CO2 預(yù)裂增透瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用——以宏遠(yuǎn)煤業(yè)150103 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面為例

王惠明

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司，山西太原030006)

1 礦井瓦斯地質(zhì)概況

宏遠(yuǎn)煤礦開采山西組15#煤層。煤層位太原組下段，煤層平均厚度4. 5 m，區(qū)域上比較穩(wěn)定。煤層底板標(biāo)高840 ～1 240 m，埋深500 ～632 m，頂板一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為黑色泥巖、粉砂巖，老底為中細(xì)粒砂巖。煤層含夾矸0 ～3 層，一般1 層，厚1.4 m，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較簡(jiǎn)單煤層。煤層傾角0°～5°，平均傾角3°，屬緩傾斜煤層，井田內(nèi)各采區(qū)煤層產(chǎn)狀變化較大。層總體走向北北東的單斜構(gòu)造，局部波狀起伏，工作面整體東高西低。

煤層瓦斯含量最小10. 43 m3/t，最大12. 12 m3/t，平均10.5 m3/t。瓦斯壓力最小 0. 21 MPa，最大 0. 69 MPa，平均0.45 MPa。煤層透氣性比較差，屬于較難抽采類型。

150103 運(yùn)輸順槽屬于近水平巷道，地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，按照現(xiàn)有資料該地段沒有發(fā)現(xiàn)落差大于3.5 m 的斷層和直徑超過30 m 的陷落柱構(gòu)造存在。該地段采用密集型順層抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯的抽采。

工作面可解吸瓦斯含量最小10.43 m3/t，最大23 m3/t，平均14 m3/t。根據(jù)含量特征，該工作面可能具有突出危險(xiǎn)。煤層透氣性差。

150103 運(yùn)輸順槽獨(dú)頭通風(fēng)，風(fēng)量Q =560 m3/min，斷面面積S=18.4 m2。風(fēng)速V=0.51 m/s，瓦斯?jié)舛葹?.04%。

150103 運(yùn)輸順槽第一區(qū)域鉆孔瓦斯抽采情況。

瓦斯抽采方法:順層扇形密集型預(yù)抽。

在150103 運(yùn)輸順槽巷道迎頭布置39 個(gè)孔徑為94 mm 的預(yù)抽鉆孔，巷道方位角為218°，鉆孔布置三排，第一排離巷道底板1.6 m，傾角按 +6° ～ -5°施工 13 個(gè)預(yù)抽鉆孔，每孔孔距0.4 m，孔深為120 m。第二排離巷道底板1.2 m，傾角按+6° ～-5°施工。第三排離巷道底板0.8 m，傾角按+6° ～-5°施工。

圖1 150103 運(yùn)輸順槽迎頭抽放孔設(shè)計(jì)平面圖

圖2 150103 運(yùn)輸順槽迎頭抽放孔設(shè)計(jì)斷面圖

該工作面第一區(qū)域于2012 年12 月開始施工鉆孔預(yù)抽，預(yù)抽時(shí)間為5 個(gè)月，預(yù)抽鉆孔，瓦斯抽采量為1.0 m3/min 左右，預(yù)抽后瓦斯含量為6.2 m3/t。

正頭布置30 個(gè)預(yù)抽鉆孔，瓦斯抽采量為1.0 m3/min 左右。

150103 運(yùn)輸順槽工作面將于距離巷道開口位置116 m 處進(jìn)行CO2預(yù)裂增透瓦斯抽采技術(shù)方案實(shí)施，鉆場(chǎng)布置如下:150103 運(yùn)輸順槽寬5.0 m，鉆場(chǎng)長(zhǎng)4 m，寬4.0 m，高3.6 m，鉆場(chǎng)左右布置錯(cuò)距為20 m。

圖3 150103 運(yùn)輸順槽迎頭抽放孔設(shè)計(jì)剖面圖

2 實(shí)施CO2 預(yù)裂增透瓦斯抽采技術(shù)的意義和必要性

瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的根本途經(jīng)，也是最重要的手段。由于我國(guó)煤礦大部分煤層屬于低透氣性煤層，本煤層瓦斯抽放較為困難。對(duì)單一煤層，目前所采取的措施主要是密集鉆孔和長(zhǎng)時(shí)間抽采，抽采成本極高。在透氣性較好的煤礦，本煤層瓦斯抽采也存在同樣的問題。因此，提高低透氣性煤層的瓦斯抽采效率已成為共性問題，是亟待解決的技術(shù)難題。另外，在瓦斯透氣性較好的煤礦(井田)，迫切需要開發(fā)成本更低、效率更高的瓦斯抽采新技術(shù)和新工藝，提高瓦斯?jié)舛群驮黾映椴闪俊?/p>

瓦斯既是煤礦安全的元兇，但也是寶貴的清潔能源。要實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采量最大化和瓦斯利用率最大化，關(guān)鍵在于提高煤層透氣性，增加瓦斯抽采濃度和流量。

提高煤層透氣性的途徑目前常用的有兩種方法:一是開采解放層;二是地面鉆孔水力壓裂。對(duì)于宏遠(yuǎn)礦區(qū)的單一煤層，無(wú)法實(shí)施開采解放層增透技術(shù);采用地面打鉆壓裂技術(shù)是一種提高煤層透氣性的有效方法，但抽采時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)受地面環(huán)境影響，合理的鉆孔位置選擇較困難。

CO2預(yù)裂煤層增透技術(shù)是提高低滲煤層瓦斯抽采率的新工藝和新技術(shù)。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、可靠易行、安全、綜合成本較低，可大幅度提高瓦斯抽采率和抽采速度，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，有效消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。應(yīng)用和推廣這一技術(shù)，可以使我國(guó)高瓦斯煤礦早日實(shí)現(xiàn)煤、氣安全高效共采。二氧化碳炮爆破原理:在爆破孔內(nèi)裝入預(yù)先注入液態(tài)二氧化碳的爆破管，并將其與低壓起爆器連接;接通電流引爆爆破管的起爆頭后，管內(nèi)二氧化碳迅速?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。當(dāng)爆破管內(nèi)氣態(tài)二氧化碳?jí)毫_(dá)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，釋放頭內(nèi)的破裂盤被打開，二氧化碳?xì)怏w透過排放孔迅速向外爆發(fā)，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的膨脹能破碎煤體，從而達(dá)到爆破效果。

二氧化碳爆破在國(guó)際上發(fā)展歷史較長(zhǎng)，主要用于井下煤炭開采、地面建筑拆遷、大塊石料破碎、水泥窖爐和煤倉(cāng)清堵等，煤炭開采則以增加塊煤率，提高煤炭?jī)r(jià)格為目的。這類二氧化碳炮只有4 m 長(zhǎng)，僅適用于局部爆破作業(yè)，但不適合我國(guó)低滲煤層預(yù)裂增透抽采。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的煤層壓裂增透技術(shù)主要包括水力壓裂、空氣致裂、炸藥預(yù)裂等，但這些技術(shù)存在諸多缺陷，低滲煤層增透效果不理想。

在國(guó)內(nèi)，經(jīng)過長(zhǎng)期技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，用于煤層預(yù)裂增透的“CO2煤層預(yù)裂器”和相關(guān)技術(shù)基本成熟。由于CO2預(yù)裂器具有物理爆破的特點(diǎn)，無(wú)明火，預(yù)裂全過程均在煤層深孔中、孔口密封情況下進(jìn)行，人員也已遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，因此也可稱其為本質(zhì)安全型預(yù)裂增透器。

3 CO2 預(yù)裂增透瓦斯抽采技術(shù)方案

3.1 CO2 預(yù)裂增透瓦斯抽采預(yù)期目標(biāo)

1)使預(yù)裂區(qū)產(chǎn)生大量裂隙，改變掘進(jìn)面前方局部地應(yīng)力狀態(tài)，有效消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

2)大幅增加煤層滲透性，提高抽采濃度和抽采效率，快速降低煤層瓦斯含量和壓力，消除突出危險(xiǎn)性，保障突出掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)。

3.2 CO2 預(yù)裂增透瓦斯抽采技術(shù)方案

3.2.1 CO2預(yù)裂增透成孔技術(shù)要求

麻花鉆干式鉆井成孔。鉆頭直徑94 mm，鉆桿直徑89 mm，孔深80 m。鉆孔技術(shù)要求:施工過程采用慢速推進(jìn)，孔身直、內(nèi)壁光滑、孔內(nèi)干凈。嚴(yán)格控制鉆孔方位角、傾角，避免與鄰近孔打穿或者距離太近，防止預(yù)裂的時(shí)候高壓氣體從鄰近孔噴出，影響預(yù)裂效果。為防止塌孔，預(yù)裂當(dāng)天成孔或提前一天成孔為好。

3.2.2 150103 運(yùn)輸順槽鉆孔瓦斯監(jiān)測(cè)記錄表

3.2.3 預(yù)裂施工管理(表1，表2)

表1 預(yù)裂孔參數(shù)

表2 CO2 預(yù)裂現(xiàn)場(chǎng)施工記錄表

4 預(yù)裂增透瓦斯抽采效果評(píng)價(jià)及意義

4.1 瓦斯抽采參數(shù)考察

監(jiān)測(cè)地點(diǎn):150103 運(yùn)輸順掘進(jìn)頭。

監(jiān)測(cè)對(duì)象:150103 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)頭預(yù)抽鉆孔和預(yù)裂孔。

測(cè)試參數(shù):瓦斯?jié)舛?、抽放?fù)壓、孔板壓差。

考察參數(shù):瓦斯?jié)舛取⒊榉咆?fù)壓、壓差、孔板系數(shù)、混合流量、純瓦斯流量。爆破預(yù)裂后要保證抽采鉆孔濃度一個(gè)月內(nèi)不低于30%。

測(cè)點(diǎn)密度:2 次/天。

考察方法:每天監(jiān)測(cè)點(diǎn)專人實(shí)測(cè)和記錄，專用記錄本，升井后轉(zhuǎn)錄計(jì)算機(jī)，當(dāng)天計(jì)算抽采純量等數(shù)據(jù)，每10 d 小結(jié)一次，最少觀察60 d 數(shù)據(jù)，能保留兩側(cè)鉆場(chǎng)預(yù)抽孔預(yù)抽時(shí)間100 d 更好，數(shù)據(jù)要定時(shí)上報(bào)項(xiàng)目組長(zhǎng)。

表3 CO2 預(yù)裂現(xiàn)場(chǎng)瓦斯參數(shù)監(jiān)測(cè)記錄表

4.2 煤層瓦斯含量考察

由于CO2預(yù)裂后工作面原始狀態(tài)破壞，封孔難度很大，無(wú)法進(jìn)行瓦斯壓力考察。建議進(jìn)行瓦斯含量考察。

考察參數(shù):瓦斯含量。

考察方法:CO2預(yù)裂前、后實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛燃昂繉?duì)比法。

含量實(shí)測(cè)時(shí)間、地點(diǎn)安排:

預(yù)裂前:在150103 運(yùn)輸順槽迎頭分別布置2 個(gè)瓦斯含量測(cè)點(diǎn)。采樣深度15 m，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸和實(shí)驗(yàn)室殘余量測(cè)試，計(jì)算瓦斯含量。

預(yù)裂后:預(yù)裂后30 d，預(yù)裂后每2 d 在上述2 個(gè)瓦斯含量測(cè)點(diǎn)附近選點(diǎn)，孔深15 m，采樣測(cè)試瓦斯含量。

比較本項(xiàng)技術(shù)措施前后瓦斯含量的變化，評(píng)價(jià)預(yù)裂效果。

4.3 增透預(yù)抽前后K1 值對(duì)比

增透預(yù)抽前在工作面迎頭打鉆測(cè)K1 值，預(yù)裂后30 d 在工作面迎頭測(cè)K1 值，對(duì)兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(如表4)。

表4 K1 值對(duì)比表

通過上述數(shù)據(jù)表明:

1)實(shí)施CO2預(yù)裂大幅提高瓦斯抽采濃度和抽采率，快速降低煤層瓦斯含量，使高瓦斯煤層變?yōu)榈屯咚姑簩?，減少瓦斯爆炸事故，保障安全開采。

2)大幅提高瓦斯抽采率，快速降低煤層瓦斯壓力，消除突出危險(xiǎn)，減少突出事故，保障突出工作面安全掘進(jìn)和開采。

3)CO2預(yù)裂后，使煤層產(chǎn)生大量裂隙，使煤層地應(yīng)力重新分布，應(yīng)采取措施消除局部高應(yīng)力狀態(tài)，起到消突效果，保障突出工作面安全掘進(jìn)和回采。

4)抽出瓦斯可以直接民用。高瓦斯煤礦CO2預(yù)裂后的瓦斯抽采濃度到達(dá)30%以上，部分70%以上，經(jīng)提純后用于汽車燃料，實(shí)現(xiàn)瓦斯的變害為利。

5)CO2預(yù)裂增透瓦斯抽采技術(shù)不僅給煤炭企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)效益更大。在解決安全難題的前堤下對(duì)環(huán)保低碳、能源開發(fā)利用等有重大意義，附合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策。

這項(xiàng)技術(shù)研究成功，將是我國(guó)煤炭行業(yè)瓦斯治理安全難題的重大突破，是國(guó)家急需的，也是煤炭行業(yè)急需的。因此，該技術(shù)具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。