煤體增透與抽采瓦斯的關(guān)系研究

董 愷

（陜西華彬煤業(yè)股份有限公司蔣家河煤礦，陜西 彬縣 713500）

瓦斯災(zāi)害是煤礦中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]。只有把瓦斯治理工作做扎實(shí)、做到位，才能避免煤礦生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯事故的發(fā)生。當(dāng)前，瓦斯治理的主要方法是抽采和風(fēng)排，而抽采無(wú)疑是治理瓦斯最積極、最主動(dòng)的一種方法。在進(jìn)行煤層瓦斯抽采時(shí)，根據(jù)煤層透氣性系數(shù)將煤層瓦斯抽放的難易程度劃分為三類：容易抽放、可以抽放、較難抽放[2]。為了提高可以抽放及較難抽放煤層的瓦斯抽采率，就需要對(duì)此類煤層進(jìn)行煤體增透，通過(guò)促使煤體裂隙發(fā)育以達(dá)到提高瓦斯抽采率的目的。

目前主要的煤體增透措施有水力壓裂增透、水力割縫增透、松動(dòng)爆破增透、高壓氣體沖擊煤體增透[3]、液態(tài)CO2致裂增透。

為了研究煤體增透與抽采瓦斯的關(guān)系，在蔣家河煤礦ZF204備用工作面，選用液態(tài)CO2致裂增透技術(shù)進(jìn)行了一次煤體增透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，增透以后的煤層平均抽采瓦斯?jié)舛忍岣呓?.5倍，平均抽采瓦斯流量提高3～5倍。

1 礦井及工作面概況

蔣家河煤礦隸屬于彬縣煤炭有限責(zé)任公司，位于陜西咸陽(yáng)彬州市境內(nèi)的彬長(zhǎng)礦區(qū)南部。2005年開(kāi)工建設(shè)，2009年建成投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模90萬(wàn)t/a。采用立井單水平開(kāi)拓、中央邊界式通風(fēng)、綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，4#煤層為井田內(nèi)主要可采煤層，全井田分布，結(jié)構(gòu)單一[4]，經(jīng)煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司2016年3月測(cè)定：4#煤層最大瓦斯含量6.76～6.92m3/t，瓦斯壓力0.29～0.49MPa，煤層透氣性系數(shù)2.466～2.657m2/MPa2.d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.0196～0.0229d-1，為可以抽放煤層。經(jīng)咸陽(yáng)市礦山救護(hù)隊(duì)2016年7月鑒定：礦井絕對(duì)瓦斯涌出量34.37m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量17.68m3/t，采面最大絕對(duì)瓦斯涌出量26.83m3/min，為高瓦斯礦井。

ZF204備用工作面走向長(zhǎng)度1270m，傾斜長(zhǎng)度151m，煤層平均厚度9.3m，共布置兩條巷道，分別為運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽?；仫L(fēng)順槽斷面為矩形，寬4.5m，高3.1m，用于回風(fēng)、運(yùn)料、行人。運(yùn)輸順槽斷面為矩形，寬5.0m，高3.1m，用于進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤、運(yùn)料、行人。

2 液態(tài)CO2致裂增透試驗(yàn)

2.1 液態(tài)CO2致裂器結(jié)構(gòu)

液態(tài)CO2致裂器組成結(jié)構(gòu)[5]見(jiàn)圖1，由主管、充氣頭(起爆頭)、排氣頭、加熱棒、致裂片、泄能片、止飛器等組成。本次致裂試驗(yàn)選用型號(hào)為SBB400-1180/63的液態(tài)CO2致裂器，長(zhǎng)1.2m，外徑Φ63mm，內(nèi)徑Φ30mm，泄能片極限壓力為450MPa，致裂器主管中充裝液態(tài)CO2質(zhì)量為0.8～1kg，液態(tài)CO2充裝壓力為12～15MPa。

圖1 液態(tài)CO2致裂器實(shí)物圖

2.2 液態(tài)CO2致裂增透原理

CO2在溫度小于31℃、壓力超過(guò)7.35MPa時(shí)，呈現(xiàn)液態(tài)，溫度大于31℃時(shí)則逐漸氣化。利用該特性，將液態(tài)CO2加注到致裂裝置的充裝管內(nèi)，使用煤礦專用發(fā)爆器迅速激發(fā)加熱設(shè)備，在40s內(nèi)充裝管內(nèi)液態(tài)CO2快速氣化，體積迅速膨脹，形成大量高壓CO2氣體，超過(guò)泄能片極限壓力時(shí)，泄能片于0.1～0.5s內(nèi)爆裂，高壓氣態(tài)CO2由泄能頭四周的泄氣孔飛速?zèng)_出，與空氣介質(zhì)碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)力波，沖擊試驗(yàn)煤體，從而將試驗(yàn)煤體炸裂，達(dá)到增透煤體的目的。

2.3 增透試驗(yàn)工藝流程

使用液態(tài)CO2開(kāi)展致裂增透技術(shù)主要工藝流程包括施工致裂鉆孔、送入液態(tài)CO2致裂器及連接管、固定致裂器、利用注水封孔器進(jìn)行封孔、撤人起爆、致裂器取出，然后對(duì)致裂孔進(jìn)行封孔并連接抽采，最后開(kāi)展效果考察。

2.4 增透試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)時(shí)間在2016年11月，地點(diǎn)選擇在ZF204備用工作面運(yùn)輸順槽距離開(kāi)切眼200m處。在ZF204工作面運(yùn)輸順槽垂直巷道向煤體中布置3個(gè)致裂孔和4個(gè)控制孔（控制孔用于觀測(cè)瓦斯?jié)舛?、流量等），致裂孔和控制孔交替布置，三個(gè)致裂孔間距為5m，每?jī)蓚€(gè)致裂孔中間布置一個(gè)控制孔。所有孔的孔徑均為113mm，致裂孔孔深50m，控制孔孔深120m。鉆孔布置見(jiàn)圖2，布置參數(shù)見(jiàn)表1。井下試驗(yàn)部分主要工作有：打鉆、裝致裂器、布線、封孔、起爆、效果考察幾個(gè)部分。

圖2 致裂孔和控制孔孔口位置布置圖

表1 試驗(yàn)鉆孔布置參數(shù)

在致裂之前將各個(gè)控制孔進(jìn)行抽放，觀測(cè)瓦斯?jié)舛群土髁康?。致裂之后致裂孔以及控制孔?lián)網(wǎng)抽采瓦斯，測(cè)定其瓦斯?jié)舛?、流量等參?shù)，與致裂之前的進(jìn)行對(duì)比分析。

2.5 效果檢驗(yàn)與分析

經(jīng)過(guò)16d的液態(tài)二氧化碳致裂試驗(yàn)與數(shù)據(jù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：致裂后各觀測(cè)孔（控制孔，下同）瓦斯?jié)舛群土髁慷嫉玫搅瞬煌潭鹊奶岣?，其?#觀測(cè)孔瓦斯?jié)舛忍岣咦畲螅瑥?.2%提高到75%，提高了近15倍，經(jīng)過(guò)10d后衰減到16%左右，效果最為明顯。其余觀測(cè)孔瓦斯?jié)舛榷加胁煌潭忍岣撸骄椴蓾舛扔稍瓉?lái)的3.7%提高到14.28%，平均提高近3.5倍。根據(jù)與致裂孔不同間距的觀測(cè)孔濃度變化來(lái)看，瓦斯抽采半徑由原來(lái)的3m增大到7m。各個(gè)觀測(cè)孔的瓦斯流量平均提高了3～5倍，致裂效果非常明顯。

3 煤體增透可以提高瓦斯抽采濃度及流量的原因

瓦斯在煤體內(nèi)的存在狀態(tài)主要有兩種，即游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)。這兩種存在狀態(tài)不是固定不變的，而是處于不斷變化的動(dòng)平衡狀態(tài)，當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí)，這一動(dòng)平衡就會(huì)被打破。壓力、溫度的變化，都會(huì)影響到這一動(dòng)平衡。當(dāng)進(jìn)行煤層瓦斯抽放時(shí)，煤層內(nèi)壓力降低，煤體內(nèi)部分吸附狀態(tài)的瓦斯就會(huì)解析為游離狀態(tài)的瓦斯。煤的瓦斯含量就是游離瓦斯含量和吸附瓦斯含量?jī)刹糠謽?gòu)成的。影響煤的瓦斯含量的因素較多，其中煤層透氣性對(duì)煤層瓦斯含量影響很大。煤層透氣性是煤層對(duì)于瓦斯流動(dòng)的阻力，通常用透氣性系數(shù)表示。透氣性系數(shù)越大，瓦斯在煤層中流動(dòng)越容易。煤體增透的目的就是借助高能流體、爆破等技術(shù)手段，促使煤體裂隙發(fā)育，使吸附狀態(tài)瓦斯更易解吸，使游離瓦斯更易流動(dòng)。因此，煤體增透能提高瓦斯抽采濃度和流量。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于煤層透氣性差、較難抽放煤層的煤體進(jìn)行增透，可促進(jìn)煤體裂隙發(fā)育，增大煤層透氣性系數(shù)，提高瓦斯抽采率。

（2）煤體增透的程度對(duì)抽采瓦斯的濃度、流量變化有較大影響。

（3）不同煤礦、不同煤層、不同區(qū)域?qū)嵭忻后w增透后，瓦斯抽放濃度及流量增加的比例不同。蔣家河煤礦進(jìn)行煤體增透后，平均抽采濃度提高近3.5倍，平均流量提高了3～5倍。

（4）實(shí)行煤體增透后，瓦斯抽采半徑增大。蔣家河煤礦瓦斯抽采半徑由原來(lái)的3m增大到7m，可以減少一半的鉆孔施工量，節(jié)約瓦斯治理成本。