CO2致裂增透技術(shù)的抽采半徑考察研究

馬淑胤

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

鉆孔有效抽采半徑的考察可以分為穿層鉆孔考察與順層鉆孔考察方式，常用的鉆孔抽采半徑考察方法通常為瓦斯壓力降低法與瓦斯含量現(xiàn)場測定方法，這兩種方法無論哪一種均需要考慮煤層的賦存和煤層的透氣性。國內(nèi)生產(chǎn)礦井為了提高煤層透氣性，增加煤層裂隙，采用水力壓裂[1-3]與炸藥預(yù)裂等方式增加煤層瓦斯的解吸效率，進(jìn)而提高瓦斯抽采率，減小煤層突出危險(xiǎn)性[4-5]。這些技術(shù)雖然在瓦斯治理工作中起到了一定的作用，但對于炸藥預(yù)裂中炸藥的審批、運(yùn)輸、安全性以及爆破參數(shù)都有嚴(yán)格的要求，存在安全隱患；而水力壓裂問題在于壓裂的方向不可控，容易造成過度壓裂等。

近幾年CO2致裂增透技術(shù)的廣泛應(yīng)用，源于其較好的增透效果及安全性[6]。魏剛等[7]為了解決采掘工作面懸頂問題，使用CO2致裂增透技術(shù)進(jìn)行頂煤欲裂，收獲很好的效果。王兆豐等[8]將液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)應(yīng)用于煤層二次增透，取得了較好的成果。孫文忠[9]利用液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)對提高瓦斯抽采效果進(jìn)行了定量研究。

文獻(xiàn)[10-12]對液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)在煤層增透領(lǐng)域的研究取得了一定成果，如九里山礦對單一布孔的方式研究；平煤股份十三礦研究了交錯(cuò)梅花布孔的方式。這些研究對于抽采效果的提高具有一定的意義。為了進(jìn)一步縮短瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，根據(jù)礦井實(shí)際情況，本文采用王兆豐[10]研究的梅花布孔的方式應(yīng)用于穿層鉆孔瓦斯抽采半徑的考察中，明確了致裂孔與抽采鉆孔的間距和每組瓦斯抽采半徑致裂孔的數(shù)量，使實(shí)際抽采過程中更好的提高瓦斯抽采效率。

1 CO2致裂增透技術(shù)

1.1 CO2相變致裂增透技術(shù)原理

CO2致裂技術(shù)原理是在爆破器主管中充入液態(tài)CO2，利用發(fā)爆器迅速激發(fā)加熱，致使主管40ms內(nèi)CO2快速氣化且體積迅速膨脹600倍以上，達(dá)到極限壓力后，泄能片在0.5s內(nèi)立刻破斷[13]，產(chǎn)生的高壓氣體從泄能頭出氣孔高壓沖擊煤體，以此增加煤巖層的透氣性。爆破器由主管、充氣頭(起爆頭)、排氣頭、加熱棒、爆破片、泄能片、止飛器等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爆破器組成結(jié)構(gòu)

1.2 致裂影響半徑

由斷裂力學(xué)與彈塑性力學(xué)理論可知，爆破氣體對于巖石破壞作用可以分為爆破應(yīng)力波作用區(qū)域與爆破氣體的準(zhǔn)靜力場區(qū)域[14]。

應(yīng)力波作用初始裂隙長度為

(1)

式中：rh為爆破孔直徑，取90mm；KI為動(dòng)載下抗拉強(qiáng)度提高系數(shù)；St為巖石靜載下的抗拉強(qiáng)度，煤一般取值為5MPa[15]；α為衰減指數(shù)，一般取值1.5，Pmax為爆破產(chǎn)生氣體高壓峰值，取270MPa。

距離炮孔r處的準(zhǔn)靜應(yīng)力場區(qū)為

(2)

式中：Kb為煤體體積模量，MPa；P為初始裂隙區(qū)內(nèi)氣體壓力，MPa；σr為距離r處的準(zhǔn)靜應(yīng)力。經(jīng)過應(yīng)力波作用后，結(jié)合公式(1)、(2)計(jì)算得到致裂影響半徑約為6.6m。

2 穿層鉆孔抽采半徑布孔方式

為研究CO2相變致裂增透對預(yù)抽煤層瓦斯有效半徑效果的影響，據(jù)計(jì)算得出的致裂破碎半徑，在井下底抽巷選出兩塊試驗(yàn)區(qū)域，分別為試驗(yàn)區(qū)域一與試驗(yàn)區(qū)域二，試驗(yàn)區(qū)域一未進(jìn)行致裂孔布置，試驗(yàn)區(qū)域二致裂孔為梅花形布孔方式，如圖2a、圖2b所示。

根據(jù)礦井實(shí)際情況，在底抽巷試驗(yàn)區(qū)域位置擬考察的瓦斯抽采半徑分為三組：1.5m、2.0m、2.5m，即瓦斯抽采鉆孔間距為3m、4m、5m。每組考察鉆孔按5排布置。試驗(yàn)區(qū)域一為未進(jìn)行過致裂孔布置，抽采鉆孔的布置方式為3m×3m，4m×4m，5m×5m(終孔間距×排間距)。試驗(yàn)區(qū)域二的穿層鉆孔布置方式為黑色充填致裂孔，其他為抽采鉆孔，在該試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)三組抽采半徑鉆孔布置方式為3m×3m，4m×4m，5m×5m(終孔間距×排間距)，抽采孔控制巷道兩側(cè)輪廓15m范圍內(nèi)，致裂孔布置方式采用梅花布孔的方式布置在三組抽采鉆孔內(nèi)[16]，抽采半徑為1.5m、2.0m、2.5m的三組致裂孔布置數(shù)量分別為13個(gè)、27個(gè)、27個(gè)。

圖2 現(xiàn)場鉆孔布置示意圖

3 現(xiàn)場試驗(yàn)效果

試驗(yàn)地址選取某礦15號煤層底抽巷，該礦15號煤層厚度平均約為5.74m，該煤層揮發(fā)分14.71%，孔隙率為5.56%，瓦斯吸附常數(shù)a為30.7702，b為1.3573，煤層透氣性系數(shù)為0.008m3/(m2d)。在該煤層四采區(qū)15404底抽巷距離開口340～460m位置布置兩塊試驗(yàn)區(qū)域，分別為區(qū)域一、區(qū)域二；現(xiàn)場進(jìn)行取樣測瓦斯含量與測瓦斯壓力,表明120m試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)原始瓦斯含量8.9～11.84m3/t，原始瓦斯壓力為0.81～0.96MPa。

試驗(yàn)區(qū)域二內(nèi)，根據(jù)方案對15號煤層進(jìn)行CO2致裂爆破，完成爆破致裂后立即進(jìn)行封孔，并連接抽采管路，最后對抽采效果進(jìn)行考察。為對兩塊試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行對比分析，區(qū)域一與區(qū)域二使用瓦斯抽放綜合參數(shù)測定儀對抽采的瓦斯?jié)舛取⒘髁窟M(jìn)行抽采效果的研究。

3.1 未進(jìn)行CO2致裂爆破抽采半徑效果考察

試驗(yàn)區(qū)域一三組抽采鉆孔在未采取致裂措施的情況下,原始煤體的瓦斯抽采純量與時(shí)間關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 抽采純量隨時(shí)間變化曲線

由圖3可以看出，試驗(yàn)區(qū)域一未采取致裂增透，煤層瓦斯日抽采純量曲線為乘冪函數(shù)形式曲線，即為：

y=At-b

式中：y為抽采量，m3/d；A、b為常數(shù)；t為時(shí)間，d。

圖3為實(shí)測日平均抽采純量，由圖3可以看出抽采半徑為1.5m的抽采鉆孔，在成孔后抽采純量在第25d衰減至2m3/d；當(dāng)抽采到第80d，抽采純量約為1m3/d；140d后，抽采純量維持在0.15m3/d。抽采半徑為2m的抽采鉆孔，在成孔后抽采純量在第30d衰減至2.1m3/d；當(dāng)抽采到第90d，抽采純量約為1m3/d；160d后，抽采純量維持在0.2m3/d。抽采半徑為2.5m的抽采鉆孔，成孔后抽采純量在20～40d衰減，處于2m3/d左右穩(wěn)定波動(dòng)；150d后，抽采純量維持在0.3m3/d。

由圖3可以看出，抽采半徑1.5m的抽采純量曲線中，單孔平均抽采純量10d累計(jì)為35m3、20d累計(jì)為65.1m3、30d累計(jì)為91.1m3、40d累計(jì)為116.7m3；抽采半徑2m的抽采純量曲線中，單孔平均抽采純量10d累計(jì)為34.9m3、20d累計(jì)為62.4m3、30d累計(jì)為90.1m3、40d累計(jì)為115.7m3；抽采半徑2.5m的抽采純量曲線中，單孔平均抽采純量10d累計(jì)為32.1m3、20d累計(jì)為57.7m3、30d累計(jì)為82.1m3、40d累計(jì)為102.4m3。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域一煤層原始瓦斯日抽采純量衰減曲線及三組抽采半徑分別累計(jì)的抽采純量計(jì)算可以得出，未采取致裂爆破條件下，1.5m抽采半徑抽采達(dá)標(biāo)需要235d；2m抽采半徑抽采達(dá)標(biāo)需要270d；2.5m抽采半徑抽采達(dá)標(biāo)需要300d。

3.2 CO2致裂爆破抽采半徑效果考察

試驗(yàn)區(qū)域二考察了三組抽采半徑采取致裂措施后煤體的瓦斯抽采純量與時(shí)間關(guān)系曲線，如圖4所示。

試驗(yàn)區(qū)域二內(nèi)布置致裂孔的三組抽采半徑1.5m、2m、2.5m，使用CO2致裂爆破增透后，抽采鉆孔致裂后的35～135d內(nèi)，平均日抽采純量一直處于高于致裂前的水平，并且三組抽采鉆孔平均日抽采純量是致裂前的1～4倍，由此可知，致裂增透技術(shù)可以有效增加煤層的透氣性和提高抽采純量，致裂措施實(shí)施后前期效果非常明顯。

由圖4可以看出，抽采半徑1.5m致裂后的抽采純量曲線中，單孔平均抽采純量10d累計(jì)為103m3、20d累計(jì)為201m3、30d累計(jì)為290.3m3、40d累計(jì)為360m3，抽采達(dá)標(biāo)僅需150天左右。抽采半徑2m致裂后的抽采純量曲線中，單孔平均抽采純量10d累計(jì)為96m3、20d累計(jì)為172.9m3、30d累計(jì)為248.5m3、40d累計(jì)為308.1m3，抽采達(dá)標(biāo)僅需190天左右。抽采半徑2.5m致裂后的抽采純量曲線中，單孔平均抽采純量10d累計(jì)為100m3、20d累計(jì)為186m3、30d累計(jì)為268m3、40d累計(jì)為340m3，抽采達(dá)標(biāo)僅需240天左右。

圖4 CO2致裂爆破抽采純量隨時(shí)間變化曲線

4 試驗(yàn)區(qū)域?qū)Ρ确治?/h2>

4.1 試驗(yàn)區(qū)域致裂效果對比

兩塊試驗(yàn)區(qū)域經(jīng)抽采半徑抽采效果對比可以看出，采區(qū)致裂增透措施后三組不同抽采半徑抽采濃度明顯增加，抽采純量呈現(xiàn)與未進(jìn)行致裂措施類似的冪函數(shù)式的衰減。

從10d、20d、30d、40d時(shí)間節(jié)點(diǎn)累計(jì)單孔平均抽采純量可知，三組不同抽采半徑致裂后的抽采純量曲線中，單孔平均抽采純量與致裂前的相比提高了3倍。致裂措施后，煤層的透氣性系數(shù)為2m3/(m2·d)，大約為致裂增透前的250倍，抽采達(dá)標(biāo)期限明顯縮短。

4.2 不同抽采半徑的對比分析

未采取致裂措施前，由圖3可以看出，三組抽采以1.5m抽采半徑的單孔日抽采純量最大，抽采效果最好，抽采達(dá)標(biāo)期限最短，為235天。采取致裂措施后(圖4)，三組抽采還是以1.5m抽采半徑的單孔日抽采純量抽采效果最好，并且根據(jù)計(jì)算的致裂孔影響半徑6.6m布置致裂孔13個(gè)，數(shù)量最少，抽采達(dá)標(biāo)期限最短為150天。采取致裂措施后的1.5m抽采半徑單孔日抽采純量是致裂前的3倍。

5 結(jié)論

(1)某礦15號煤層CO2致裂爆破試驗(yàn)中，根據(jù)斷裂力學(xué)與彈塑性力學(xué)計(jì)算得出：CO2致裂爆破影響半徑為6.6m，根據(jù)影響半徑布置抽采半徑1.5m的致裂孔13個(gè)。

(2)致裂增透前，15號煤層穿層鉆孔抽采半徑1.5m，最優(yōu)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的235d；致裂增透后抽采半徑1.5m抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間150d，有效縮短了抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間85天，抽采效率提高了36.17%。