CO2 預(yù)裂增透技術(shù)在瓦斯抽采中的研究應(yīng)用

劉志國(guó)

（同煤集團(tuán)，山西 大同 037003）

1 引言

煤層瓦斯含量高、滲透性差始終是煤礦瓦斯抽采面臨的難題，如何有效增加煤層滲透性、提高瓦斯抽采率是解決瓦斯治理難題的最直接途徑。

液態(tài)CO2預(yù)裂增透技術(shù)在北杏莊煤業(yè)的應(yīng)用表明，CO2由液相向氣態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中釋放巨大能量，利用沖擊波實(shí)現(xiàn)煤層爆孔預(yù)裂，一方面可為瓦斯移動(dòng)創(chuàng)造條件，另一方面可通過(guò)驅(qū)替瓦斯，從而實(shí)現(xiàn)順利抽采[1-2]。

2 煤層概況

同煤集團(tuán)地煤公司北杏莊煤業(yè)公司位于大同市西南部，井田東西走向，井田面積49.3km2，主采13#煤層。此次CO2預(yù)裂增透技術(shù)的應(yīng)用主要針對(duì)北杏莊煤業(yè)有限公司402 盤(pán)區(qū)8204 工作面13#煤層進(jìn)行試驗(yàn)。

經(jīng)測(cè)定，13#煤層瓦斯壓力為1.1 ～1.38MPa，瓦斯放散初速度為14.7ml/s，透氣性系數(shù)為0.018 ～0.164/（MPa2·d），煤層瓦斯含量最大為19.63m3/t，平均為12.94m3/t，礦井相對(duì)瓦斯涌出量為31.81 m3/t，絕對(duì)涌出量為319.27 m3/min。煤層瓦斯含量高，透氣性差，抽采難度較大，嚴(yán)重制約煤礦安全生產(chǎn)。

3 CO2 預(yù)裂增透技術(shù)原理及設(shè)備工藝

CO2預(yù)裂增透技術(shù)主要利用液態(tài)CO2氣化產(chǎn)生的高能氣體形成高壓沖擊波，致使煤體預(yù)裂。若使液態(tài)CO2氣化，則溫度應(yīng)大于31℃，此時(shí)液態(tài)CO2在極短時(shí)間內(nèi)迅速氣化，能夠釋放150MPa 左右的壓力，沖擊煤體，形成較好的預(yù)裂效果，顯著增加煤層透氣性[3]。

通過(guò)CO2預(yù)裂器內(nèi)部安裝發(fā)熱裝置，對(duì)礦用發(fā)爆器充排氣閥上兩個(gè)電極施加脈沖電流（利用CO2的抑爆性能，可以阻止爆炸和燃燒），電流可以使裝置內(nèi)的化學(xué)材料發(fā)生反應(yīng)并放熱。液態(tài)CO2吸收熱量溫度升高，迅速氣化，導(dǎo)致預(yù)裂器內(nèi)腔壓力大于設(shè)定壓力值，突破定壓剪切片噴向煤體。此時(shí)CO2氣體在煤體裂隙中急速膨脹，進(jìn)一步形成新的裂隙并擴(kuò)展，增加煤體透氣性。由于煤體對(duì)CO2的吸附能力遠(yuǎn)強(qiáng)于CH4，因此，在煤體預(yù)裂過(guò)程中，爆孔形成大量裂隙以及微裂隙，不僅能夠增多CO2的運(yùn)移通道，而且通過(guò)CO2的驅(qū)替作用，使得CH4由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)，通過(guò)預(yù)裂后的通道進(jìn)行解吸，提高瓦斯抽采濃度[4]。

CO2預(yù)裂器由充裝閥、發(fā)熱裝置、儲(chǔ)液管、密封墊、定壓剪切片以及釋放管組成，如圖1 所示。預(yù)裂裝置管腔內(nèi)預(yù)先安裝好發(fā)熱材料，將液態(tài)CO2注入管腔內(nèi)，通過(guò)對(duì)礦用發(fā)爆器充排氣閥上兩個(gè)電極施加脈沖電流從而對(duì)液態(tài)CO2進(jìn)行加熱，氣化后的CO2體積膨脹，達(dá)到預(yù)設(shè)壓力，此時(shí)定壓剪切片自動(dòng)打開(kāi)，通過(guò)釋放管作用于煤體，產(chǎn)生沖擊震蕩—應(yīng)力波穿透—爆生氣體驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展，達(dá)到增透目的。

圖1 CO2 預(yù)裂器結(jié)構(gòu)

通過(guò) CO2預(yù)裂增透技術(shù)的應(yīng)用，瓦斯抽采純量明顯增加，在保持抽采純量的基礎(chǔ)上，將來(lái)可以實(shí)現(xiàn)抽采鉆孔數(shù)量的減少，減少抽采鉆孔的工作量，極大地降低成本。

4 抽采效果分析

在北杏莊煤業(yè)有限公司402 盤(pán)區(qū)8204 工作面13#煤層預(yù)裂增透的試驗(yàn)中，在鉆場(chǎng)左右各施工一個(gè)預(yù)裂孔，編號(hào)1 和2。1 號(hào)鉆孔以15°的角度向左幫偏離施工，開(kāi)孔位置距離左幫1.4m；2 號(hào)鉆孔以15°的角度向右?guī)推x施工，開(kāi)孔位置距離右?guī)?.7m。1、2 號(hào)鉆孔開(kāi)孔間距為3.15m，終孔間距42m，孔深75m，如圖2 所示。

圖2 預(yù)裂1 號(hào)和2 號(hào)鉆孔布置圖

對(duì)1、2 號(hào)鉆孔預(yù)裂后的瓦斯流量與抽采濃度進(jìn)行觀測(cè)，如下表1 所示。

由表1 可以看出，預(yù)裂后瓦斯流量最高為1.24m3/min，濃度為43%，9d 后瓦斯流量降至0.47m3/min，濃度為18%，瓦斯流量衰減量為0.77m3/min，平均每天衰減0.0856m3/min，瓦斯?jié)舛人p量為25%，平均每天衰減2.78%；瓦斯平均抽采濃度為28%，與預(yù)裂前（平均抽采濃度為10%）相比，瓦斯抽采濃度提高了180%，抽采效果顯著提升。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用CO2預(yù)裂增透技術(shù)能夠提高煤層透氣性，最終單孔瓦斯抽采濃度較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在18%以上，并且CO2在驅(qū)替瓦斯方面，對(duì)于提高瓦斯解吸量效果明顯。

表1 1 號(hào)和2 號(hào)鉆孔預(yù)裂后的瓦斯流量與抽采濃度隨時(shí)間變化表

5 結(jié)論

實(shí)施煤層CO2預(yù)裂增透技術(shù)，對(duì)提高煤礦瓦斯抽采效率和效果具有積極作用。

（1）CO2預(yù)裂增透技術(shù)不僅可以提高煤層滲透性，而且可以實(shí)現(xiàn)鉆孔裂隙的再擴(kuò)展，增加游離瓦斯運(yùn)移通道；另外，能夠驅(qū)替瓦斯，將吸附態(tài)的瓦斯進(jìn)行驅(qū)替，以游離態(tài)的形式進(jìn)行解吸。

（2）預(yù)裂增透技術(shù)的應(yīng)用，提高了瓦斯抽采濃度，使得瓦斯抽采濃度最高為43%，最低為18%，平均抽采濃度為28%，與預(yù)裂前抽采濃度10%相比，提高了180%，對(duì)于高瓦斯低滲透煤層的預(yù)裂增透效果十分顯著。

（3）通過(guò) CO2預(yù)裂增透技術(shù)的應(yīng)用，在保持抽采純量的基礎(chǔ)上，將來(lái)可以實(shí)現(xiàn)抽采鉆孔數(shù)量的減半，減少抽采鉆孔的工作量，極大地降低成本。