基于二氧化碳致裂增透技術(shù)的低透煤層瓦斯治理*

王濤,宋宇鵬,徐陽(yáng)

(1.山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán) 長(zhǎng)治有限公司,山西 長(zhǎng)治 046000;2.重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院,重慶 404020)

煤炭是我國(guó)最主要的一次能源,也是很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)的主導(dǎo)能源,在我國(guó)能源消費(fèi)中的比重約占60%,戰(zhàn)略地位十分重要[1-4].煤炭行業(yè)又是典型的高危行業(yè),瓦斯、頂板等五大災(zāi)害一直困擾著煤礦的安全生產(chǎn),其中死亡人數(shù)在100人以上的煤礦事故中,幾乎都是瓦斯事故,因此防治瓦斯是煤礦安全的重中之重.我國(guó)開(kāi)采的高瓦斯煤層主要是單一煤層,瓦斯治理的最主要手段是確保抽采達(dá)標(biāo),做到應(yīng)抽盡抽.而我國(guó)的可采煤層又以低透氣性煤層為主,普遍具有滲透率低、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)[5,6],為提高此類(lèi)煤層的瓦斯抽采效果,可采用物理、化學(xué)等人工干預(yù)的方式,通過(guò)改善煤層的孔隙及裂縫系統(tǒng),以提高煤層透氣性.常用的技術(shù)手段有深孔致裂爆破、水力割縫、水力壓裂、射孔增透、煤層注水等[7,8].

二氧化碳致裂增透技術(shù)是近年來(lái)瓦斯抽采領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),因其具有顯著的爆破安全性和對(duì)瓦斯良好的驅(qū)替性,在國(guó)內(nèi)外都得到了進(jìn)一步的研究和發(fā)展[9].其致裂能量的釋放大小可控,反應(yīng)過(guò)程快速,原料來(lái)源穩(wěn)定,成本低廉,施工簡(jiǎn)單,無(wú)火花外露,具有很高的安全性能.筆者以馬堡煤礦的二采區(qū)運(yùn)輸下山為工程背景,針對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大,抽采效率低的問(wèn)題,開(kāi)展二氧化碳致裂增透技術(shù)的研究,以提高煤層的透氣性及瓦斯抽采效果,并為該地區(qū)類(lèi)似條件下的煤層增透方案設(shè)計(jì)和實(shí)施提供指導(dǎo).

1 工程概況

馬堡煤礦位于山西長(zhǎng)治武鄉(xiāng)礦區(qū),設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.5 Mt/a,主采煤層為太原組15#煤,平均厚度5.5 m,平均傾角12°,含0～3層泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,全區(qū)穩(wěn)定可采.礦井絕對(duì)瓦斯涌出量57.26 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量26.8 m3/t,屬高瓦斯礦井.掘進(jìn)的二采區(qū)運(yùn)輸下山位于15#煤層的二采區(qū)中下部,井下標(biāo)高+704～+840 m,地面標(biāo)高+1 284～+1 360 m,平均埋深550 m.巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度520 m,沿煤層頂板布置,斷面為矩形,掘進(jìn)寬度4.6 m,掘進(jìn)高度3.0 m,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù).巷道的平面布置見(jiàn)圖1.

圖1 二采區(qū)運(yùn)輸下山巷道布置

二采區(qū)內(nèi)發(fā)育有15條正斷層和7個(gè)陷落柱,地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜.15#煤層在二采區(qū)淺部瓦斯含量較低,隨著巷道向深部延伸,瓦斯涌出量逐漸增大,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的原始瓦斯含量為8.53 m3/t,瓦斯吸附常數(shù)a值為35.892 m3/(t·r),b值為0.726 MPa-1,瓦斯含量系數(shù)為15.73 m3/(m3·MPa0.5),煤層透氣性系數(shù)為1.07 m2/(MPa2·d),孔隙率為4.89%,煤層透氣性較差,制約了瓦斯抽采效率.煤層瓦斯壓力為0.55 MPa,煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.49,不具備突出危險(xiǎn)性.

2 二氧化碳致裂增透原理

圖2 二氧化碳致裂器工作原理

使用空壓機(jī)等設(shè)備將液態(tài)二氧化碳注入爆破管內(nèi),在煤體中施工爆破孔后,逐一插入爆破管.爆破管一端的起爆頭接通引爆電流后,使管內(nèi)的液態(tài)二氧化碳迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài),在1 s內(nèi)體積可膨脹700多倍,當(dāng)氣體壓力超過(guò)泄能片極限壓力時(shí),泄能片破斷,高壓二氧化碳?xì)怏w從出氣孔飛速?zèng)_出[10],如圖2所示.沖出的高壓氣體形成沖擊波,在出氣孔附近不斷擴(kuò)孔,沖擊煤體形成粉碎區(qū)和初始導(dǎo)向裂隙;隨著沖擊波能量密度的下降,衰減為應(yīng)力波,產(chǎn)生的壓應(yīng)力在粉碎區(qū)中形成徑向裂隙;壓應(yīng)力繼續(xù)衰減,煤體由于壓縮變形能的釋放而產(chǎn)生回彈,與壓應(yīng)力共同作用在裂隙區(qū)形成環(huán)向上的拉應(yīng)力,產(chǎn)生環(huán)向裂隙;高壓氣體進(jìn)一步楔入裂隙,與瓦斯壓力共同作用,在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,推動(dòng)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,當(dāng)氣體壓力與瓦斯壓力平衡時(shí)裂隙停止擴(kuò)展,形成最終裂隙區(qū),達(dá)到煤體增透的目的.此外,由于二氧化碳分子的極化率大于甲烷分子,相同壓力下煤對(duì)二氧化碳的吸附量為瓦斯吸附量的2～8倍,也能產(chǎn)生驅(qū)替瓦斯的效果[11,12].煤體裂隙產(chǎn)生過(guò)程如圖3所示.

圖3 二氧化碳爆破后裂隙產(chǎn)生機(jī)理

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

二氧化碳致裂爆破的主要裝備為可重復(fù)使用的致裂器,每套爆破管的長(zhǎng)度1.5 m,直徑61 mm,孔口封孔器的直徑75 mm,如圖4所示;配套裝置包括總線(xiàn)爆破控制器、操作工作臺(tái)、空壓機(jī)裝置和12 mm壓風(fēng)管等.每爆破一次使用一套充裝閥、加熱器(發(fā)熱藥卷)、密封配件、泄爆閥片等,以及6個(gè)充裝有純度99.99%的液態(tài)二氧化碳的鋼瓶,每個(gè)重40 kg.

圖4 二氧化碳致裂爆破設(shè)備

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

3.2.1 爆破鉆孔設(shè)計(jì)

采用ZDY1900S全液壓坑道鉆機(jī),在二采區(qū)運(yùn)輸下山迎頭煤壁的中心施工1個(gè)爆破孔,傾角與巷道坡度相同,方位角同巷道掘進(jìn)方向,孔深60 m.在爆破孔四周對(duì)稱(chēng)施工4個(gè)排放孔,孔間距2 m,孔深61 m,排放孔向兩幫外斜約10°,確保孔底超出巷道左右?guī)洼喞€(xiàn)約10 m,孔徑均為94 mm.每掘進(jìn)60 m進(jìn)行一次爆破,共2個(gè)循環(huán)10個(gè)鉆孔.2個(gè)爆破孔編號(hào)分別為1#和2#,8個(gè)排放孔編號(hào)分別為11#,12#,13#,14#和21#,22#,23#,24#.爆破鉆孔布置方案如圖5所示.

3.2.2 抽采鉆孔設(shè)計(jì)

二采區(qū)運(yùn)輸下山掘進(jìn)期間,在已經(jīng)掘進(jìn)完成的二采區(qū)回風(fēng)下山左幫打設(shè)鉆孔預(yù)抽瓦斯,預(yù)抽鉆孔的終孔位置超出二采區(qū)運(yùn)輸下山左幫輪廓線(xiàn)約15 m.由于二采區(qū)淺部的瓦斯含量低于深部,運(yùn)輸下山0～240 m區(qū)域抽采鉆孔間距2 m,240 m以外的鉆孔間距1 m,抽采鉆孔垂直巷幫打設(shè),距巷道底板1.5 m,孔深80 m,孔徑113 mm,封孔長(zhǎng)度8 m.抽采鉆孔布置見(jiàn)圖6.

3.3 加注二氧化碳

3.3.1 檢查和連接設(shè)備

用歐姆表檢查發(fā)熱藥卷和閥體的電阻值,連接壓風(fēng)管、操作臺(tái)和鋼瓶,安裝爆破器,爆破器尾端按次序安裝紫銅圈、剪切片和泄爆頭,爆破器頭端安裝帶有發(fā)熱藥卷和生料帶的閥體并擰緊,連接完成后再次檢查閥體的電阻值.

圖5 爆破鉆孔布置

圖6 抽采鉆孔布置

3.3.2 注入液態(tài)二氧化碳

加注前用專(zhuān)用扳手?jǐn)Q緊閥芯和閥堵,在閥體進(jìn)氣口處放上四氟墊,擰緊連接處的充氣夾;空壓機(jī)接通電源后,依次開(kāi)啟鋼瓶閥門(mén)和連接處的充裝閥門(mén),開(kāi)啟操作臺(tái)壓風(fēng)按鈕,開(kāi)始注入二氧化碳;加注完成后再次檢查電阻值是否正常.

3.4 起爆及拆除

1)將注好二氧化碳的爆破器安裝連接器,爆破器連接好炮線(xiàn)后送入鉆孔中,并依次連接剩余爆破器,直至全部連接完成;安裝變徑,接鉆桿,將爆破器送到預(yù)定位置;利用聚氨酯封堵孔口,封孔長(zhǎng)度為1～2 m;起爆器安設(shè)在距爆破孔50 m外,人員撤離至安全距離后起爆.

2)起爆結(jié)束后瓦檢員檢查爆破位置及附近的瓦斯?jié)舛?降為安全濃度后作業(yè)人員用管鉗逐根拆下爆破器并集中運(yùn)至井上,在地面對(duì)爆破器進(jìn)行拆卸和整理,準(zhǔn)備下次爆破用.

3.5 爆破效果分析

3.5.1 鉆孔中瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

二采區(qū)運(yùn)輸下山掘進(jìn)工作面的爆破深度為60 m,通過(guò)對(duì)爆破前后鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測(cè)量,得出2個(gè)爆破孔和8個(gè)排放孔內(nèi)瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化情況,如圖7所示.

圖7 爆破前后鉆孔中瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

從圖7可以看出:第一組鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛缺缺魄疤岣吡?～3倍,其中13#觀測(cè)孔由于爆破引起的巨大轟爆效應(yīng)導(dǎo)致爆破后在孔口位置塌孔;第二組鉆孔爆破后瓦斯?jié)舛壬吒鼮槊黠@,其中21#和22#觀測(cè)孔在爆破1 min后瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到96%,之后呈平穩(wěn)下降趨勢(shì),鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛日w提高3～4倍,其中23#和24#鉆孔爆破前后瓦斯?jié)舛仁冀K為0,說(shuō)明抽采鉆孔在爆破前已經(jīng)塌孔.綜上所述,在二采區(qū)運(yùn)輸下山迎頭實(shí)施二氧化碳爆破后,致裂后的煤體使瓦斯釋放速度得到提高,2組鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛绕骄岣吡?倍.

3.5.2 回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖8 二采區(qū)運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

由瓦檢員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定在區(qū)域預(yù)抽鉆孔抽采前、抽采后及爆破后3種情況下,二采區(qū)運(yùn)輸下山在綜掘機(jī)割煤期間回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?得出連續(xù)10個(gè)生產(chǎn)班的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓?如圖8所示.

由圖8可以看出,二采區(qū)運(yùn)輸下山掘進(jìn)期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?N抽采前>N抽采后>N爆破后,在預(yù)抽鉆孔抽采前用瓦檢儀測(cè)得回風(fēng)流中平均瓦斯?jié)舛葹?.79%,抽采后為0.62%,下降了21%,二氧化碳致裂爆破后為0.26%,比抽采前下降了67%,這說(shuō)明通過(guò)預(yù)抽鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采可以降低掘進(jìn)期間回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?但效果不明顯;進(jìn)行二氧化碳致裂增透試驗(yàn)后,由于強(qiáng)化了鉆孔的瓦斯抽采效果,減少了掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量,因而能夠顯著降低回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?

3.5.3 瓦斯抽采效果比較分析

在二氧化碳爆破前7 d和爆破后14 d測(cè)定二采區(qū)回風(fēng)下山抽采管路中的瓦斯抽采量和瓦斯?jié)舛?分別計(jì)算其平均值,如表1所示.通過(guò)爆破前后的瓦斯抽采數(shù)據(jù)對(duì)比,平均抽采純量比爆破前提高了2.39倍,平均抽采混量提高了0.87倍,平均濃度提高了0.82倍,表明采用二氧化碳爆破增透技術(shù),能夠大幅度提高煤層的瓦斯抽采效果.

表1 爆破前后瓦斯抽采效果對(duì)比

4 結(jié)論

1)實(shí)施二氧化碳致裂爆破后,2組鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛绕骄岣吡?倍,掘進(jìn)期間回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛扔沙椴汕暗?.79%降為爆破后為0.26%,下降了67%,瓦斯平均抽采純量提高了2.39倍,平均抽采混量提高了0.87倍.應(yīng)用二氧化碳致裂增透技術(shù)能夠顯著提高掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采效果.

2)二氧化碳致裂強(qiáng)化增透技術(shù),具有較高的安全特性,在實(shí)施過(guò)程中可以配合其他增透手段及防塌孔技術(shù),以提高煤層增透和瓦斯抽采效果,實(shí)現(xiàn)高瓦斯低透氣性煤層的安全開(kāi)采.