CO2氣相壓裂增透技術(shù)在王莊煤礦的應(yīng)用

薛志興

(山西潞安礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司王莊煤礦，山西省長治市，046031)

近年來，王莊煤礦隨著開采深度的不斷增加，煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量也隨之增高，由于所采3#煤層為低滲難抽采煤層，瓦斯治理難度大，嚴重影響了礦井的瓦斯抽采效果[1-4]。目前，該礦為了提高煤層瓦斯抽采效果，主要采用密集深鉆孔技術(shù)、延長抽采時間等瓦斯治理技術(shù)[5]，存在工程量大、成本高、封孔技術(shù)難度大、瓦斯抽采濃度低、抽采效果差、抽采周期長等不足，因此，增加鉆孔密度、延長抽采時間不能從根本上解決煤層瓦斯問題。

針對王莊煤礦煤層堅固性系數(shù)較大、透氣性較差、瓦斯難以抽放的特點，急需采取一種新的煤層增透方法對其工作面進行增透，從而提高煤層透氣性，提升礦井煤層瓦斯抽采效率，降低瓦斯災(zāi)害，保證礦井安全高效生產(chǎn)。為從根本上解決煤層瓦斯治理難題，該礦專門引進近年來新提出的CO2氣相壓裂增透技術(shù)，該技術(shù)作為一種新型的煤層增透強抽技術(shù)[6]，能夠使煤體松動，擴展煤層原生裂隙和次生裂隙，使煤體產(chǎn)生大量裂隙，大大增加了煤體的透氣性，顯著提高了煤層瓦斯抽放率[7]；與此同時氣相壓裂化解了工作面可能存在的“瓦斯包”[8]，降低生產(chǎn)過程中煤與瓦斯突出的危險性，提高了瓦斯涌出的均勻性，減少了瓦斯預(yù)警及超限事故發(fā)生的可能。

1 CO2氣相壓裂增透技術(shù)原理

CO2氣相壓裂增透技術(shù)是應(yīng)用高壓氣體的膨脹功對煤層進行直接壓裂，壓裂鉆孔孔壁的煤層在受到高壓氣體的作用下瞬間破壞產(chǎn)生裂隙和卸壓作用，釋放煤層原始地應(yīng)力，消除可能存在于煤層的“瓦斯包”，從而降低煤與瓦斯突出風(fēng)險，提高抽采效率。

氣相壓裂低滲煤層瓦斯綜合治理的機理在于，氣相壓裂低滲煤層后，首先在壓裂鉆孔周邊重啟原生裂縫，從而造成增透和卸壓雙重效應(yīng)，繼而大幅度提高瓦斯抽采速度和抽采率。具體表現(xiàn)在：形成瓦斯泄流通道，大幅度增加煤層滲透率幾倍到幾十倍；形成鉆孔周邊局部卸壓，消除局部地應(yīng)力集中現(xiàn)象，緩解瓦斯突出威脅；大幅度增加煤體暴露面積，加速瓦斯解吸，大幅度提高瓦斯抽采速度和抽采效率[9]。該技術(shù)主要用于煤體增透、降低煤層瓦斯突出風(fēng)險、強化瓦斯抽采等方面，是一項煤礦瓦斯綜合治理的新技術(shù)，可在一定程度上解決和緩解該礦在瓦斯治理過程中面臨的兩大難題：一是降低高瓦斯工作面煤與瓦斯突出危險，二是解決回采工作面快速抽采，實現(xiàn)抽采達標(biāo)和安全高效采煤，已在現(xiàn)場實際運用中取得了良好的效果。

2 現(xiàn)場工業(yè)試驗

2.1 試驗地點概況

本次試驗地點選擇在王莊煤礦540回風(fēng)大巷一掘進面，該掘進面開采3#煤層，位于91采區(qū)。地面位于太長高速以西，北栗村以南；井下位置東、西、南均為實體煤，北接北栗風(fēng)井總回風(fēng)大巷三。地面標(biāo)高929～934 m，工作面標(biāo)高416～451 m。該掘進面開采3#的煤層賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊型沉積，煤層厚度穩(wěn)定，煤層總厚度為7.03 m，容重為1.4 t/m3。該巷道設(shè)計長度為1660 m，巷道斷面為6 m×3.5 m矩形斷面，采用全錨支護。

540回風(fēng)大巷一掘進面開口處經(jīng)測定煤層原始瓦斯含量為8.14 m3/t，殘存瓦斯含量為2.36 m3/t。2015年王莊煤礦委托華北科技學(xué)院對540回風(fēng)大巷一掘進面進行了瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試：孔隙率4.23%,吸附常數(shù)a為34.68 m3/t，吸附常數(shù)b為0.89 MPa-1，瓦斯放散初速度1.946 kPa，堅固性系數(shù)0.51，瓦斯含量8.53 m3/t, 瓦斯壓力0.50 MPa，透氣性系數(shù)0.0288 m2/(MPa2·d)。該掘進面地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯含量大，煤層透氣性差，現(xiàn)主要采用“掘進頭預(yù)抽+雙翼邊掘邊抽鉆場抽采”瓦斯治理模式。

2.2 試驗鉆孔布置

在巷道兩側(cè)施工雙翼邁步鉆場，進行邊掘邊抽，邁步鉆場按照步距40 m進行布置，鉆場內(nèi)呈兩排三列平行布置6個鉆孔，鉆孔深120 m、孔徑120 mm，傾角為1°；同時在工作面施工15個掘進頭抽采鉆孔，布置3排平行孔，鉆孔深120 m，孔徑120 mm，傾角0°～2°。鉆孔施工完畢后，兩翼鉆場及工作面各安裝1個孔板，對鉆孔進行并網(wǎng)帶抽，并網(wǎng)后對各鉆場、工作面抽采參數(shù)及單孔濃度觀測3～5 d。

CO2預(yù)裂鉆孔在兩翼鉆場及工作面抽采孔并網(wǎng)預(yù)抽3～5 d后(便于預(yù)裂前后瓦斯抽采量的對比分析)在左右鉆場各布置一個壓裂鉆孔，壓裂鉆孔孔徑?120 mm，鉆孔深度120 m，1#預(yù)裂孔位于左鉆場，距巷道輪廓線外1.0 m、距煤層底板1.4 m、方位角0°，為垂直掘進面，傾角為1°的直孔；2#預(yù)裂孔位于右鉆場，距巷道輪廓線外1.0 m、距煤層底板1.4 m、方位角0°，為垂直掘進面，傾角為1°的直孔，如圖1所示。壓裂鉆孔使用自動排渣的麻花鉆桿施工，施工過程采用慢速推進，保證孔平直、光滑；壓裂鉆孔的深度盡可能的深(不少于120 m)，壓裂鉆孔施工完畢后，將孔內(nèi)的煤渣清理干凈。

2.3 壓裂施工工藝

(1)施工前檢查確保每根CO2預(yù)裂器完好并能正常使用，將充裝好的CO2預(yù)裂器逐個用連接件送入打好的鉆孔中，裝入CO2預(yù)裂器15個，對CO2預(yù)裂器進行連接時做到邊連接邊測試電路電阻數(shù)據(jù)是否正常，若出現(xiàn)電阻數(shù)據(jù)異常，必須查找原因，數(shù)據(jù)正常后再繼續(xù)往下進行，本次試驗選用的CO2預(yù)裂器選用的型號為C74，直徑67 mm，長度2000 mm，液態(tài)CO2質(zhì)量1500 g，液態(tài)CO2膨脹體積1∶600，反應(yīng)時間20～40 ms，壓力60～270 MPa。

圖1 540回風(fēng)大巷一掘進面試驗鉆孔布置示意

(2)用封孔引出桿在CO2預(yù)裂器逐一放入鉆孔后將膠囊封孔器與鉆孔的最后一根CO2預(yù)裂器連接，同時將引線從膠囊封孔器中間的管內(nèi)穿出封孔器另一端，封孔器外端接上注液高壓軟管，利用封孔引出桿將膠囊封孔器送到距孔口12 m的深度，封孔引出桿孔口外露0.5～1.0 m，將可伸縮螺紋頂桿一端將封孔引出桿頂住，另一端頂在對面的煤壁上，旋緊絲桿頂牢，如圖2所示；將注液高壓軟管與打壓泵連接可靠，打壓到4～8 MPa后，孔即封好。

(3)人員撤離現(xiàn)場，將放炮引線拉直距離預(yù)裂點不小于300 m的地方，按預(yù)裂的要求測試數(shù)據(jù)正常后，按照放炮的相關(guān)規(guī)定、確認人員全部撤離到安全地點，連接發(fā)爆器—充電—激活CO2預(yù)裂增透器—釋放出高壓氣體對煤層進行深孔預(yù)裂。

(4)預(yù)裂操作完畢，用高低壓壓力表觀察鉆孔內(nèi)壓力，30 min后若壓力完全消失，確認安全后，觀測瓦斯無異常，再拆除封孔器，將CO2預(yù)裂器逐一取出，完成后接入抽采系統(tǒng)，封口、抽采、記數(shù)。如果孔內(nèi)壓力較大(大于0.5 MPa)則應(yīng)暫緩拆除封孔，對孔內(nèi)壓力逐步釋放、泄壓。

(5)壓裂鉆孔內(nèi)的設(shè)備回收后，對壓裂孔進行封孔(封孔深度20 m)并網(wǎng)帶抽；觀測、記錄壓裂后抽采孔瓦斯?jié)舛?、抽采量，并與壓裂前的數(shù)據(jù)進行對比、分析。

圖2 壓裂鉆孔CO2預(yù)裂器裝入及封孔示意

3 效果分析

3.1 煤層透氣性顯著增加

煤層原始透氣性系數(shù)為0.0288 m2/(MPa2·d)，氣相壓裂后煤層透氣性系數(shù)為0.7482 m2/(MPa2·d)，增加了26倍，氣相壓裂后試驗區(qū)域煤層由難抽采改造為可抽采煤層，煤層透氣性顯著增加。

3.2 防突指標(biāo)快速下降

通過井下實測對比，氣相壓裂前K1值實測最大值為0.62、瓦斯壓力最大值為0.52 MPa、瓦斯含量最大值為0.82 m3/t，氣相壓裂預(yù)抽后測得K1值為0.3～0.4，瓦斯壓力穩(wěn)定在0.28～0.42 MPa之間，瓦斯含量穩(wěn)定在7 m3/t左右，消突效果明顯，避免了突出事故的發(fā)生，為掘進創(chuàng)造了良好條件。

3.3 工作面響煤炮現(xiàn)象明顯減少

氣相壓裂化解了巷道掘進頭前方可能存在的瓦斯包，使瓦斯均勻釋放，減少了掘進頭揭露瓦斯包時，瓦斯突然大量涌出及高頂、偏幫現(xiàn)象發(fā)生的可能，降低了工作面瓦斯預(yù)警超限事故率。

3.4 抽采效果顯著提高

未采取氣相壓裂時，鉆場單孔最大抽采濃度為60%，平均為28%；掘進頭預(yù)抽鉆孔抽采15 d內(nèi)的單孔平均抽采純量為0.052 m3/min，最大值為0.068 m3/min，預(yù)抽30 d內(nèi)抽采鉆孔衰減不明顯，單孔抽采量穩(wěn)定在0.03 m3/min。

采取氣相壓裂后，壓裂鉆孔單孔平均抽采純量為0.258 m3/min，相比普通預(yù)抽鉆孔的0.052 m3/min，提高了4.9倍；鉆場鉆孔單孔濃度均有不同程度的提升，抽采純量變大，單孔最大抽采濃度為98%，平均為50%，抽采濃度提高約1倍，抽采純流量增加0.2～0.4 m3/min；掘進頭預(yù)抽鉆孔在預(yù)抽15 d內(nèi)的單孔平均抽采純量為0.126 m3/min，最大值為0.398 m3/min，但在壓裂后第5天出現(xiàn)明顯衰減，預(yù)抽15 d左右后，單孔衰減至0.03 m3/min，增透效果明顯，抽采效率提高1倍，單孔平均抽采純量提高2.4倍，單孔最大抽采純量提高5.8倍，抽采達標(biāo)時間明顯縮減。

3.5 工作面割煤循環(huán)時間縮短

氣相壓裂前，割煤時間約為50～60 min/排，氣相壓裂后瓦斯涌出較均勻，單排割煤時間縮短為40～50 min，生產(chǎn)效率顯著提高。

4 結(jié)論

從試驗結(jié)果來看，CO2氣相壓裂對煤體裂隙發(fā)育作用明顯，提升了抽采純流量，降低了煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和K1值，消突效果顯著，消除了工作面突出危險性，大大提高了掘進速度，保障工作面安全高效掘進。

由此可見，通過CO2氣相壓裂，工作面在壓裂范圍內(nèi)應(yīng)力得到了消除、煤層透氣性系數(shù)大幅度提高，大幅度提高了瓦斯抽放量，實現(xiàn)安全快速抽采瓦斯，切實保障煤巷工作面快速安全掘進，提前對掘進面的瓦斯進行了超前治理，提高了掘進面瓦斯抽采效果，最終實現(xiàn)礦井安全快速抽采瓦斯。