CO2預裂增透技術在高瓦斯低透氣性煤層中的應用

楊曉國

(山西潞安集團余吾煤業(yè)有限公司,山西省長治市,046103)

CO2預裂增透技術在高瓦斯低透氣性煤層中的應用

楊曉國

(山西潞安集團余吾煤業(yè)有限公司,山西省長治市,046103)

針對潞安集團余吾煤業(yè)公司3＃主采煤層瓦斯含量大、煤層透氣性低的特點,在S1206工作面開展CO2預裂增透技術試驗,用以增強瓦斯抽采效果。介紹了CO2預裂增透技術的基本原理、技術特點,并通過現(xiàn)場試驗研究了該技術的施工工藝、作用效果和影響范圍等,結果表明:CO2預裂增透技術能夠顯著提高煤層瓦斯的抽采效果,試驗孔的瓦斯抽采量平均提高了81%,同時,鉆屑瓦斯解吸指標K1值顯著降低,有效縮短了掘進周期,能夠較好地滿足低透氣性煤層卸壓增透的要求。

CO2預裂增透技術 瓦斯抽采 鉆屑瓦斯解吸指標 影響范圍

隨著煤炭開采強度和深度的增加,煤炭資源開采過程中瓦斯災害現(xiàn)象愈發(fā)顯著,煤與瓦斯突出、瓦斯異常涌出等現(xiàn)象時有發(fā)生,嚴重威脅井下員工的生命安全與高效生產(chǎn)。尤其是煤與瓦斯突出,往往造成大量的人員傷亡,產(chǎn)生較為嚴重的社會和經(jīng)濟影響。解決高瓦斯煤層突出危險性最為直接的方法是對煤層瓦斯進行預先抽采,降低煤層瓦斯壓力和含量,實現(xiàn)對煤層的卸壓增透。而低透氣性煤層存在抽采鉆孔密集、瓦斯抽采周期長的問題,難以滿足大規(guī)模集約化生產(chǎn)的要求。因此,強化瓦斯抽采,實現(xiàn)煤層的快速卸壓增透是解決高瓦斯、低透氣性煤層瓦斯災害的重要手段。

現(xiàn)有的強化瓦斯抽采技術主要有水力壓裂、水力割縫、千米鉆機定向鉆進、CO2預裂等,這些技術在不同條件下對提高煤層瓦斯抽采效率都有不同的效果,其中CO2預裂增透技術是近些年來提出的一種新型的強化瓦斯抽采的技術。該技術的基本原理是將裝有超臨界的CO2的高壓CO2爆破管送入煤層鉆孔,封孔之后,通過與CO2爆破管相連接的低壓電觸發(fā)裝置引爆超臨界CO2爆破管,CO2短時間內(nèi)迅速氣化釋放。超臨界CO2對含瓦斯煤層主要有兩方面作用,一是利用CO2在煤層中受熱發(fā)生相變,產(chǎn)生的巨大膨脹壓力對煤層的原有裂隙產(chǎn)生張性破壞,增加了瓦斯在煤層中運移的通道;二是利用煤對CO2的高吸附性,煤對CO2的吸附能力為CH4的2倍,CO2分子在煤表面與CH4競爭吸附,將吸附在煤表面的CH4分子替換,使更多的吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)。利用CO2這兩方面的作用,CO2預裂增透技術一方面將促進瓦斯的解吸,使得更多的吸附態(tài)的瓦斯從煤的表面解放出來,另一方面,利用高壓CO2對煤體的破壞,增加煤層內(nèi)瓦斯的流動通道,提高了煤層透氣性,實現(xiàn)高瓦斯低透氣性煤層快速卸壓增透的目的。

1 現(xiàn)場概況

余吾煤業(yè)有限公司位于山西省屯留縣,礦井設計生產(chǎn)能力為600萬t/a。礦井主采3＃煤層,該煤層賦存于二疊系山西組地層中下部,為陸相湖泊沉積,煤層厚度為4.96～7.25 m,平均煤厚為6 m。試驗地點選擇南翼回風大巷東側的S1206工作面,工作面長300 m,走向長度1822 m,可采長度1551 m,可采儲量373萬t。S1206工作面采用兩進兩回方式布置?；仫L巷道與瓦斯排放巷之間保護煤柱寬35 m,帶式輸送機巷與進風巷之間保護煤柱寬35 m,工作面瓦斯排放巷與回風巷每50 m布置一條橫貫,工作面切眼采用主、輔切眼方式布置,如圖1所示。

圖1 S1206工作面概況

S1206工作面開采層平均瓦斯含量為7.9 m3/t,開采層殘存瓦斯量2.5 m3/t。2011年余吾煤業(yè)公司委托中國礦業(yè)大學(北京)對S1206工作面進行了瓦斯參數(shù)測定,測定結果見表1。

表1 S1206進風巷道與回風巷道瓦斯參數(shù)

2 現(xiàn)場應用及分析

針對S1206工作面的實際情況,為探究CO2預裂增透技術的效果及有效影響范圍等相關規(guī)律, 2012年4月—6月期間,分別在S1206回風巷和進風巷開展了CO2預裂增透試驗。

2.1 S1206回風巷預裂增透試驗

S1206回風巷試驗過程如下:首先在巷道輪廓線的兩側左右各1 m處鉆場區(qū)域沿巷道掘進方向施工鉆孔,鉆孔的開孔高度為1.4 m,設計孔深80 m,孔徑113 mm。抽采孔位于預裂孔的兩側,每側施工3行2列抽采孔,預裂孔與抽采孔的施工相對位置如圖2所示。預裂孔與抽采孔都采用水泥砂漿注漿封孔的方式進行封堵,有效封孔長度分別為20 m和10 m,試驗鉆孔參數(shù)如表2所示。

完成鉆孔施工之后,將抽采孔直接連入瓦斯抽采管網(wǎng)進行抽采,安排專人每天對試驗區(qū)抽采孔的瓦斯流量和濃度進行觀測和記錄,保證抽采管網(wǎng)順暢,抽采負壓不低于14 k Pa,觀測時間持續(xù)8 d,之后對1＃和2＃試驗孔進行CO2預裂增透試驗,繼續(xù)觀測瓦斯抽采參數(shù)。為縮短掘進預抽時間,提高抽采效率,18 d之后在掘進面正頭處施工抽采鉆孔,將該孔一同并入瓦斯抽采管網(wǎng),掘進工作面瓦斯抽采純流量變化如圖3所示。

根據(jù)試驗所觀測的數(shù)據(jù)(圖3)可以看出,在試驗前,初始時刻抽采孔瓦斯抽采純流量較大,接近0.4 m3/min,但是衰減較快,8 d之后瓦斯抽采量降至0.21 m3/min,衰減了約48%;隨后開展CO2預裂增透試驗,試驗之后繼續(xù)對抽采孔抽采,瓦斯抽采量開始逐漸增加,增加效果明顯,試驗后的第5 d達到抽采量的最大值0.38 m3/min,比試驗前提高了81%,之后開始逐漸衰減;在正頭處增加抽采孔之后,瓦斯抽采總量也隨之增加,持續(xù)一段時間后開始波動下降,之后趨于平穩(wěn),但總體保持在較高水平,抽采30 d之后,瓦斯抽采純流量依舊保持在0.3 m3/min左右。

鉆屑瓦斯解吸指標K1值主要反映煤體釋放瓦斯能力的指標,K1值越大表征煤的瓦斯含量大,破壞類型越高,瓦斯解吸速度快,則愈易發(fā)生瓦斯突出。在試驗前后分別在掘進工作面取樣,測量鉆屑瓦斯解吸指標K1值,對比分析煤層CO2預裂前后K1值變化及K1值在掘進作業(yè)過程的變化情況,測得的結果如圖4所示。

圖2 S1206回風巷鉆孔設計方位圖

表2 S1206回風巷試驗鉆孔基本參數(shù)

圖3 S1206回風巷試驗孔瓦斯抽采純量

圖4 試驗區(qū)域鉆屑解吸指標K1值變化情況

從圖4可以看出,預抽之前鉆屑瓦斯解吸指標K1值約為0.5,實施預抽及預裂之后鉆屑瓦斯解吸指標值明顯降低,最低降至0.26,很大程度上消除了掘進工作面潛在的突出危險性,完成預抽之后開始正常掘進作業(yè),K1值開始逐漸增加,完成一個掘進周期(80 m)后,鉆屑瓦斯解吸值升至0.4。采用CO2預裂增透試驗之后,有效提高了工作面的瓦斯抽采效率,降低了掘進過程的突出危險性,提高了掘進速率。

2.2 S1206進風巷平行孔預裂增透試驗

為了進一步研究CO2預裂孔的有效影響范圍,在S1206進風巷實施平行鉆孔CO2預裂增透試驗,分別沿煤層順層施工兩組CO2預裂孔3＃和4＃預裂孔,在3＃預裂孔一側施工7個平行于預裂孔的瓦斯抽采鉆孔,相鄰抽采孔水平間距為1 m,抽采孔與預裂孔的水平間距為2～8 m不等;4＃預裂孔一側共施工6個預裂孔,布置方式與3＃預裂孔類似,抽采孔與4＃預裂孔的水平間距為3～8 m。S1206進風巷平行孔預裂增透試驗鉆孔布置如圖5所示。

圖5 S1206進風巷平行孔預裂增透試驗鉆孔布置圖

分別在3?？缀??？走M行CO2預裂增透試驗,完成試驗之后,開始對每個抽采孔的瓦斯抽采參數(shù)進行連續(xù)觀測20 d,統(tǒng)計得到20 d內(nèi)抽采孔累積抽采瓦斯純流量Q20,瓦斯抽采純流量采用每天觀測瞬時瓦斯抽采流量和濃度,然后進行20 d累加的方式,由式(1)求得:

式中:qn——第n天抽采孔瞬時瓦斯抽采流量, m3/min;

cn——第n天抽采孔瞬時瓦斯抽采濃度,%。

根據(jù)統(tǒng)計結果,3＃和4＃預裂孔試驗區(qū)域鉆孔20 d瓦斯抽采純流量如圖6所示。

圖6 試驗孔20 d累積抽采流量統(tǒng)計

從20 d累積統(tǒng)計的結果(圖6)可以看出, 3＃預裂孔和4＃預裂孔基本符合同一規(guī)律,距離CO2預裂孔越近,瓦斯抽采純流量越高,超過一定范圍之后瓦斯抽采純量基本穩(wěn)定,可以認為是試驗影響不明顯的區(qū)域?；诖丝梢哉J為3＃預裂孔周圍的3＃－1、3＃－2、3＃－3和3＃－4抽采孔和4＃預裂孔周圍的4＃－1、4＃－2和4＃－3抽采孔受試驗影響明顯,處于CO2預裂增透試驗有效影響范圍,而抽采孔3＃－5、3＃－6、3＃－7、4＃－4、4＃－5、4＃－6處于試驗孔有效影響范圍之外,從而得到該試驗條件下,CO2預裂有效作用半徑約為5 m。

3 結論

(1)介紹了CO2預裂增透技術治理瓦斯災害問題的基本原理和特點,該技術一方面可以促進煤層裂隙的產(chǎn)生和擴展,增加了瓦斯的流動通道,有效提高了煤層的透氣性,另一方面,利用CO2與CH4的競爭吸附作用,促使吸附態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài),有利于煤層瓦斯的高效抽采。

(2)在S1206回風巷開展了CO2預裂增透試驗,效果顯著,瓦斯抽采純量由試驗前的0.21 m3/min增加到0.38 m3/min,提高了約81%,并在較高流量條件下持續(xù)較長時間;同時在本循環(huán)80 m掘進作業(yè)工程中,鉆屑解吸指標K1值長時間保持在較低值,由預抽前的0.5最低降至0.26,有效降低了掘進過程的中潛在的突出危險性,提高了掘進效率。

(3)通過在S1206進風巷道開展的平行孔預裂增透試驗,研究了CO2預裂增透技術的有效影響半徑,在試驗條件下得到其瓦斯抽采影響半徑約為5 m,為該技術的推廣應用提供了現(xiàn)場指導。

[1] 林柏泉等.礦井瓦斯防治理論與技術[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2010

[2] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1992

[3] 袁亮.低透高瓦斯煤層群安全開采關鍵技術研究[J].巖石力學與工程學報,2008(7)

[4] 郭峰.低透氣突出煤層水力壓裂增透技術應用研究[J].中國煤炭,2011(2)

[5] 陳淼,李寶玉等.水力割縫防突技術在掘進工作面的應用[J].中國煤炭,2010(5)

[6] 王佰順,戴廣龍,童云飛.深孔松動爆破提高瓦斯抽采效率的應用研究[J].煤礦安全,2002(11)

[7] 趙建國.底抽巷梳狀鉆孔代替保護層的瓦斯治理工藝技術研究[J].中國煤炭,2014(6)

[8] 彭深,林柏泉等.本煤層脈動水力壓裂卸壓增透技術實踐[J].煤炭工程,2014(5)

[9] 郭友慧,孫銳.寺家莊礦CO2預裂爆破強化抽采技術試驗研究[J].科技與創(chuàng)新,2014(1)

[10] 梁衛(wèi)國,吳迪,趙陽升.CO2驅(qū)替煤層CH4試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2010(4)

[11] 桂祥友,徐佑林等.鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標在防突預測的應用[J].北京科技大學學報,2009 (3)

(責任編輯 張艷華)

Application of presplitting and permeability-increasing technique by CO2to high-gas and low-permeability coal seam

Yang Xiaoguo
(Yuwu Coal Mining Co.,Ltd.,Shanxi Lu＇an Group Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046103,China)

Aimed at high gas and low permeability of 3＃coal seam of Lu＇an Group,the test of presplitting and permeability-increasing by CO2was carried out at S1206 working face to improve gas-drainage effect.The basic principle,technical characteristics and process of presplitting by CO2were introduced,and its effect and the range of influence were tested.The results showed that the technique of presplitting by CO2could apparently enhance the gas-drainage effect,with 81%increase of average gas drainage in test hole.Meanwhile,the gas-desorption index of drilling cuttings(K1)was reduced sharply and the advancing period was shorten,meeting the requirements of pressure relief and permeability increase for low-permeability coal seam.

presplitting and permeability-increasing by CO2,gas drainage,gas-desorption index of drilling cuttings,range of influence

TD713.3

A

楊曉國(1981－),男,山西長治人,工程師,現(xiàn)從事煤礦安全生產(chǎn)方面工作。