深部采區(qū)低滲透性煤層CO2致裂增透試驗(yàn)研究

任云峰

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030006)

隨著國(guó)內(nèi)煤炭資源井工開(kāi)采強(qiáng)度及開(kāi)采深度的增加，深部開(kāi)采區(qū)域地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜。逐步轉(zhuǎn)為高瓦斯低滲透性煤層開(kāi)采，而深部高瓦斯低滲透煤層普遍存在抽采瓦斯效果差、施工周期長(zhǎng)、抽采濃度低、鉆孔流量小等問(wèn)題。相關(guān)研究表明，針對(duì)高瓦斯低滲透性煤層的賦存條件，增加煤層透氣性是礦井安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵手段[1-3]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在煤層增透方面做了大量研究工作，形成了一批重大科研成果。主要有密集鉆孔法、高壓注水、水力致裂、水力割縫、高壓脈沖水射流等多種卸壓增透方法[4-9]。以上增透方法在簡(jiǎn)單地質(zhì)條件下試驗(yàn)效果較好，而復(fù)雜地質(zhì)條件下應(yīng)用效果欠佳。近年來(lái)，很多學(xué)者研究了CO2煤層致裂技術(shù)[10-13]。但是CO2相變致裂技術(shù)在深部采區(qū)低滲透性煤層的現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用上，沒(méi)有形成可靠穩(wěn)定成型的配套技術(shù)。深部采區(qū)高瓦斯低滲透煤層常規(guī)增透技術(shù)的抽采瓦斯抽采效果差、施工周期長(zhǎng)、抽采濃度低、鉆孔流量小。因此，研究CO2相變致裂增透技術(shù)在深部采區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有十分重要的意義。本文針對(duì)以上情況，結(jié)合CO2相變致裂增透機(jī)理等理論分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果良好，保障了深部采區(qū)低滲透性煤層安全高效開(kāi)采。

1 CO2增透機(jī)理

1.1 基本理論

根據(jù)Griffith提出的能量法可知，如果裂紋擴(kuò)散過(guò)程中應(yīng)變能量大于材料的阻力時(shí)，材料中的裂紋開(kāi)始失穩(wěn)擴(kuò)散[14]。裂紋尺寸和材料斷裂強(qiáng)度的關(guān)系式為：

(1)

在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究鉆孔內(nèi)CO2相變致裂的受力特點(diǎn)，分析了縫隙尖端受力情況，得出了CO2相變致裂縫隙起裂的壓力表達(dá)式為[15]：

(2)

式中，J為起裂壓力；σ為裂紋失穩(wěn)斷裂的應(yīng)力臨界值；γ為裂紋尖端失穩(wěn)時(shí)的表面能；E為煤體的彈性模量；α為裂紋的長(zhǎng)度；v為泊松比；σx，σy為尖端水平和垂直壓力；pn為氣體壓力。

根據(jù)以上得出的CO2相變致裂縫隙起裂表達(dá)式可知，致裂鉆孔在CO2高壓氣體相變的作用下，鉆孔表面首先發(fā)生起裂，然后在高壓氣體的作用下，氣體在裂隙內(nèi)部流動(dòng)。當(dāng)產(chǎn)生新的裂隙后，高壓氣體沿著該弱面向下一個(gè)弱面流動(dòng)，循環(huán)往復(fù)，形成了鉆孔內(nèi)部煤層壓裂的裂隙狀態(tài)。

1.2 CO2增透機(jī)理分析

CO2相變致裂增透技術(shù)是利用液態(tài)CO2在致裂器中瞬間受熱爆破產(chǎn)生的氣體膨脹(約600倍)，從而形成的孔內(nèi)120MPa高壓氣體將剪切片沖破，高壓 CO2氣體瞬間從釋放管噴出，利用噴出的高壓氣體瞬間膨脹作用，使其介質(zhì)破裂，從而達(dá)到物理劈裂的目的。對(duì)其產(chǎn)生的裂紋分析可知，當(dāng)裂紋驅(qū)動(dòng)能達(dá)到一定數(shù)值，即起裂壓力(J)時(shí)，裂紋開(kāi)始穩(wěn)定延伸，在CO2致裂過(guò)程中氣體的膨脹產(chǎn)生的壓力作用下，裂紋開(kāi)始失穩(wěn)擴(kuò)展，并在四周煤層進(jìn)一步延伸和發(fā)展，形成一個(gè)相互交替的蛛網(wǎng)式的聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)，增加了煤層的透氣性和可抽性。

由于氣體膨脹產(chǎn)生的壓力影響，煤層內(nèi)部的應(yīng)力急劇變化，形成集中應(yīng)力并向四周放射性擴(kuò)散，大量的裂紋的形成致使煤層鉆孔周圍的應(yīng)力降低，形成了鉆孔周圍的泄壓區(qū)，從而改善了深部采區(qū)煤體的透氣性。

1.3 CO2增透工藝

CO2致裂增透系統(tǒng)裝置按先后順序分為可控引發(fā)系統(tǒng)、熱反應(yīng)材料等。工藝主要由主管、充氣閥、泄能閥、發(fā)熱裝置和電極引出體等5個(gè)部分構(gòu)成。系統(tǒng)組裝完成后，通過(guò)氣體增壓泵向儲(chǔ)液管內(nèi)部充入液態(tài)的CO2氣體，并維持儲(chǔ)液管內(nèi)液態(tài)CO2壓力為8～10MPa；測(cè)量電路導(dǎo)通后，用礦用低壓(9V)起爆器啟動(dòng)致裂裝置，起爆致裂后觀測(cè)孔內(nèi)瓦斯壓力情況，氣體的保壓時(shí)間一般維持15min左右。

為避免煤層中鉆孔塌孔，鉆孔中全孔下篩管，起鉆時(shí)緩慢退出導(dǎo)通桿、儲(chǔ)液管與釋放管，并采用囊袋式封孔器注漿封孔，連接永久抽采管路進(jìn)行抽采。

2 工業(yè)性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)區(qū)域11403工作面，5號(hào)煤層底板標(biāo)高+235～+264m，煤層垂直埋深689～715m，原始瓦斯含量8.6～9.8m3/t，平均瓦斯含量9.2m3/t，最大瓦斯壓力1.86MPa。透氣性系數(shù)λ為0.0211m2·(MPa2·d)-1，堅(jiān)固性系數(shù)f為0.41。煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，夾矸3～4層，單層夾矸最大厚度為0.56m。平均煤厚為6.6m，切眼處煤層最厚為7.1m。煤的破壞類型為Ⅲ型。區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為正斷層和派生小斷層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬于復(fù)雜類型，根據(jù)以往抽采情況，該區(qū)域普通抽采鉆孔抽采瓦斯效果不理想。

2.2 試驗(yàn)方案及鉆孔布置

本次選取11403工作面作為CO2增透煤層技術(shù)試驗(yàn)方案地，采用原有施工的瓦斯鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，其中鉆孔分為致裂鉆孔，對(duì)比鉆孔兩組，形成CO2致裂鉆孔試驗(yàn)的初步方案。

本次鉆孔試驗(yàn)區(qū)域選取在11403工作面回風(fēng)大巷。鉆孔設(shè)計(jì)深度為120m,其中致裂6個(gè)鉆孔，孔間距為20m。對(duì)比鉆孔分為4組，每組10個(gè)鉆孔，孔間距為5m。試驗(yàn)致裂組和對(duì)比組各100m區(qū)域。鉆孔示意見(jiàn)圖1。

圖1 CO2致裂增透鉆孔布置平面示意

3 致裂效果考察及分析

3.1 抽采濃度及百米鉆孔抽放量

工作面預(yù)抽鉆孔連孔抽采后，每天在支管孔板上的孔板流量計(jì)讀取一次流量與瓦斯?jié)舛?，根?jù)鉆孔有效長(zhǎng)度計(jì)算得出了百米鉆孔抽放量，工作面預(yù)抽3個(gè)月以后，根據(jù)預(yù)抽鉆孔百米鉆孔抽放量數(shù)據(jù)分析和考察。結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 百米鉆孔抽放量對(duì)比

圖3 抽采濃度對(duì)比

通過(guò)對(duì)比鉆孔瓦斯抽采濃度和百米鉆孔抽放量，可知致裂后的瓦斯抽采濃度和抽采量普遍高于致裂前的平均水平，持續(xù)抽采近3個(gè)月后，后期濃度有所衰減，但衰減幅度不大，抽采濃度總體穩(wěn)定，鉆孔瓦斯抽采濃度穩(wěn)定在50%～70%范圍。百米鉆孔抽采量保持在0.025m3/min 左右。瓦斯抽采濃度提高了約4.6倍，鉆孔瓦斯百米抽采量提高約5倍。

3.2 煤層透氣性系數(shù)

煤層透氣性系數(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定，使用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)所提出的方法。在工作面底板抽放巷施工8個(gè)穿層鉆孔測(cè)定煤層透氣性系數(shù)，鉆孔直徑94mm，孔深30m，間距為10m。實(shí)測(cè)鉆孔內(nèi)氣體壓力與氣體流量，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得7個(gè)鉆孔。根據(jù)徑向不穩(wěn)定流動(dòng)理論計(jì)算透氣性系數(shù)。通過(guò)計(jì)算可知，煤層透氣性系數(shù)平均增加約8倍，煤體CO2預(yù)裂前后煤層透氣性情況對(duì)比如圖4所示。

圖4 透氣性系數(shù)測(cè)試對(duì)比

3.3 K1值

經(jīng)過(guò)3個(gè)月抽采后，對(duì)比組和致裂組在相鄰鉆孔之間,深度每2m進(jìn)行一次K1值數(shù)據(jù)測(cè)試，根據(jù)K1值測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比得出：未經(jīng)CO2致裂的煤體在抽放3個(gè)月后K1值平均減小了0.006；經(jīng)過(guò)CO2致裂的煤體在抽放3個(gè)月后K1值平均減小了0.028。

圖5 K1值測(cè)試對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)CO2相變致裂促進(jìn)游離瓦斯，使瓦斯抽采濃度和抽采純量都保持較高的水平。

(2)通過(guò)在工作面回風(fēng)巷施工長(zhǎng)鉆孔CO2致裂技術(shù)，煤層透氣性系數(shù)提高約8倍，瓦斯抽采濃度和百米瓦斯抽采量分別提高約4.6倍和5倍。隨著抽采量增加，煤層中游離的瓦斯大幅度降低。

(3)致裂增透后通過(guò)測(cè)定分析瓦斯抽采濃度可知，在抽采時(shí)間相同的情況下離致裂孔越近，隨著抽采效果越好。為后期該工程在下一步鉆孔間距布置提供了技術(shù)支撐。

(4)經(jīng)過(guò)CO2致裂的煤體在抽放3個(gè)月后K1值平均降幅大于未致裂煤層的K1值降幅?？梢员砻鰿O2致裂增透可以有效降低煤層危險(xiǎn)性。

(5)相比其他泄壓增透技術(shù)，CO2致裂增透施工技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備操作性強(qiáng)、施工方便、具有良好的卸壓增透效果，在深部開(kāi)采低透氣性煤層中具有較強(qiáng)的適用性。