CO2預裂增透瓦斯抽采技術(shù)研究

郭愛軍 孟秀峰 令狐建設(shè) 趙慶珍 陳鳳杰 曹代勇

(1.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.山西能源學院，山西省晉中市，030600；3.山西陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司，山西省陽泉市，045000)

陽泉礦區(qū)是我國瓦斯災害較為嚴重的礦區(qū)之一。陽泉煤業(yè)(集團)股份有限公司所屬礦井隨著開采深度的增加，煤與瓦斯突出問題日益嚴重。目前，有寺家莊公司、新景公司、石港公司、新元公司、平舒公司、開元公司六對突出礦井。據(jù)統(tǒng)計，陽泉煤業(yè)平均每年發(fā)生煤與瓦斯突出(瓦斯異常涌出)問題66余次，最大突出強度295 t，最大瓦斯涌出量27334 m3，嚴重影響了礦井的安全高效開采。因此，防治煤與瓦斯突出是陽泉礦區(qū)瓦斯治理需要攻克的主要技術(shù)難題之一。

近幾年，陽泉煤業(yè)所屬礦井在煤層增透技術(shù)方面先后開展了水力擠出、水力割縫、水力壓裂、水砂壓裂以及深孔預裂爆破等試驗研究，在提高煤層透氣性方面取得了重要進展，但也存在一定的問題，比如水力擠出消突范圍窄，達不到區(qū)域消突的目的；水力壓裂、水砂壓裂裝備龐大，封孔較難，推廣應用受到一定限制；水力割縫在掘進工作面的消突試驗還未得到確切驗證；導爆索深孔預裂爆破也僅處于小規(guī)模的試驗階段。到目前為止，陽泉煤業(yè)的煤層增透技術(shù)仍然未形成固化的技術(shù)措施和技術(shù)體系。

通過CO2預裂增透現(xiàn)場試驗，研究CO2高壓致裂誘發(fā)瓦斯抽采濃度、瓦斯含量變化規(guī)律，分析CO2煤層預裂增透技術(shù)對本煤層的預裂增透效果，形成適合于陽煤集團試驗礦井CO2煤層預裂增透技術(shù)工藝，為陽煤集團高、突礦井掘進工作面快速掘進提供技術(shù)支撐。

1 CO2預裂增透技術(shù)裝備

利用CO2預裂增透治理瓦斯技術(shù)主要通過液態(tài)CO2在密閉空間液-氣兩相轉(zhuǎn)變的過程中，釋放出大量高能氣體對煤體進行預裂。在31℃以下、7.2 MPa壓力以上的物理狀態(tài)，CO2以液態(tài)存在。當溫度高于31℃時，以液態(tài)狀態(tài)存在的CO2可在100～300 mms內(nèi)氣化，同時產(chǎn)生60～200 MPa的壓力對煤體造成“爆轟”沖擊 ，其產(chǎn)生的高壓沖擊波能夠在30～60 mms內(nèi)對煤體沖擊致裂，增加煤體的透氣性。由于煤對CO2的吸附性能高于CH4，氣化的CO2可置換和驅(qū)替煤中的CH4，使煤層中的瓦斯在致裂增透和置換驅(qū)替雙重作用下，提高煤層瓦斯抽采效率。

CO2預裂裝備組件由可調(diào)式頂桿、引出桿、水壓封孔器、連接件、預裂裝置組成。預裂裝置的工作原理：預先安設(shè)并固定化學發(fā)熱材料裝置在預裂裝置管腔，將液態(tài)的CO2注入管腔內(nèi)，存在于裝置內(nèi)的化學發(fā)熱材料通過礦用發(fā)炮器進行激活，對腔內(nèi)的液態(tài)CO2進行加熱，使其在短時間內(nèi)受熱汽化膨脹，使管腔內(nèi)產(chǎn)生高壓，待壓力達到預設(shè)值后，卸壓片自動打開，高壓CO2氣體瞬間釋放，產(chǎn)生的高壓波對煤體產(chǎn)生預裂作用，最終達到增透的目的。預裂裝置如圖1所示。

圖1 預裂裝置圖

2 寺家莊公司CO2預裂增透試驗

2.1 瓦斯地質(zhì)概況

寺家莊公司井田位于沁水煤田的東北邊緣，總體呈東高西低的單斜構(gòu)造，含煤地層由老到新依次為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組。其中，太原組、山西組為主采煤層，是主要勘探對象。可采煤層為8#、9#、15#煤層。

礦井采用斜立井多水平混合開拓，設(shè)有主斜井、副立井、中央進風立井、中央回風立井、北翼進風井和北翼回風井共6個井筒。寺家莊公司在礦建期間曾發(fā)生過2次壓出型煤與瓦斯突出，經(jīng)中煤科工集團沈陽研究院鑒定，寺家莊公司為煤與瓦斯突出礦井，15#煤層為煤與瓦斯突出煤層?，F(xiàn)階段采用的瓦斯治理技術(shù)措施有：回采工作面采用順層鉆孔雙側(cè)布孔方式預抽；掘進工作面采用順層鉆孔預抽、頂?shù)装鍘r巷超前掩護煤巷預抽；千米鉆機施工順層鉆孔區(qū)域預抽。

2.2 15205工作面CO2預裂增透試驗

15205工作面開采15#煤層，該煤層結(jié)構(gòu)較簡單，一般含矸2～3層，塊狀及粉狀，以鏡煤為主，其次為暗煤，屬煤光亮型煤，煤質(zhì)較松軟，總體為一南北高中間低的向斜形態(tài)，煤層有波狀起伏，傾角一般為5°～7°。

試驗地點選在15205工作面進風巷，施工1個CO2預裂孔和12個抽采孔。15205工作面預裂、抽采鉆孔布置如圖2所示。預裂孔位于巷道中線上，距底板2.3 m。12個抽采孔位于預裂孔兩側(cè)，1#、2#、3#、4#、5#抽采孔位于左側(cè)，1#、2#、3#抽采孔位于同一縱向上，孔間距1.2 m，距離預裂孔4.6 m，3#抽采孔距底板1 m；4#、5#位于同一縱向上，孔間距1.2 m，距離預裂孔4.1 m，5#抽采孔距底板1.6 m。6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#抽采孔位于右側(cè)，6#、11#、7#、12#抽采孔位于同一縱向上，孔間距0.5 m，距離預裂孔4.6 m，12#抽采孔距底板1 m；8#、9#、10#抽采孔位于同一縱向上，距離預裂孔4.1 m，孔間距1.2 m，10#抽采孔距離底板1 m。15205工作面預裂、抽采鉆孔布置參數(shù)見表1。

1#、2#、3#抽采孔終孔位置距右?guī)洼喞€20 m， 4#、5#抽采孔終孔位置距右?guī)洼喞€17 m；6#、7#、11#、12#抽采孔終孔位置距左幫輪廓線20 m，8#、9#、10#抽采孔終孔位置距左幫輪廓線17 m。

預裂孔和抽采孔施工完成后，進行了兩次預裂，時間間隔24 h，第一次預裂使用14個預裂管，預裂深度27～55 m，第二次預裂使用12個預裂管，預裂深度24～48 m。

圖2 15205工作面預裂、抽采鉆孔布置剖面圖

孔號角度/(°)方位角/(°)鉆孔深度/m距底板/m預裂深度/m預裂器支數(shù)/支預裂孔1S0°862.320～60二次預裂1#抽采孔2SE15°903.4--2#抽采孔2SE15°902.2--3#抽采孔0SE15°901.0--4#抽采孔2SE12°882.8--5#抽采孔2SE12°881.6--6#抽采孔-5SW15°902.5--7#抽采孔-7SW15°901.5--8#抽采孔0SW12°883.4--9#抽采孔-9SW12°882.2--10#抽采孔-5SW12°881.0--11#抽采孔-8SW28°482.0--12#抽采孔-8SW28°481.0--

3 結(jié)果分析

15205工作面預裂鉆孔實施“一孔兩爆”試驗。第一次預裂前，巷道最大瓦斯?jié)舛葹?.15%，孔口最大瓦斯?jié)舛葹?0%；試驗后，巷道最大瓦斯?jié)舛葹?.16%，在預裂16 h后測量的孔口最大瓦斯?jié)舛葹?8%。第二次預裂前，巷道最大瓦斯?jié)舛葹?.16%，孔口最大瓦斯?jié)舛葹?8%；試驗后，巷道最大瓦斯?jié)舛葹?.16%，在預裂16 h后測量的孔口最大瓦斯?jié)舛葹?3%，隨后瓦斯?jié)舛戎饾u衰減。

二次預裂后各抽采孔及預裂孔瓦斯?jié)舛茸兓姳?和圖3。由表2可以看出，有8個鉆孔瓦斯?jié)舛壬撸?個鉆孔瓦斯?jié)舛冉档停髠?cè)鉆孔平均瓦斯?jié)舛仍黾?.28%，右側(cè)鉆孔平均瓦斯?jié)舛仍黾?.72%，整體瓦斯?jié)舛壬?.4%?？傮w以預裂孔為圓心，瓦斯形成“置換、驅(qū)替環(huán)”，在預裂孔周圍的4#、5#、9#抽采孔瓦斯?jié)舛妊杆傧陆?，比預裂前的瓦斯?jié)舛绕骄陆盗?7.6%。而遠離預裂孔的1#、2#、3#、12#抽采孔平均瓦斯?jié)舛缺阮A裂前升高了20.95%。

圖3 CO2預裂形成的“置換、驅(qū)替環(huán)”

表2 二次預裂后各抽采孔及預裂孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

4 結(jié)論

(1)采用“一孔兩爆”的方式進行CO2預裂試驗，CO2置換和驅(qū)替了預裂孔周圍的CH4，瓦斯迅速向周邊擴散，形成以預裂孔為圓心的瓦斯“置換、驅(qū)替環(huán)”，在預裂孔周圍的4#、5#、9#抽采孔瓦斯?jié)舛妊杆傧陆担阮A裂前的瓦斯?jié)舛绕骄陆盗?7.6%。而遠離預裂孔的1#、2#、3#、12#抽采孔，平均瓦斯?jié)舛缺阮A裂前升高了20.95%。

(2)通過第一次預裂前后巷道瓦斯?jié)舛群偷诙晤A裂前后巷道瓦斯?jié)舛鹊膶Ρ?，表明CO2預裂強度提高后，未對巷道風排瓦斯造成影響，證明“一孔兩爆”CO2預裂方法安全有效，可在高瓦斯礦井中使用。

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