斜溝煤礦液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)試驗(yàn)研究

溫建偉

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602）

0 引言

近年來(lái)，隨著采掘活動(dòng)向深部延伸，地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜多變，瓦斯已成為礦井安全生產(chǎn)的主要影響因素[1-2]。然而，我國(guó)煤田普遍具有煤層透氣性差的特點(diǎn)，瓦斯抽采難度大、抽采率低是原始煤層抽采過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題[3]。為了改善煤層抽采效果，提高瓦斯抽采效率，必須對(duì)煤層采取卸壓增透技術(shù)措施[4]。

本文基于液態(tài)CO2爆破器工作原理[5]，提出液態(tài)CO2預(yù)裂增透技術(shù)方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比增透前后煤層瓦斯的抽采效果，提高了本煤層瓦斯預(yù)抽效果，消除瓦斯給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)的隱患。

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣魏家灘鎮(zhèn)，主采煤層為8#、13#煤，8#煤層平均厚度為4.70 m，傾角為平均9.4°。8#煤透氣性系數(shù)為0.00926 m2/(MPa2·d)～0.01416 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

圖1 18205工作面布置

18205 工作面標(biāo)高為+520 m～+584 m，可采走向長(zhǎng)度為2 800 m，傾斜長(zhǎng)為264 m，采用U 型通風(fēng)方式，目前工作面瓦斯涌出量為14.15 m3/min，因煤層透氣性差，本煤層瓦斯抽采率低，上隅角瓦斯?jié)舛容^大，嚴(yán)重影響工作面的推進(jìn)速度。

2 液態(tài)CO2爆破技術(shù)

將充有液態(tài)CO2的預(yù)裂組件，組裝安設(shè)在已打好的鉆孔內(nèi)，專用封孔器封孔，通過(guò)激活預(yù)裂組件內(nèi)的發(fā)熱裝置加熱組件內(nèi)的液態(tài)CO2，至設(shè)定壓強(qiáng)時(shí)組件開(kāi)啟，高壓CO2氣體得以在煤體中適時(shí)擴(kuò)散并較長(zhǎng)時(shí)間作用煤體。

3 液態(tài)CO2預(yù)裂增透技術(shù)方案及效果檢測(cè)

煤層深孔預(yù)裂爆破時(shí)，控制孔的存在對(duì)煤預(yù)裂爆破效果是有利的。施工控制孔后，鉆孔在沖擊波和應(yīng)力波的傳播衰減過(guò)程中，應(yīng)力波在控制孔周?chē)l(fā)生反射，應(yīng)力疊加，鉆孔周?chē)后w的卸壓效果提高，裂隙區(qū)范圍增大。

3.1 鉆孔間距對(duì)鉆孔爆破的影響

鉆孔距離的大小對(duì)煤層預(yù)裂爆破效果有直接影響。鉆孔距離過(guò)大，則會(huì)造成炮孔間存在大面積爆破空白區(qū)，導(dǎo)致裂縫無(wú)法貫通，無(wú)法達(dá)到理想的卸壓效果，若是爆破孔和控制孔間距過(guò)小，會(huì)造成爆破區(qū)域發(fā)生大面積重疊，增加額外的爆破成本，并導(dǎo)致煤體破碎嚴(yán)重而影響正常回采。因此，選擇合理的爆破孔間距至關(guān)重要。建立煤層多孔連續(xù)液態(tài)CO2爆破的FLAC3D數(shù)值模型，計(jì)算域50 m×80 m×10 m，爆破鉆孔和控制孔間隔布置，爆破孔直徑為100 mm，控制孔直徑100 mm，模型網(wǎng)格數(shù)124 800 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)139 755 個(gè)。模型上方以等效均布?jí)悍绞绞┘由细矌r層應(yīng)力10 MPa。通過(guò)對(duì)爆破孔間距為10 m、8 m、7.5 m 進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖2所示：爆破孔間距為10 m時(shí)，爆破孔間有大面積區(qū)域未曾受到爆破影響；爆破孔間距為8 m時(shí)，爆破有效范圍明顯增加，但仍有小部分區(qū)域沒(méi)有達(dá)到爆破增透效果；爆破孔間距為7.5 m 時(shí)，爆破孔間所有范圍全部處于爆破有效影響范圍內(nèi)，達(dá)到理想的爆破效果。因此，爆破孔的合理間距為7.5 m。

圖2 不同間距多孔連續(xù)爆破數(shù)值模擬

3.2 液態(tài)CO2預(yù)裂增透技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

（1）液態(tài)CO2爆破器結(jié)構(gòu)及工藝

液態(tài)液態(tài)CO2爆破器爆破器（見(jiàn)圖3）：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。

圖3 液態(tài)CO2爆破器的組成結(jié)構(gòu)

在地面把預(yù)裂組件中的發(fā)熱裝置等組件組裝好后注入液態(tài)CO2，合格后運(yùn)至井下現(xiàn)場(chǎng)，將組件連接件、聯(lián)線件依次組合推入鉆孔，安設(shè)封孔器、引出桿和可調(diào)式頂桿實(shí)現(xiàn)固定，用封孔注液泵實(shí)施遠(yuǎn)程封孔，遠(yuǎn)距離激活發(fā)熱裝置進(jìn)行預(yù)裂，按照作業(yè)規(guī)程要求啟封，拆除預(yù)裂裝備。

（2）鉆孔布置

根據(jù)斜溝煤礦的實(shí)際需要，在18205 材料巷采用液態(tài)CO2預(yù)裂時(shí)，用原有的本煤層鉆孔作為本次試驗(yàn)的爆破孔和控制孔施工位置，孔徑113 mm，爆破孔深50 m，裝藥深度30 m；共計(jì)施工本煤層預(yù)抽鉆孔118個(gè)，其中預(yù)裂鉆孔71個(gè)、未預(yù)裂鉆孔47個(gè)，鉆孔開(kāi)孔高度為1.2 m，同煤層傾角，相鄰孔間距為3.75 m，鉆孔布置如圖5所示。

圖4 爆破鉆孔參數(shù)布置圖

3.3 18205材料巷增透區(qū)域效果檢驗(yàn)

二氧化碳相變致裂爆破本煤層后，在巷道煤壁上形成明顯裂隙，從而可以直觀的看出二氧化碳致裂技術(shù)能夠有效提高煤層裂隙，導(dǎo)通低透氣性煤層瓦斯流動(dòng)通道，提高本煤層鉆孔瓦斯抽采濃度及純量。18205工作面材料巷煤壁在爆破后裂隙發(fā)育規(guī)律如圖5 所示。

圖5 本煤層二氧化碳爆破后煤體裂隙發(fā)育情況

通過(guò)對(duì)18205 材料巷預(yù)裂鉆孔中進(jìn)行分析，爆破數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：孔深220 m，預(yù)裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量為0.029 m3/min·hm，相比于未預(yù)裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量0.010 m3/min·hm，百米鉆孔瓦斯流量提高了2.9 倍、單孔抽采量提高了2.7 倍，并保持穩(wěn)定，如圖6所示。

圖6 爆破前后瓦斯抽采混量對(duì)比

表1 鉆孔施工參數(shù)及抽采參數(shù)

通過(guò)預(yù)抽期間及回采期間對(duì)18205材料巷預(yù)裂鉆孔和普通鉆孔抽采效果進(jìn)行逐日觀測(cè)分析，其預(yù)裂鉆孔百米鉆孔瓦斯流量平均為0.029 m3/min·hm，相比于未預(yù)裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量0.01 m3/min·hm提高了3倍；預(yù)裂鉆孔平均抽采量為0.0613 m3/min、而未預(yù)裂鉆孔抽采量?jī)H為0.023 m3/min，預(yù)裂鉆孔抽采量比未預(yù)裂鉆孔抽采量提高了2.66倍；預(yù)裂單孔瓦斯?jié)舛茸兓幻黠@，其鉆孔瓦斯?jié)舛仍诔椴蛇^(guò)程中能夠穩(wěn)定在±2%；其抽采效果非常明顯，不僅增加了抽采鉆孔抽采效果、增大了鉆孔間距、縮短了鉆孔抽采時(shí)間、減少了抽采鉆孔工程量、提高了煤層透氣性系數(shù)及打鉆現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化水平、緩解了生產(chǎn)與抽采銜接緊張的局面，保證了工作面的安全回采。

4 結(jié)論

（1）模擬結(jié)果表明：控制孔的存在對(duì)煤預(yù)裂爆破效果是有利的，施工控制孔之后進(jìn)行煤層液態(tài)CO2爆破的裂隙區(qū)影響范圍明顯大于無(wú)控制孔時(shí)的爆破的裂隙區(qū)影響范圍；斜溝煤礦爆破孔的合理間距為7.5 m。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明：預(yù)裂鉆孔百米鉆孔瓦斯流量平均為0.029 m3/min·hm，相比于未預(yù)裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量0.01 m3/min·hm提高了3倍；預(yù)裂鉆孔平均抽采量為0.0613 m3/min、而未預(yù)裂鉆孔抽采量?jī)H為0.023 m3/min，預(yù)裂鉆孔抽采量比未預(yù)裂鉆孔抽采量提高了2.66倍。