高瓦斯煤層巷道快速掘進(jìn)瓦斯抽采技術(shù)

毛洪匈

（霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043302）

1 工程概況

霍煤騰暉煤礦位于山西省西掌坡村莊北部，工作面標(biāo)高為+285～ +305m。2-104回采工作面位于一采區(qū)巷道前進(jìn)方向右翼，開(kāi)采煤層屬于山西組2#煤層，賦存穩(wěn)定，傾角平緩。煤礦為高瓦斯礦井。2-104工作面于2015年5月12日開(kāi)始抽采至今，預(yù)計(jì)回采期間工作面絕對(duì)瓦斯涌出量約5.094m3/min，瓦斯吸附常數(shù)a=32. 725m3/t，b=0.843MPa-1，該煤層瓦斯抽采困難，嚴(yán)重威脅著生產(chǎn)安全。為此，必須研究采取更有效的瓦斯抽采技術(shù)，降低巷道掘進(jìn)期間的瓦斯涌出量。

2 液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)

2.1 試驗(yàn)機(jī)理

液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)主要是利用CO2在由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過(guò)程中，體積急速膨脹，產(chǎn)生的高壓氣流迅速向周?chē)鷶U(kuò)散，在極短的瞬間對(duì)煤巖體產(chǎn)生巨大的沖擊力，達(dá)到一定爆破致裂效果[1]。在具有高瓦斯低透氣特性的煤層中，該技術(shù)能夠有效地促進(jìn)煤巖體原有節(jié)理裂隙的發(fā)育，甚至產(chǎn)生新的裂隙，增強(qiáng)瓦斯的釋放效果。

2.2 關(guān)鍵設(shè)備

在液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用中，最核心的設(shè)備為CO2致裂器，該設(shè)備主要由充裝部、剪切片、螺旋排粉葉片、連接體、加熱部、泄爆口以及致裂器筒體等7部分構(gòu)成[2]。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 CO2致裂器結(jié)構(gòu)示意圖

其中，充裝部用于裝填液體CO2，加熱部裝有化學(xué)藥卷和發(fā)爆器。在使用時(shí)，通過(guò)發(fā)爆器激發(fā)化學(xué)藥卷，產(chǎn)生大量的熱量，使液體CO2在瞬間氣化膨脹并產(chǎn)生高壓[3]，當(dāng)壓力積聚達(dá)到一定預(yù)設(shè)限度時(shí)，高壓氣體沖開(kāi)剪切片，由泄爆口排出，對(duì)周?chē)簬r體產(chǎn)生沖擊破碎作用。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 致裂鉆孔布置

通過(guò)對(duì)霍煤騰暉煤礦2-104工作面瓦斯積聚區(qū)域與瓦斯涌出量的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該工作面運(yùn)輸大巷的瓦斯涌出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軌道大巷，瓦斯成為運(yùn)輸大巷在掘進(jìn)過(guò)程中主要的安全隱患[4]。故在2-104工作面運(yùn)輸大巷抽巷300m處布設(shè)鉆場(chǎng)，選用短鉆孔預(yù)抽的方式進(jìn)行抽采，試驗(yàn)共布置3個(gè)順層鉆孔作為爆破孔，布置4個(gè)鉆孔作為控制孔，列間距為2m，深度為穿透煤層頂板0.4m，孔徑為95mm。2-104工作面區(qū)域預(yù)抽及掘進(jìn)抽采示意如圖2所示，鉆孔布置方式如圖3所示。

圖2 2-104工作面區(qū)域預(yù)抽及掘進(jìn)抽采示意圖

圖3 鉆孔布置結(jié)構(gòu)圖

3.2 致裂方案

選用MZL250-51/1560 CO2爆破致裂器作為爆破設(shè)備。為保證致裂效果，在每個(gè)爆破鉆孔內(nèi)分別順序安裝25節(jié)致裂器，每根致裂器充裝1.5kg的液態(tài)CO2作為填充液。試驗(yàn)采用“兩堵一注”的方式進(jìn)行封孔處理[5]，在布置就緒后，使用礦用起爆器進(jìn)行起爆。

4 實(shí)踐效果

2-104回采工作面在經(jīng)過(guò)液體CO2致裂處理2個(gè)月后開(kāi)始掘進(jìn)，經(jīng)預(yù)裂后的煤體產(chǎn)生了大量的節(jié)理裂隙，采動(dòng)壓力得到了及時(shí)有效的釋放，爆破鉆孔周?chē)拿簬r體形成卸壓圈，煤層高瓦斯低透氣性的特性得到緩解[6]，瓦斯壓力降低，煤層透氣性增強(qiáng)，瓦斯抽采效率大大提高。

為考察預(yù)裂效果，本次試驗(yàn)以預(yù)裂前后的掘進(jìn)面鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆屑量與平均瓦斯采集量作為參照標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)前后各指標(biāo)對(duì)照折線如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 預(yù)裂前后鉆屑量對(duì)比圖

圖5 預(yù)裂前后鉆屑解析指標(biāo)對(duì)比圖

圖6 預(yù)裂前后瓦斯抽采量對(duì)比圖

由折線圖可以看出，經(jīng)液態(tài)CO2致裂處理后的煤體瓦斯解析量與鉆屑量大大降低，對(duì)比預(yù)裂前后在巷道掘進(jìn)50m范圍的區(qū)域內(nèi)，經(jīng)預(yù)裂后的煤體，鉆屑量最大值的極值較預(yù)裂前降低了45.73%，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的鉆屑量最大值大幅降低，平均降低了37.64%。預(yù)裂后的鉆屑解析指標(biāo)最大值的極值較預(yù)裂前降低了49.04%，平均解析指標(biāo)下降了39.84%，在整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程中，鉆屑解析指標(biāo)的最大值均低于臨界標(biāo)準(zhǔn)值125Pa。

在瓦斯抽采工作進(jìn)行的48d內(nèi)，經(jīng)預(yù)裂處理后的煤體瓦斯抽采量大幅度增加，最大值可達(dá)8.25m3/min。其中，瓦斯抽采量在預(yù)裂后前12d中效果最為明顯，平均增幅可達(dá)84.26%；在之后的36d內(nèi)，瓦斯抽采量的增幅有所下降，直至趨于平穩(wěn)。這是由于在致裂前期，各鉆孔周邊煤體的節(jié)理裂隙擴(kuò)張，破壞了瓦斯高吸附的狀態(tài)，滲透性與流動(dòng)性大大增強(qiáng)，大量的瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)，促進(jìn)了瓦斯釋放與抽采的效果；在預(yù)裂后期，煤體受到掘進(jìn)工作的影響，前方煤體壓力積聚，煤層間的節(jié)理裂隙開(kāi)始閉合壓縮，部分游離的瓦斯重新轉(zhuǎn)化為吸附態(tài)賦存于煤層之中，致使瓦斯的抽采工作難度加大，抽采流量逐漸下降。

實(shí)踐表明，短鉆孔預(yù)裂消突技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)快速提高瓦斯抽采量，降低掘進(jìn)工作面的瓦斯含量。在霍煤騰暉煤礦2-104掘進(jìn)工作面，該工藝將煤巷的掘進(jìn)速度提高了1.6倍，實(shí)現(xiàn)了煤巷快速掘進(jìn)的目標(biāo)。

5 結(jié)論

（1）液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)在降低煤層與瓦斯之間的吸附性，提高其流動(dòng)性、滲透性，增強(qiáng)瓦斯的采出效率上有著明顯的效果。該技術(shù)操作簡(jiǎn)單，安全可靠，較之傳統(tǒng)的瓦斯抽放技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益更高，適宜在高瓦斯礦井中實(shí)施。

（2）通過(guò)在霍煤騰暉煤礦2-104運(yùn)輸大巷實(shí)施液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)，有效地降低了該工作面的鉆屑量與鉆屑解析指標(biāo)的數(shù)值，大大增強(qiáng)了單位時(shí)間瓦斯采出的效率，降低了掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量。該技術(shù)的成功實(shí)施，將煤巷的掘進(jìn)速度提高了1.6倍，有效保證了工作面安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦井巷道快速掘進(jìn)的目標(biāo)。