唐安煤礦液態(tài)CO2相變致裂強(qiáng)化增透試驗(yàn)研究

朱 亮

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 唐安煤礦分公司，山西 高平 048407)

液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，在增加煤層滲透性的同時(shí)，通過CO2和瓦斯競(jìng)爭(zhēng)吸附驅(qū)替出更多游離態(tài)瓦斯，使高效抽采瓦斯成為可能，尤其是在高瓦斯和具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的礦井，可以有效降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，從而達(dá)到消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的目的，是低滲透煤層瓦斯抽采過程中行之有效的預(yù)裂爆破高效增透和瓦斯驅(qū)替技術(shù)。

唐安煤礦采用密集平行鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯，3號(hào)煤層原始瓦斯含量高達(dá)7.93 m3/t，且煤層透氣性差，鉆孔瓦斯流量衰減快，鉆孔施工工程量大，瓦斯抽采難度較大。回采工作面采用一進(jìn)一回U型通風(fēng)方式，回采時(shí)瓦斯高，嚴(yán)重制約著礦井安全生產(chǎn)。為解決上述問題，現(xiàn)決定使用液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)在3301回風(fēng)順槽進(jìn)行試驗(yàn)，從而增加煤層的裂隙和煤層的透氣性，提高瓦斯抽采純流量。

1 工程概況

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)是一種物理爆破技術(shù)，具有爆破過程無(wú)火花外露、爆破威力大、無(wú)需驗(yàn)炮、操作簡(jiǎn)便、不屬于民爆產(chǎn)品，其運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用獲豁免審批等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于采煤、清堵、建筑物拆除，是國(guó)際上一種理念先進(jìn)、方法安全、效果顯著的爆破技術(shù)。

1.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為保證考察結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，采用“單孔串聯(lián)致裂”的方式，在3301工作面順層鉆孔實(shí)施液態(tài)CO2相變致裂，對(duì)工作面煤體進(jìn)行強(qiáng)化增透試驗(yàn)，增加煤層透氣性系數(shù)和瓦斯抽采影響半徑，提高瓦斯抽采效果。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)致裂孔和不同距離瓦斯抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛?、瓦斯流量，確定液態(tài)CO2相變致裂致裂方式、施工方式和鉆孔布置參數(shù)。

2.3 施工方法

1) 在3301工作面停采線以北30 m至3301回風(fēng)巷道停采線以北71 m范圍內(nèi)共布置2個(gè)致裂孔和6個(gè)抽采孔，相互平行。致裂孔和抽采孔鉆孔長(zhǎng)度均為80 m，鉆孔直徑為94 mm，鉆孔傾角為5°，具體布置方式如圖1所示。

為了對(duì)比“先抽采后致裂”和“先致裂后抽采”的效果，抽出兩個(gè)抽采孔作為對(duì)比試驗(yàn)組，具體施工順序?yàn)椋菏紫仁┕?號(hào)抽采孔和2號(hào)抽采孔；然后分別施工1號(hào)致裂孔和2號(hào)致裂孔；最后施工其余抽采孔。

2) 致裂孔和抽采孔打好后，都要求必須用高壓風(fēng)管清洗鉆孔10 min以上，確保排除鉆孔內(nèi)的積水和煤渣，防止影響鉆孔抽采效果。

3) 致裂孔使用7個(gè)爆破單元。每個(gè)爆破單元由5根推桿、一個(gè)靈活接頭、一個(gè)儲(chǔ)液管和一個(gè)釋放管組成。致裂開始位置距孔口25 m，具體致裂方式如圖2所示。

4) 致裂孔和抽采孔施工完畢后，及時(shí)封孔。要求使用囊袋式“兩堵一注”封孔方式進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為18～20 m。確保封孔嚴(yán)密，不漏氣。封孔注漿24 h后再接入瓦斯抽采系統(tǒng)。

5) 致裂孔和抽采孔均安裝孔板流量計(jì)，設(shè)有瓦斯?jié)舛热涌?。孔板流量?jì)的安裝必須符合安裝要求，即孔板前方直線段不低于10D，孔板后方直線段不低于5D。當(dāng)測(cè)試結(jié)束時(shí)，孔板流量計(jì)可以拆除，節(jié)省成本。

2 效果分析

此次試驗(yàn)共布置兩個(gè)致裂孔和六個(gè)抽采孔，其中1號(hào)致裂孔致裂壓力為200 MPa,2號(hào)致裂孔致裂壓力為270 MPa，抽采孔距離致裂孔間距分別為5 m和10 m。截止目前，各鉆孔共連續(xù)抽采近兩個(gè)月時(shí)間。

2.1 致裂孔抽采效果分析

致裂孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞孔兓€如圖3～圖6所示。

圖4 1號(hào)致裂孔瓦斯純量變化曲線

圖5 2號(hào)致裂孔瓦斯?jié)舛群拓?fù)壓變化曲線

圖6 2號(hào)致裂孔瓦斯純量變化曲線

由圖3～圖6可以看出：

1) 1號(hào)致裂孔瓦斯?jié)舛绕骄禐?0.2%，瓦斯純量平均值為0.023 m3/min。2號(hào)致裂孔瓦斯?jié)舛绕骄禐?2.31%，瓦斯純量平均值為0.099 6 m3/min。可見2號(hào)致裂孔瓦斯抽采效果明顯高于1號(hào)致裂孔，則在一定壓力范圍內(nèi)，致裂壓力越大，致裂孔瓦斯抽采效果越好；

2) 致裂后，致裂孔的瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞克p速度大幅度降低，特別是2號(hào)致裂孔，經(jīng)過52 d的抽采后瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞炕静凰p?，F(xiàn)2號(hào)致裂孔瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在85%以上，瓦斯純量基本穩(wěn)定在0.1 m3/min左右；

3) 相對(duì)未經(jīng)致裂的抽采鉆孔：1號(hào)致裂孔瓦斯?jié)舛绕骄岣?.04倍，瓦斯純量平均提高10.45倍；2號(hào)致裂孔瓦斯?jié)舛绕骄岣?6.46倍，瓦斯純量平均提高45.27倍；

4) 致裂后4～5 d左右，瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)較大，之后瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定。這是由于致裂后產(chǎn)生的高能氣體進(jìn)入煤層裂隙，隨著抽采緩慢釋放，且存在CO2競(jìng)爭(zhēng)吸附的現(xiàn)象。

2.2 不同距離抽采孔效果分析

2號(hào)抽采孔～5號(hào)抽采孔距離致裂孔為5 m，1號(hào)抽采孔和6抽采孔距離致裂孔為10 m。各鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞孔兓€如圖7～圖12所示。

圖7 1號(hào)抽采孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞孔兓€

圖8 2號(hào)抽采孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞孔兓€

圖9 3號(hào)抽采孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞孔兓€

圖10 4號(hào)抽采孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞孔兓€

圖11 5號(hào)抽采孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞孔兓€

圖12 6號(hào)抽采孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞孔兓€

從圖7～圖12可以看出：

1) 距離致裂孔10 m的1號(hào)抽采孔和6號(hào)抽采孔，瓦斯?jié)舛绕骄捣謩e是23.03%和14.57%，瓦斯純量平均值分別是0.017 4 m3/min和0.0139 m3/min。相對(duì)未經(jīng)致裂的抽采鉆孔：1號(hào)抽采孔瓦斯?jié)舛绕骄岣吡?.6倍，瓦斯純量提高了7.9倍；6號(hào)抽采孔瓦斯?jié)舛绕骄岣吡?.9倍，瓦斯純量提高了6.3倍。

2) 距離致裂孔5 m的2～5號(hào)抽采孔，除3號(hào)抽采孔(從整體濃度和混量開看，濃度很低，混和流量異常偏大，初步判斷是封孔不嚴(yán)或抽采管路漏氣，建議排查)外，其余3個(gè)抽采孔的瓦斯?jié)舛绕骄导巴咚辜兞科骄堤岣叻蕊@著，是未致裂抽采鉆孔的8～23倍。

3) 距離致裂孔5 m的抽采孔抽采效果明顯高于距離致裂孔10 m的抽采孔，因此致裂影響范圍為10 m左右，最佳的影響半徑為5 m。

4) 致裂后，各抽采孔的瓦斯?jié)舛群屯咚沽髁克p速率大大降低，經(jīng)過近兩個(gè)月的抽采，目前基本穩(wěn)定在平均值以上。

5) 由施工方法可知，1號(hào)抽采孔和2號(hào)抽采孔均是致裂前施工。而1號(hào)抽采孔抽采效果要好于同距離的6號(hào)抽采孔，2號(hào)抽采孔好于同距離的其余抽采孔，則“先抽采后致裂”的施工方法要好于“先致裂后抽采”。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 270 MPa致裂壓力下的瓦斯抽采效果明顯高于200 MPa致裂壓力。其中，270 MPa致裂孔瓦斯?jié)舛绕骄禐?2.31%，瓦斯純量平均值為0.099 6 m3/min，分別是未受致裂影響抽采鉆孔的16.46倍和45.27倍，且經(jīng)過近兩個(gè)月的抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞炕静凰p。因此，致裂選用270 MPa型號(hào)的致裂系統(tǒng)。

2) 距離致裂孔5 m的抽采孔瓦斯抽采效果明顯好于距離致裂孔10 m的抽采孔。因此，致裂孔與抽采孔的最優(yōu)間距確定為5 m。

3) 從現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，“先抽采后致裂”的施工方法要好于“先致裂后抽采”。這是由于，先打的抽采孔能起到控制孔的作用，使得致裂壓力向抽采鉆孔釋放，同時(shí)也減小了對(duì)頂?shù)装宓钠茐?。因此，施工方法為“先抽采后致裂”較好。

4)相對(duì)工作面原設(shè)計(jì)的3 m×3 m的鉆孔布置方式，采用液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)，鉆孔工程量至少減少40%以上，且瓦斯抽采效果要遠(yuǎn)高于原有的抽采效果。