液態(tài)CO2相變致裂在單一低滲低透強(qiáng)突出煤層的應(yīng)用研究

高立森　劉傳勇

摘要：針對單一低透氣性煤層瓦斯含量高、預(yù)抽效果不理想的情況，采用液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)，在穿層鉆孔中利用瞬間產(chǎn)生的高壓CO2氣體沖擊煤體，產(chǎn)生大量裂隙并促使裂隙發(fā)育、擴(kuò)展，以達(dá)到提高煤層透氣性的目的。在綠塘煤礦南二采區(qū)S204工作面進(jìn)行的試驗(yàn)表明： 液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)可有效提高瓦斯抽采效果，試驗(yàn)后平均抽采流量0.057 m3/min，是試驗(yàn)前平均流量的4.3倍，是相同抽采時(shí)間內(nèi)水力沖孔措施平均抽采流量的2.3倍; 抽采濃度也有所提升; 在試驗(yàn)考察期內(nèi)流量衰減系數(shù)降低到0.046 d-1，增透效果顯著。

關(guān)鍵詞： 單一低滲低透煤層; 液態(tài)CO2; 相變致裂增透

1 引言

我國95%以上的高瓦斯、突出礦井開采的煤層是低滲、低透煤層[1]。并且只有少部分煤礦具有保護(hù)層開采條件，多數(shù)礦井為單一煤層開采。

單一低滲、低透煤層具有瓦斯含量高，抽采難度大等特點(diǎn)。在瓦斯抽采治理過程中存在瓦斯抽采流量小、衰減快，預(yù)抽時(shí)間長、鉆孔利用率低等弊端，給礦井安全生產(chǎn)、采掘接替造成極大困難。為了解決單一低滲、低透煤層瓦斯治理難題，國內(nèi)學(xué)者提出了水力割縫、水力壓裂、預(yù)裂爆破等增透增滲措施，這些干預(yù)預(yù)抽措施在提高煤層透氣性、強(qiáng)化瓦斯抽采措施方面起到了顯著作用。但是，這些增透增滲措施同樣存在缺陷：水力沖孔技術(shù)在硬煤中沖孔難度大，在軟煤中又容易造成塌孔壓埋鉆具;水力割縫存在噴孔嚴(yán)重，導(dǎo)致作業(yè)場所環(huán)境惡劣;深孔預(yù)裂爆破主要存在裝藥量難以控制、易出現(xiàn)啞炮等缺陷，且出現(xiàn)啞炮后處理難度極大。

2 液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

CO2在31°C以下，7.2MPa壓力時(shí)以液態(tài)存在，1kg液態(tài)CO2吸收60KJ的熱量能夠汽化，當(dāng)溫度超過31℃時(shí)，無論壓力多大，液態(tài)CO2將在40ms內(nèi)汽化。CO2正常存放和運(yùn)輸不會激活汽化液態(tài)CO2汽化產(chǎn)生高壓波，致裂煤層增透，提高瓦斯抽采效率。利用CO2的親煤特性和其膨脹過程對煤層吸附瓦斯的驅(qū)趕，實(shí)現(xiàn)解吸，促進(jìn)游離，使煤層透氣性和瓦斯游離度雙重提高。在具有突出威脅的煤層中使用，可安全有效地卸壓煤層中“瓦斯突出源”。

CO2預(yù)裂增透技術(shù)，是近幾年來發(fā)展起來的新型煤層瓦斯增透技術(shù)，是通過將高壓的液態(tài)CO2置入鉆孔內(nèi)，通過發(fā)生裝置將液態(tài)CO2瞬間氣化，氣化后，CO2體積急速膨脹，一方面，利用巨大的膨脹能對煤層進(jìn)行預(yù)裂增透，另一個(gè)方面，利用煤層對CO2的吸附作用是瓦斯的8倍，煤層對其親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于瓦斯，來對瓦斯進(jìn)行置換作用。

2.2 技術(shù)工藝

CO2預(yù)裂技術(shù)是在瓦斯抽采的同時(shí)進(jìn)行CO2預(yù)裂驅(qū)離，具體工藝流程為：先施工瓦斯抽采鉆孔并接抽→施工CO2預(yù)裂驅(qū)離鉆孔→CO2預(yù)裂→取出預(yù)裂器→所有鉆孔接抽。

CO2預(yù)裂增透工藝如下：

（1）預(yù)裂器入孔前逐一檢查是否存在異?，F(xiàn)象，確認(rèn)正常后方可將預(yù)裂器推入鉆孔。

（2）檢測全部的線路是否達(dá)到預(yù)裂的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到預(yù)裂標(biāo)準(zhǔn)后，用施壓泵對封孔器進(jìn)行加壓。加壓完成后方可起爆預(yù)裂。

（3）啟動預(yù)裂

a）啟動預(yù)裂前，必須將周圍的電器設(shè)備和材料保護(hù)好，保證預(yù)裂的成功。

b）預(yù)裂前測量作業(yè)地點(diǎn)附近的瓦斯、CO2濃度，待瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%、CO2濃度低于0.5%方可開始作業(yè)。

c）預(yù)裂作業(yè)時(shí)要布置警戒線，并懸掛警戒牌，嚴(yán)禁人員進(jìn)入工作面。

d）將引發(fā)線引至警戒線以外的新鮮風(fēng)流中，經(jīng)專業(yè)人員檢查整個(gè)電路系統(tǒng)無誤后，將引發(fā)線與發(fā)爆器連接，接到跟班隊(duì)干引發(fā)命令后方可啟動發(fā)爆器。

（4）桿體的拆除

a）壓裂完成30min后由專職瓦檢員及時(shí)對壓裂孔附近20m內(nèi)瓦斯、二氧化碳濃度進(jìn)行測量，濃度正常時(shí)方可進(jìn)行下一步作業(yè)，發(fā)現(xiàn)異常嚴(yán)禁作業(yè)，及時(shí)通知調(diào)度室。

b）經(jīng)檢查瓦斯及CO2濃度正常后，經(jīng)專業(yè)人員檢測一切都正常后方可進(jìn)行退預(yù)裂器作業(yè)。

3現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1工作面概況

綠塘煤礦南二采區(qū)S204工作面走向長度為1585m，斜長為115m，埋深為177～322m，頂板為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖，底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。開采的6中煤層在本工作面平均厚度3.19m，平均傾角為6°，煤層硬度f在0.16～0.468之間，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，夾矸0～6層，煤層層位、厚度、結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。S204工作面6中煤層瓦斯原始含量平均為14.53m3/t（當(dāng)煤層埋深在154m時(shí)瓦斯含量為10.8m3/t，埋深每100m增加3.7284m3/t）。

根據(jù)6中S204運(yùn)輸巷區(qū)域條帶預(yù)抽瓦斯治理及穿層鉆孔布置情況，6中S 204運(yùn)輸巷局部瓦斯治理方案為“兩抽、三控、兩致、三爆”。

“兩抽”即在6中S204運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面迎頭在巷道兩側(cè)各施工一個(gè)瓦斯抽采孔;“三控”即除巷道兩側(cè)抽采孔兼做二氧化碳致裂和深孔預(yù)裂爆破控制孔外，在實(shí)施深孔預(yù)裂爆破前在巷道中間沿巷道中軸線方向再施工一個(gè)爆破控制孔;“兩致”即在6中S204運(yùn)輸巷距巷幫0.5m處各施工一個(gè)致裂孔分別進(jìn)行一次二氧化碳致裂;“三爆”即在兩個(gè)致裂孔二氧化碳致裂結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行全孔裝藥及在爆破控制孔內(nèi)裝藥實(shí)施深孔卸壓控制爆破。

3.2致裂效果分析

（1）抽采濃度對比

在6中S204頂抽巷未致裂區(qū)域挑選兩排抽采效果較好的鉆孔，某天的瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析。

鉆孔抽采濃度參差不齊，個(gè)別鉆孔抽采效果較好，多數(shù)鉆孔濃度偏低，兩排鉆孔平均濃度為27.8%。相變致裂措施后進(jìn)行封孔連抽，對所有連抽鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，所測第9組、第10組和第11組鉆孔平均濃度和平均工況流量.

各組致裂孔平均抽采瓦斯?jié)舛染?0%左右，平均流量在0.2m3/min以上;未致裂前，該區(qū)域鉆場內(nèi)穿層鉆孔平均瓦斯?jié)舛燃s為10%，排放鉆孔平均瓦斯?jié)舛燃s為27.8%。實(shí)施CO2致裂后，致裂孔平均瓦斯抽采濃度是鉆場穿層鉆孔瓦斯?jié)舛鹊?倍，是排放鉆孔瓦斯?jié)舛鹊?.5倍。

抽采流量增大的同時(shí)，鉆孔流量衰減系數(shù)也比原來減小。相變致裂試驗(yàn)前，1號孔的衰減系數(shù)為0.384 d-1; 相變致裂后，在10 d的考察期內(nèi)，1號預(yù)裂孔的流量衰減系數(shù)降為0.046 d-1。相變致裂后，抽采流量的升高，以及流量衰減系數(shù)的降低，表明通過相變致裂，在煤體中產(chǎn)生了利于瓦斯抽采的裂縫、裂隙，改善了煤體的應(yīng)力條件，促進(jìn)了瓦斯的解吸，使鉆孔瓦斯抽采更具有可持續(xù)性。

4 結(jié)論

（1） 液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)利用瞬間釋放的高壓、高速CO2氣體沖擊煤體產(chǎn)生大量裂隙，在鉆孔周圍形成一片裂隙發(fā)育、透氣性好的抽采區(qū)域，達(dá)到了強(qiáng)化增透目的。

（2） 通過相變致裂，鉆孔瓦斯流量得到顯著提升，預(yù)裂孔試驗(yàn)前流量已自然衰減為0.004 m3/min，試驗(yàn)后升高到0.078 m3/min，提高了18.5倍。在10 d的考察期內(nèi)，平均抽采流量為0.057 m3/min，是相變致裂前鉆孔平均流量的4.3倍，是相同抽采時(shí)間內(nèi)水力沖孔平均流量的2.3倍，抽采濃度也有不同程度提高; 流量衰減系數(shù)由0.384 d-1降低到0.046 d-1，使抽采更具有可持續(xù)性，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)化抽采效果。

（3） 液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)工藝簡單，技術(shù)可行，實(shí)施過程及致裂過程安全可靠，不會對煤層的頂?shù)装瀹a(chǎn)生破壞，不會引起瓦斯超限。在低透低滲突出軟煤中也具有很好的增透增滲效果，拓寬了該技術(shù)適用煤體的范圍，為礦井瓦斯治理工作提供了新方法。