液態(tài)CO2相變致裂對抽采有效半徑影響的試驗研究

衡獻(xiàn)偉，付金磊，李青松，3，馬 曙

(1.貴州省煤礦設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550025；2.貴州省礦山安全科學(xué)研究院有限公司，貴州 貴陽 550025；3.中國礦業(yè)大學(xué) 安全學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國煤層氣(煤礦瓦斯)資源開發(fā)利用前景大，但我國大部分所采煤層屬于低透氣性煤層，導(dǎo)致目前常規(guī)技術(shù)抽采瓦斯利用率低[1，2]。隨著開采深度逐漸增加，所處開采環(huán)境更加復(fù)雜，煤層的透氣性隨地應(yīng)力增大將進(jìn)一步降低，制約著煤礦安全高效生產(chǎn)[3，4]。經(jīng)過長期實踐，涌現(xiàn)了很多增透技術(shù)及工藝，如：采動卸壓增透技術(shù)[5]、水力增透技術(shù)[6]及爆破增透技術(shù)[7]，但針對低滲透煤層的應(yīng)用效果并不理想[8-10]。隨著CO2壓裂技術(shù)引入到煤礦的生產(chǎn)實踐中，在低滲透煤層應(yīng)用中取得了顯著的成果。王兆豐[11]等在煤層二次增透過程中應(yīng)用了液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)；曹新奇等[12]、王雪芹等[13]研究了抽采半徑的測定方法；李豪軍等[14]利用COMSOL研究了穿層鉆孔液態(tài)CO2相變致裂增透機(jī)制；這些技術(shù)的實施離不開施工鉆孔[15]，而確定合理布孔方式的重要方式之一是根據(jù)瓦斯抽采有效半徑進(jìn)行研究，確定合理布孔方式能夠有效避免鉆孔之間的無效重疊及抽采空白帶，因此研究液態(tài)CO2相變致裂對抽采半徑的影響關(guān)系是實現(xiàn)低透氣性煤層高效瓦斯抽采的重要基礎(chǔ)。前人雖然取得了豐富的成果，但在應(yīng)用CO2相變致裂技術(shù)時SF6氣體示蹤法只能測出影響半徑，數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)井下工程應(yīng)用也有一定差距?？梢姡绾胃鶕?jù)相變致裂規(guī)律指導(dǎo)生產(chǎn)實踐布設(shè)鉆孔參數(shù)尚沒有明確依據(jù)，相變致裂后煤層抽采有效半徑與預(yù)抽時間的關(guān)系及影響規(guī)律尚需進(jìn)一步研究。因此，本文基于上述問題，通過分組對比試驗及理論計算，探究不同預(yù)抽時間條件下瓦斯有效抽采半徑變化的規(guī)律，為煤層瓦斯抽采鉆孔合理設(shè)計提供參考依據(jù)，從而提高瓦斯抽采效率。

1 液態(tài)CO2相變致裂裝備及增透原理

1.1 致裂裝備

CO2致裂器主要由起爆頭、發(fā)熱管、主管、密封墊、泄能片、泄能頭6部分組成，起爆頭與發(fā)熱管相連接并固定在尾端，發(fā)熱管與主管中儲液管相連接，儲液管與泄能頭之間固定泄能片，泄能片與儲液管之間固定密封墊，CO2致裂器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CO2致裂器結(jié)構(gòu)

1.2 相變致裂增透原理

1.2.1 技術(shù)原理

首先通過對致裂器主管中儲液管中的液態(tài)CO2進(jìn)行加熱，其狀態(tài)由液態(tài)變?yōu)槌R界狀態(tài)或氣態(tài)，體積膨脹后壓力迅速升高，沖開定壓泄能片，由泄能頭兩側(cè)的出氣孔急速沖出作用在煤體上，煤體將產(chǎn)生新的裂隙，增加滲流通道，以此實現(xiàn)增透的效果[16]。

1.2.2 裂紋擴(kuò)展增透原理

由Griffith理論及能量判據(jù)可知，當(dāng)裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)變能大于材料阻力時，材料發(fā)生損傷裂紋開始擴(kuò)散[17]，材料斷裂強(qiáng)度與裂紋尺寸的關(guān)系式為：

(1)

式中，σ為煤體斷裂應(yīng)力臨界值，MPa；γ為裂紋尖端失穩(wěn)時的表面能，J；E為煤體的彈性模量，GPa；α為裂紋的長度，mm；μ為泊松比。

基于斷裂力學(xué)理論，分析CO2相變致裂后鉆孔內(nèi)及裂縫尖端的受力情況，則裂縫尖端起裂應(yīng)力為[18]：

(2)

式中，J為起裂應(yīng)力，MPa；σx，σy分別為尖端水平和垂直壓力，MPa；Pn為氣體壓力，MPa。

結(jié)合式(2)可知，鉆孔在CO2高壓氣體作用下，達(dá)到裂縫尖端起裂應(yīng)力J時，鉆孔煤體外壁表面先發(fā)生起裂，高壓氣體楔入裂隙并在內(nèi)部流動，當(dāng)新的裂隙產(chǎn)生及其它裂隙二次擴(kuò)張時，高壓CO2氣體順著該弱面向下一個弱面流動；結(jié)合式(1)分析，當(dāng)煤體達(dá)到斷裂應(yīng)力臨界值，擴(kuò)張速度加快，煤體內(nèi)部受到張拉作用，會伴隨孔隙的生成，孔隙-裂隙在CO2高壓氣體作用下不斷形成至相變致裂結(jié)束，煤體的滲透性將得到增強(qiáng)。相變致裂區(qū)域影響如圖2所示，由圖2可以看出，輔助孔為應(yīng)力傳播提供了自由面，周圍煤體將產(chǎn)生更多的微裂紋，致使鉆孔周圍的煤體應(yīng)力降低并在一定范圍內(nèi)形成了卸壓區(qū)，從而在一定時間內(nèi)提升了致裂區(qū)域煤體周圍的透氣性[16]。

圖2 相變致裂區(qū)域影響

1.2.3 置換驅(qū)替煤層CH4原理

煤體中置換吸附效應(yīng)是指煤中CH4預(yù)先占據(jù)吸附位的前提下，CO2進(jìn)入煤體置換CH4的吸附位。根據(jù)已有煤體吸附規(guī)律研究表明[19，20]，煤體對CO2的吸附性強(qiáng)于對CH4的吸附性，而相變致裂是一個吸熱的過程，會促使周圍溫度降低，有利于CH4、CO2等吸附質(zhì)氣體由游離態(tài)轉(zhuǎn)化為吸附態(tài)，隨著CO2氣體楔入煤體裂隙內(nèi)部形成高濃度CO2環(huán)境，構(gòu)成了置換效應(yīng)發(fā)生的初始條件，煤體內(nèi)部氣體組分的吸附-解吸平衡狀態(tài)被破壞，吸附能力更強(qiáng)的CO2分子占據(jù)CH4吸附位，大量的CH4被置換驅(qū)替至煤體裂隙通道，最終發(fā)生滲流運(yùn)動擴(kuò)散至瓦斯抽采區(qū)域，從而提高了瓦斯抽采效果。

2 抽采有效半徑測定方法

相變致裂后，當(dāng)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采時，瓦斯會向抽采鉆孔流動，抽采鉆孔周圍煤體的瓦斯壓力也發(fā)生動態(tài)變化，隨著抽采時間的延長，抽采鉆孔的影響范圍逐漸變大，影響區(qū)域的瓦斯壓力均會逐漸降低，通過測試抽采鉆孔周邊不同距離處鉆孔的瓦斯壓力或含量變化即可計算出抽采半徑[12]。

抽采半徑分為瓦斯抽采影響半徑和瓦斯抽采有效半徑。瓦斯抽采有效半徑是指在一定預(yù)抽時間內(nèi)抽采煤層瓦斯壓力或含量降到規(guī)定值的點(diǎn)到抽采鉆孔中心的最大距離，測試鉆孔布置如圖3所示。其中，1號為抽采鉆孔，2、3、4，…，n均為測壓孔，d2、d3，…，dn為相鄰測壓孔之間的距離，例如：3號鉆孔之前的規(guī)定指標(biāo)均小于P0或W0，3號鉆孔之后的鉆孔規(guī)定指標(biāo)大于P0或W0，那么瓦斯抽采有效半徑r=d1+d2。

圖3 測試鉆孔布置

3 現(xiàn)場試驗研究

3.1 試點(diǎn)地點(diǎn)概況

試驗選在安順市轎子山鎮(zhèn)轎子山煤礦，試驗地點(diǎn)選在平橋井二水平9807進(jìn)風(fēng)巷200～500m區(qū)域，共計300m，巷道沿M9煤層煤頂板掘進(jìn)，M9煤層最大瓦斯壓力為1.1MPa，最大瓦斯含量為16.08m3/t、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.092～0.715d-1，屬較難抽采煤層。

3.2 試驗方案

在平橋井9807進(jìn)風(fēng)巷無構(gòu)造和抽采鉆孔影響的原始煤層中布置鉆孔，鉆孔間距布置為2～6m，每組7個鉆孔，鉆孔傾角與煤層傾角一致，即鉆孔垂直煤壁開孔，沿煤層鉆進(jìn)，以第2組鉆孔為例，鉆孔布置方式如圖4所示。孔徑?94mm。鉆孔長度100m，施工完畢1個，封孔1個，各鉆孔保持在同一水平，各組鉆孔封孔方式相同，封孔后關(guān)閉閥門。各組影響半徑考察方案如下：

圖4 順層致裂孔區(qū)域預(yù)抽布置

1)致裂孔不同施工順序影響半徑考察方案。第1組鉆孔施工順序：1-4#→1-1#→1-2#→1-3#→1-5#→1-6#→1-7#，1-4#致裂完成后，施工其它輔助孔。第2組鉆孔施工順序：2-1#→2-2#→2-3#→2-5#→2-6#→2-7#→2-4#，其他輔助孔施工完成后最后施工2-4#致裂孔。

2)不同裝液量(致裂器數(shù)量)影響半徑考察方案。第3、4組分別設(shè)計4個和2個鉆孔，鉆孔施工1個，致裂1個。第3組鉆孔施工順序：3-1#→3-2#→3-3#→3-4#。第4組鉆孔施工順序：4-1#→4-2#。6個致裂孔安裝致裂器數(shù)量分別為8、9、10、11、12根。

3.3 液態(tài)CO2相變致裂對抽采有效半徑影響分析

3.3.1 致裂孔瓦斯抽采有效半徑的確定

CO2致裂增透后煤層透氣性發(fā)生變化，因此，可以通過鉆孔瓦斯流量及抽采數(shù)據(jù)計算出致裂后煤層抽采半徑，根據(jù)瓦斯抽采純流量與抽采時間的負(fù)指數(shù)關(guān)系式，兩邊對時間積分，可以得到任意時間t天內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量Qct為：

(3)

式中，qc0為有效鉆孔長度條件下鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)，d-1；t為鉆孔的瓦斯抽采時間，d。

由于瓦斯預(yù)抽后，殘余瓦斯壓力難以準(zhǔn)確測定，因此選用含量指標(biāo)法確定瓦斯抽采有效半徑更加可靠。在現(xiàn)場試驗中實測轎子山煤礦平橋井M9煤層最大瓦斯含量為8.86m3/t，為安全起見，各致裂孔瓦斯抽采有效半徑計算時瓦斯含量均按實測最大值進(jìn)行取值。根據(jù)煤層原始瓦斯含量、煤層厚度等、煤的容重、抽采鉆孔有效長度、抽采達(dá)標(biāo)預(yù)抽率等已知條件，即可計算預(yù)抽時間t時的瓦斯抽采有效半徑r為：

(4)

式中，r為瓦斯抽采有效半徑，m；η達(dá)標(biāo)為達(dá)標(biāo)預(yù)抽率，%；h為煤層厚度，m；L為抽采鉆孔長度，m；γ為原煤容重，N m3，W為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

根據(jù)式(4)可得致裂孔瓦斯抽采有效半徑參數(shù)計算表，詳見表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知：①致裂孔兩邊施工有考察孔或輔助孔時致裂孔有效抽采半徑分兩種情況：先對致裂孔進(jìn)行致裂再施工考察孔或輔助孔，有效抽采半徑公式為r≤6.65(1-e-0.018t)；先施工考察孔或輔助孔再對致裂孔進(jìn)行致裂，有效抽采半徑公式為r≤7.72(1-e-0.016t)；②10根、11根致裂器數(shù)量的致裂孔瓦斯抽采有效半徑公式分別為r≤9.03(1-e-0.011t)、r≤8.26(1-e-0.014t)。

表1 致裂孔瓦斯抽采有效半徑參數(shù)計算表

根據(jù)表1中瓦斯抽采有效半徑的表達(dá)式，可計算得到不同預(yù)抽時間瓦斯抽采有效半徑，將預(yù)抽時間30d、60d、90d、120d、150d和極限半徑及普通抽采孔計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，見表2，對比普通鉆孔，在相同預(yù)抽時間內(nèi)，致裂后鉆孔瓦斯抽采有效半徑更大，是普通孔的3.6～4.2倍，有效抽采半徑隨預(yù)抽時間的延長而增大，最終趨近極限值即極限抽采半徑。

表2 轎子山煤礦平橋井M9煤層瓦斯抽采有效半徑計算結(jié)果

從表2中可以看出：①試驗考察方案1中先施工輔助孔后致裂較先致裂后施工輔助孔的瓦斯抽采有效半徑大，是由于先施工的輔助孔會預(yù)先產(chǎn)生一定裂隙，高壓CO2氣體釋放時提供了更多的裂隙通道，同時應(yīng)力向周圍傳播時阻力會偏小一些，因此致裂范圍更大，從而瓦斯抽采有效半徑更大；②試驗考察方案2中，預(yù)抽時間90d內(nèi)11根致裂器致裂時瓦斯抽采有效半徑更大，預(yù)抽時間在90～150d時，10根致裂器致裂時瓦斯抽采有效半徑更大，由于致裂器數(shù)目增多，作用在煤體孔壁的壓力更大，高壓氣體及應(yīng)力波傳播時對周圍煤體的擾動程度更大，粉碎程度也更高，隨著時間增加，在構(gòu)造應(yīng)力作用下鉆孔變形大，可能會發(fā)生部分段塌孔現(xiàn)象，因此預(yù)抽時間在90～150d時瓦斯抽采有效半徑減小。

3.3.2 瓦斯抽采有效半徑驗證

為驗證瓦斯抽采半徑考察結(jié)果，在現(xiàn)場瓦斯抽采參數(shù)測試一段時間后(累計30d)，在3-1#、3-2#、4-1#和4-2#致裂孔不同間距分別施工兩個殘余瓦斯含量驗證鉆孔，測定結(jié)果見表3。

表3 瓦斯抽采有效半徑驗證結(jié)果

結(jié)合表3測定結(jié)果僅選擇3-2#致裂孔分析，在距3-2#致裂孔2m處的瓦斯預(yù)抽率為42.0%，大于達(dá)標(biāo)預(yù)抽率，抽采達(dá)標(biāo)，距3-2#致裂孔3m處的瓦斯預(yù)抽率為23.0%，小于達(dá)標(biāo)預(yù)抽率，未抽采達(dá)標(biāo)，根據(jù)表2結(jié)果，3-2#致裂孔30天瓦斯抽采有效半徑為2.83m，即距離抽采鉆孔3m處未抽采達(dá)標(biāo)，測試結(jié)果與驗證結(jié)果基本一致；其他致裂孔測試結(jié)果與驗證結(jié)果也基本一致，計算結(jié)果可靠。

3.3.3 CO2致裂增透技術(shù)效益分析

1)工程量分析。CO2致裂后抽采30～150d的有效半徑達(dá)到了2.3～4.1m。按工作面平均抽采90d計算，CO2致裂孔有效抽采半徑達(dá)到3.8～5.9m，相對于目前平橋井M9煤層工作面順層鉆孔抽采半徑1m(9807進(jìn)風(fēng)巷每2m施工一個順層抽采孔)，工作面走向長度取1000m、鉆孔深度取100m，施工抽采鉆孔工程量減少75%以上；按目前礦上施工順層鉆孔成本7.7元/m，則每個工作面節(jié)約成本約57.8萬元。

2)安全性分析。CO2致裂增透技術(shù)可根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇不同型號致裂管進(jìn)行致裂，從而實現(xiàn)致裂能量可控。具有爆破過程無火花外露、低壓起爆、不產(chǎn)生具有破壞性的震蕩或震波、不需驗炮，爆破后便可進(jìn)，可連續(xù)作業(yè)等顯著優(yōu)勢。

3)增透效果分析。CO2致裂增透后鉆孔中的單孔抽采瓦斯純流量較未采取增透措施的普通抽采孔流量平均增加2.9～5.8倍，瓦斯抽采濃度增加2.3～3.1倍，瓦斯有效預(yù)抽時間縮短65%以上，從而提高采掘進(jìn)度。

4 結(jié) 論

1)先施工輔助孔后致裂較先致裂后施工輔助孔的瓦斯抽采有效半徑大，是由于先施工的輔助孔會預(yù)先產(chǎn)生一定裂隙，高壓CO2氣體釋放時提供了更多的裂隙通道，同時應(yīng)力向周圍傳播時阻力會偏小一些，因此致裂范圍更大，從而瓦斯抽采有效半徑更大。

2)隨著裝液量(致裂器)增多，預(yù)抽時間90d內(nèi)，致裂孔瓦斯抽采有效半徑更大，預(yù)抽時間在90～150d時，低一級裝液量的致裂孔瓦斯抽采有效半徑反而增加，在致裂時根據(jù)預(yù)抽時間選擇適宜的裝液量(致裂器)，有利于獲得最佳增透效果。

3)致裂后鉆孔瓦斯抽采有效半徑更大，是普通孔的3.6～4.2倍，CO2致裂增透后鉆孔中的單孔抽采瓦斯純流量較未采取增透措施的普通抽采孔流量平均增加2.9～5.8倍，瓦斯抽采濃度增加2.3～3.1倍，瓦斯有效預(yù)抽時間縮短65%以上，進(jìn)而提升了采掘進(jìn)度。