CO2預(yù)裂增透技術(shù)在巷道掘進(jìn)中的試驗(yàn)及效果分析

文/白鵬

隨著煤炭開采深度的增加，煤層瓦斯含量呈高倍數(shù)梯次遞增，瓦斯抽出難度加大，煤炭安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)亦增加，并且這一趨勢(shì)與日俱增。要實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯的趨利避害，瓦斯抽采是主要的治理技術(shù)手段。而現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，難以達(dá)到行業(yè)、環(huán)境和社會(huì)的要求，探求新的技術(shù)方法，解決煤礦瓦斯抽采問題已是刻不容緩的事情。

山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司在礦井低透氣性煤層巷道掘進(jìn)過程中，防突預(yù)測(cè)指標(biāo)值△h2頻繁超標(biāo)（△h2大于200Pa），采用傳統(tǒng)的施工瓦斯釋放孔效果不明顯，嚴(yán)重制約了掘進(jìn)速度和單進(jìn)水平的提高，影響了礦井正常的生產(chǎn)接續(xù)。針對(duì)這種情況，山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司提出了“高壓二氧化碳預(yù)裂和巷幫鉆孔邊抽邊掘掩護(hù)掘進(jìn)”相結(jié)合的綜合瓦斯治理技術(shù)。

一、高壓CO2煤層預(yù)裂增透解吸技術(shù)工作原理

在標(biāo)況下液態(tài)CO2受熱成為氣體后體積可達(dá)原來的600余倍，在其膨脹過程中可對(duì)周圍物體產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)，形成裂隙。由于煤層并非一個(gè)完全致密物體，本身就存在著原生裂隙，具有巨大壓強(qiáng)CO2氣體必將會(huì)對(duì)這些裂隙擴(kuò)張并溝通，最終改善煤層透氣性。由于CO2氣體的帶壓膨脹會(huì)對(duì)吸附在煤層中的瓦斯產(chǎn)生驅(qū)趕作用，但瓦斯又具有較強(qiáng)的親煤特性，使得煤體中的吸附瓦斯呈游離狀態(tài)。因此，高壓CO2煤層預(yù)裂增透解吸技術(shù)從根本上解決了難抽采煤層透氣性差和煤層中瓦斯游離度低的抽采的制約因素，實(shí)現(xiàn)瓦斯的高濃、高效抽出。二氧化碳預(yù)裂增透技術(shù)的基本原理如下：

1.CO2氣體本身沒有爆炸性，具有抑制爆炸和燃燒的作用。

2.在溫度 31℃以下、壓力 7.2MPa時(shí)，CO2以液態(tài)存在。

3.1.0kg液態(tài)CO2吸收60.0kJ的熱量才能氣化。

4.當(dāng)溫度超過31℃時(shí)，無論壓力多大，液態(tài)CO2將在40毫秒內(nèi)氣化。

5.CO2預(yù)裂器內(nèi)部安裝發(fā)熱裝置，熱反應(yīng)過程在完全密閉且充滿液態(tài)CO2的主體內(nèi)腔中進(jìn)行，震動(dòng)和撞擊均無法激活發(fā)熱裝置，因此該設(shè)備的充裝、運(yùn)輸、正常存放和安裝使用具有較高的安全性。

6.液態(tài)CO2氣化產(chǎn)生高壓波，可以預(yù)裂煤層增透，提高煤層滲透性，增加瓦斯抽采效率。

7.煤體對(duì)CO2的吸附性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)瓦斯的吸附性，使爆破后的CO2能夠滯留，且驅(qū)趕出大量煤體吸附的瓦斯。

8.煤體對(duì)CO2的滲透率高于對(duì)瓦斯氣體的滲透率2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，CO2爆破過程中，由于CO2氣體的滲流運(yùn)移，減小了煤體吸附瓦斯的分壓，從而使瓦斯持續(xù)解吸，提高瓦斯釋放量和礦井瓦斯抽采率。

二、高壓CO2煤層預(yù)裂技術(shù)裝備及特征

1.高壓CO2煤層預(yù)裂技術(shù)裝備

二氧化碳預(yù)裂器主要由二氧化碳預(yù)裂組件、連接件、聯(lián)線件、封孔器、引出桿、可調(diào)式頂桿及封孔注液泵組成，如圖1所示。

圖1 二氧化碳預(yù)裂器組成示意圖

2.技術(shù)裝備特征

二氧化碳煤層預(yù)裂器主要由主體腔、化學(xué)熱反應(yīng)裝置、充排氣電極閥、泄能閥、定壓泄能片、止飛機(jī)構(gòu)、密封墊、切割圈等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 二氧化碳預(yù)裂組件結(jié)構(gòu)圖

工作時(shí)，將液態(tài)的CO2注入CO2煤層預(yù)裂器內(nèi)腔，關(guān)閉注液閥。在煤壁上打一適當(dāng)?shù)你@孔，將注入液態(tài)CO2的預(yù)裂器置于鉆孔內(nèi)，通過礦用發(fā)爆器在充排氣閥上的兩個(gè)電極上加脈沖電流約0.5～2秒，裝置中的化學(xué)熱反應(yīng)材料迅速反應(yīng)放熱，液態(tài)CO2溫度迅速升高。汽化致使其壓力隨之加大，達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，定壓泄能片破裂，使得CO2氣體高速噴出，從而使其能夠在煤層裂隙中膨脹，導(dǎo)致煤層裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大、透氣增強(qiáng)。

從實(shí)際試驗(yàn)中測(cè)得，CO2氣體從管體中噴出的時(shí)間大致可控制在0.1～0.5秒之間，這樣CO2氣體對(duì)煤層的作用時(shí)間就相對(duì)長的多，并且，在氣體膨脹過程中就能夠保持一段相對(duì)高的壓力，這樣能量的釋放也就緩和的多、持續(xù)的多，這對(duì)于煤層裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展、增加煤層滲透性和驅(qū)替瓦斯非常有利。

三、高壓CO2預(yù)裂煤層實(shí)施方案及工藝

1.高壓CO2預(yù)裂煤層實(shí)施方案

在掘進(jìn)巷道兩幫設(shè)置預(yù)裂抽采鉆場，通過預(yù)裂抽采，在巷道設(shè)計(jì)路線上預(yù)先形成一個(gè)低瓦斯區(qū)，從而徹底解決巷道掘進(jìn)時(shí)瓦斯帶來的安全威脅。本著這一宗旨，在巷道掘進(jìn)前，首先設(shè)置預(yù)裂抽采鉆場，通過高壓CO2煤層預(yù)裂增解吸技術(shù)對(duì)煤體的作用改善煤層透氣性和煤層瓦斯的游離性，實(shí)現(xiàn)預(yù)定區(qū)域內(nèi)瓦斯快速抽出。石泉煤業(yè)在30101采區(qū)膠帶上山掘進(jìn)巷道兩幫布置抽采鉆場，布置間距為80m，而在首次預(yù)裂時(shí)，鉆場布置為兩鉆場相對(duì)布置，此后一幫（左右?guī)途桑┯?0m處布置第二個(gè)鉆場，而另一幫則于80m處布置第二個(gè)鉆場，之后各幫的鉆場均為80m間隔布置即可。

（1）鉆場設(shè)計(jì)。鉆場布置在30101采區(qū)膠帶上山巷道兩幫，鉆場規(guī)格：5m×4m×3.2m(深×寬×高)，如圖 3所示。

圖3 鉆場設(shè)計(jì)圖

（2）鉆孔設(shè)計(jì)。預(yù)裂孔距鉆場實(shí)體煤側(cè)0.5m，距底板高1.2m處。屏蔽抽采孔；1#孔距鉆場實(shí)體煤側(cè)1m，距底板高1.6m處；2#孔距鉆場實(shí)體煤側(cè)1.5m，距底板高2m處，如圖4所示。

圖4 鉆孔設(shè)計(jì)圖

鉆孔方向?yàn)橄锏谰蜻M(jìn)方向，方位角與巷道軸線外偏10°。傾角與底板平行或略仰2°，鉆孔直徑為Φ94；孔深為100m。

2.高壓CO2預(yù)裂煤層工藝

在地面將發(fā)熱裝置安裝在組件內(nèi)，并把預(yù)裂組件組裝好，通過專用設(shè)備注入液態(tài)CO2，合格后運(yùn)至煤礦井下預(yù)裂現(xiàn)場，將預(yù)裂裝置組裝依次推入已打好的預(yù)裂鉆孔內(nèi)，安設(shè)封孔器，通過引出桿和可調(diào)式頂桿固定，用封孔注液泵實(shí)施遠(yuǎn)程封孔，經(jīng)檢查，達(dá)到要求時(shí)即可用井下礦用發(fā)炮器激活組件內(nèi)發(fā)熱材料進(jìn)行預(yù)裂工作，起爆后等待規(guī)定時(shí)間后啟封。若啟封時(shí)瓦斯涌出量過大，可立即再次封孔，使用調(diào)節(jié)啟封方式將孔內(nèi)瓦斯適量泄出，最后從孔內(nèi)拆卸預(yù)裂裝置，按抽采要求接入系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽出。

（1）按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工爆破孔，實(shí)施至預(yù)定深度后，通過壓風(fēng)清理鉆孔中的殘?jiān)?，然后退出，并測(cè)試鉆孔瓦斯涌出參數(shù)。但此時(shí)不可移動(dòng)鉆機(jī)或更改鉆機(jī)參數(shù)，如鉆機(jī)支護(hù)位置、鉆機(jī)方位角、傾角等。

（2）測(cè)試完畢后，利用鉆機(jī)將二氧化碳致裂器推送入孔中。100m的鉆孔中等間距布置10套致裂器，致裂器之間通過一定數(shù)量的連接管連接。將致裂器全部送入鉆孔后，裝入封孔器和止飛機(jī)構(gòu)。

（3）按照《煤礦安全規(guī)程》和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求實(shí)施爆破作業(yè)。

（4）爆破完畢后，打開封孔器測(cè)試管，測(cè)試鉆孔瓦斯流量及考察孔的瓦斯流量。

（5）利用鉆機(jī)將鉆孔中的致裂器和連接管依次取出，對(duì)試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行封孔，封孔長度不小于10m，始封深度2m，并持續(xù)考察瓦斯涌出參數(shù)。

四、試驗(yàn)效果分析

高壓CO2煤層預(yù)裂增解吸技術(shù)于2014年10月11日在石泉煤業(yè)30101采區(qū)膠帶上山3#鉆場中試驗(yàn)性使用。

對(duì)比圖5～6可知：在試驗(yàn)前，抽采孔瓦斯?jié)舛人p較快，在連續(xù)抽采15天瓦斯?jié)舛然沮呌诜€(wěn)定，處于5%～8%；且在連續(xù)抽采18天平均瓦斯?jié)舛葹?9.3%。二氧化碳預(yù)裂爆破后，抽采21天單孔平均瓦斯?jié)舛葹?3%，抽采18天單孔平均瓦斯抽采濃度為73.8%，為試驗(yàn)前抽采孔瓦斯平均濃度的3.8倍；且連續(xù)抽采21天后瓦斯?jié)舛葻o明顯下降趨勢(shì)。

對(duì)比圖7～8可知：試驗(yàn)前鉆孔瓦斯抽采純量在16天內(nèi)平均為0.025m3/min；采用二氧化碳預(yù)裂爆破以后，鉆孔瓦斯抽采純量在16天內(nèi)平均為0.4m3/min，為試驗(yàn)前鉆孔瓦斯抽采純量的16.3倍；21天內(nèi)瓦斯抽采純量平均為0.37m3/min。

圖5 試驗(yàn)前鉆孔瓦斯抽采濃度變化

圖6 試驗(yàn)后鉆孔瓦斯抽采濃度變化

圖7 試驗(yàn)前鉆孔瓦斯抽采純量變化

圖8 試驗(yàn)后鉆孔瓦斯抽采純量變化

五、結(jié)論

1.分析了二氧化碳預(yù)裂爆破的工藝及方法，通過試驗(yàn)得出：采用二氧化碳預(yù)裂爆破可以有效提高鉆孔瓦斯抽采濃度及抽采瓦斯純量，對(duì)比可知，試驗(yàn)后鉆孔瓦斯抽采濃度及純量分別比試驗(yàn)前增高3.8及16.3倍。

2.高壓CO2煤層預(yù)裂增解吸技術(shù)具有增強(qiáng)煤層透氣性和提高煤層瓦斯活性的雙重功效，可實(shí)現(xiàn)較難抽采煤層瓦斯高效、高濃抽出。