測最大值分別為0.84 m3/t、0.53 MPa、0.63；抽測后的瓦斯含量、瓦斯壓力和K1實測最大值分別為7.3 m3/t、0.29～0.44 MPa、0.3～0.4 間，對比抽測前后數據看出，應用CO2氣相壓裂技術能夠有效降低防突指標，具備較為明顯的消突成效，有效抑制突出問題，便于在煤層抽采中提供良好作業條件。

2.3 透氣性

經試驗，氣相壓裂前后的透氣性系數分別為0.029 4 m2/（MPa2·d）、0.798 3 m2/（MPa2·d），處理后透氣性增加27 倍，說明透氣性明顯提升，符合可抽采煤層結構特點。

2.4 割煤循環時間

經試驗，氣相壓裂前后的割煤循環時間分別為50～55 min/排、40～45 min/排，說明應用CO2氣相壓裂技術能夠有效縮短單排割煤時間，提高生產效能。

2.5 抽采效果

經試驗，氣相壓裂后的預抽單孔抽采純量最大值、單孔衰減、預抽單孔平均抽采純量分別為0.4、0.05、0.125 m3/min，說明增透能力提高，抽采達標所需時間減少，抽采效果顯著提高。

3 實踐應用

以某煤礦為例，該煤礦是高瓦斯礦井，其設計生產能力為4 Mt/a。經過前探鉆孔探測后，其主采煤層以亮煤為主，煤層厚度約5.81 m，下部結構為炭質泥巖，頂板為泥巖。經過實測，區域瓦斯的原始壓力處于2.23～3.72 MPa 區間，瓦斯含量為20.14 m3/t，出現明顯的瓦斯動力情況，應當采取防突和消突處理。

應用CO2氣相壓裂增透技術引入型號為C-47的氣象壓裂設備，其封孔長度、壓力、反應時間、單根壓裂桿長度、壓裂桿直徑分別為1 m、60～270 MPa、20～40 ms、2 m、67 mm。在距離煤層頂板法向距離約9 m 處開展擴區進風立井工作，設定氣相壓裂孔數量為32 個，且在各個壓裂孔中設置壓裂桿4 根，每個壓裂桿間以串聯方式相互作用，且將起爆裝置安裝于壓裂桿頭。裝填壓裂桿作業完畢后，運用氣相壓裂施工辦法，布置鉆孔位置，并按照表2 參數配置壓裂鉆孔。

表2 某煤礦擴區進風立井壓裂鉆孔參數

將2BE1335-1BD3型號的水環真空泵安裝于距離進風立井井口約55 m 處，并就在井筒懸吊抽放干管，其內徑為Φ160 mm，支管材料為PVC，內徑為Φ60 mm，使用聚氨酯材料作為封孔材料。抽放管路于鉆孔施工完畢后接入，避免運用自然排放方式，防止出現瓦斯超限問題。待鉆孔作業完全結束后，實現并網。設置閘閥，放置于各個抽放支管上，便捷單孔抽放量的觀察和控制工作。

將鉆屑瓦斯解吸指標和瓦斯含量作為防突效果檢驗指標，分別為K1和Δh2，依照防突規定，設計效果檢驗試驗。分別于施工時間最晚和施工密度最小的鉆孔施工附近，選取4 個試驗對象，測量鉆孔內濕煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標和瓦斯含量。經過測定，K1=0.2 mL/（g·min1/2），Δh2=120 Pa，殘余瓦斯含量為6 m3/t。因此，可以得出距離煤層頂板法向5 m 為可掘進范圍。由此說明，試驗指標均可符合防突需要，煤層經CO2氣相壓裂增透技術應用并處理后，突出危險消失，可繼續開采。

4 結語

基于防突指標下降視角的CO2氣相壓裂增透技術應用的現場試驗布置和準備方法，并通過試驗得到與防突指標相關的指標數值。經過前后氣相壓裂作用結果對比，以及實踐應用，得到應用CO2氣相壓裂增透技術能夠降低瓦斯預警超限事故率、提升透氣性、縮短割煤循環時間、降低防突指標的結論，說明應用此技術能夠有效提升抽采效果。