玉溪煤礦CO2氣相爆破預(yù)裂增透試驗(yàn)研究

李 棟

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司,山西 晉城 048000)

高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯強(qiáng)化抽采對(duì)于提高采煤工作面抽采效果、減少瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間、提高礦井經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[1-3]。傳統(tǒng)強(qiáng)化抽采的主要方式為水力割縫、水力沖孔、水力壓裂。采用水動(dòng)力介質(zhì)強(qiáng)化抽采的方式容易造成糊鉆和水體排出困難等問(wèn)題,為抽采鉆孔的穩(wěn)定性埋下隱患,水體排出困難會(huì)影響瓦斯的解析與抽采[4-6]。

CO2預(yù)裂增透利用物理變化,將CO2作為增透和驅(qū)替介質(zhì),爆破過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生水和有害氣體,同時(shí)還可以提高瓦斯的抽采效率、降低抽采成本,是一種高效、經(jīng)濟(jì)、適用范圍廣的增透新方法[7-8]。在碳基吸附劑中,CO2具有更強(qiáng)的吸附能力,且比甲烷、氮?dú)鈹U(kuò)散得更快,因此CO2適用于驅(qū)替煤層中的甲烷[9-10]。

1 二氧化碳致裂原理

二氧化碳致裂器利用液態(tài)二氧化碳吸熱氣化膨脹,壓力瞬間上升的原理,在達(dá)到目標(biāo)壓力后瞬間釋放高壓氣體進(jìn)行破巖、致裂。致裂器體積小,便于運(yùn)送,使用過(guò)程安全可靠,釋放壓力可控,可廣泛應(yīng)用于煤礦、非煤礦山、工業(yè)物料清堵、水下爆破、城市市政建設(shè)等領(lǐng)域。

在二氧化碳致裂器的儲(chǔ)液管內(nèi)充裝液態(tài)二氧化碳,啟動(dòng)加熱裝置產(chǎn)生熱量,使儲(chǔ)液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳瞬間氣化,體積膨脹約600倍,壓力急劇升高,當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到定壓剪切片極限強(qiáng)度時(shí),高壓氣體沖破定壓剪切片,利用瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大推力,沿自然裂隙或爆生裂隙沖破物料,從而達(dá)到致裂(爆破)的目的。定壓剪切片是控制泄能壓力的部件,可以通過(guò)更換使用不同規(guī)格的剪切片從而控制釋放壓力,目前最大釋放壓力可達(dá)250 MPa。

1—充裝閥;2—加熱裝置;3—儲(chǔ)液管;4—密封墊;5—定壓剪切片;6—釋放管圖1 致裂器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Cracker structure

致裂器里面的液態(tài)二氧化碳通過(guò)儲(chǔ)存罐來(lái)儲(chǔ)存,然后使用充裝機(jī)將液態(tài)二氧化碳?jí)喝氲街铝哑髦?。因?致裂器可以通過(guò)致裂與充裝實(shí)現(xiàn)反復(fù)應(yīng)用。

2 致裂試驗(yàn)方案

2.1 工作面概況

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“玉溪煤礦”,下同)位于山西省南部、樊莊普查區(qū)的東南部,井田面積26.147 km2,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為240 萬(wàn)t/a,主采3號(hào)煤層,服務(wù)年限41.7 a。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳《關(guān)于山西亞美大寧能源有限公司大寧煤礦和山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司突出礦井認(rèn)定的批復(fù)》(晉煤瓦發(fā)〔2012〕512號(hào)文),玉溪煤礦批復(fù)為煤與瓦斯突出礦井。

1301工作面是玉溪礦首采工作面,煤層平均厚度5.85 m,巷道掘進(jìn)工作面高3.8 m,寬5.8 m,工作面走向長(zhǎng)度1 250 m,傾向長(zhǎng)度200 m,工作面采用“兩進(jìn)三回”“U”型通風(fēng)方式。掘進(jìn)工作面布置有2條底抽巷,采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯措施進(jìn)行1301工作面進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽、切眼的區(qū)域防突?；夭晒ぷ髅嬖O(shè)計(jì)采用順層鉆孔作為區(qū)域防突措施。在1301工作面的未施工抽采鉆孔的300 m范圍進(jìn)行預(yù)裂增透,以提高抽采效率。

2.2 鉆孔布置

1)切眼工作面長(zhǎng)度200 m,運(yùn)輸順槽正在抽采的鉆孔深度120 m左右,為保證不會(huì)在實(shí)施預(yù)裂的過(guò)程中與對(duì)面鉆孔擊穿,中間保留10 m的隔離帶。

2)在靠近原有抽采鉆孔開(kāi)始打鉆時(shí),第一個(gè)預(yù)裂鉆孔要與原有抽采鉆孔保持10 m間隔,防止在預(yù)裂過(guò)程中擊穿。

3)預(yù)裂鉆孔開(kāi)孔高度為1.5～1.8 m,共設(shè)計(jì)21個(gè)鉆孔,鉆孔平均分布，間隔13.3 m。預(yù)裂鉆孔深度68～70 m,與抽采鉆孔保留10 m隔離距離。

2.3 施工工藝

2.3.1鉆頭及鉆孔

1)采用94 mm鉆頭打鉆孔,要保證鉆孔質(zhì)量,尤其是從孔口開(kāi)始前30 m,鉆孔內(nèi)壁不能有劃痕,否則會(huì)造成鉆孔密封不嚴(yán)而漏氣,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致無(wú)效果。

2.3.2具體施鉆參數(shù)

壓裂鉆孔參數(shù)如下:

1)鉆孔直徑:94 mm。

2)壓裂鉆孔深度:68～70 m。

3)開(kāi)孔高度:施工前由我公司技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn),選擇硬煤分層布置鉆孔,一般距煤層底板1.5～1.8 m。

4)壓裂孔角度:垂直于工作面煤壁且平行于巷道頂板,傾角為煤層傾角+1°。

5)壓裂管：20～25根/孔。

6)壓裂時(shí)封孔器封孔深度：12～15 m。

7)壓裂段:15～60 m(根據(jù)鉆孔深度及壓裂桿入孔數(shù)量變化)。

8)壓裂鉆孔抽采階段應(yīng)采用兩堵一注膨脹水泥封孔,長(zhǎng)度12 m。

值得注意的是施工過(guò)程中根據(jù)鉆機(jī)能力及地質(zhì)條件等因素的變化,鉆孔深度、開(kāi)孔高度、壓裂桿數(shù)量可適當(dāng)調(diào)整。

2.3.3封孔

實(shí)施預(yù)裂后要及時(shí)對(duì)預(yù)裂鉆孔進(jìn)行兩堵一注封孔抽采,封孔深度和負(fù)壓按照礦方的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行,整個(gè)預(yù)裂工程實(shí)施完畢后2～3 d可以進(jìn)行兩邊抽放孔的補(bǔ)孔工作。

3 效果評(píng)價(jià)與分析

3.1 預(yù)裂對(duì)周?chē)@孔抽采效果影響

對(duì)離21#預(yù)裂孔最近的第10組抽放單元的瓦斯?jié)舛扰c流量進(jìn)行分析,單孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化如圖2所示,抽采管路瓦斯體積分?jǐn)?shù)和流量變化如圖3所示。對(duì)離1#預(yù)裂孔最近的第14組抽放單元的瓦斯體積分?jǐn)?shù)與流量進(jìn)行分析,單孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化如圖4所示,抽采管路瓦斯體積分?jǐn)?shù)和流量變化如圖5所示。預(yù)裂后大部分鉆孔的單孔抽采濃度都有所提高。第10組抽放單元總管的瓦斯體積分?jǐn)?shù)在預(yù)裂前后由31%提高至45.3%,抽采混量由1.41 m3/min增長(zhǎng)至1.73 m3/min。第14組抽放單元總管的瓦斯體積分?jǐn)?shù)在預(yù)裂前后由44%提高至59.2%,抽采混量由4.98 m3/min增長(zhǎng)至5.56 m3/min。

圖2 第10組鉆孔預(yù)裂前后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.2 Extraction volume concentration comparison before and after pre-splitting the 10th group of drilling holes

圖3 第10組鉆孔抽采管路預(yù)裂前后瓦斯抽采效果Fig.3 Extraction effect before and after pre-splitting of extraction pipelines of the 10th group of drilling holes

圖4 第14組鉆孔預(yù)裂前后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.4 Extraction volume concentration comparison before and after pre-splitting of the 14th group of drilling holes

圖5 第14組鉆孔抽采管路預(yù)裂前后瓦斯抽采效果Fig.5 Extraction effect before and after pre-splitting of extraction pipelines of the 10th group of drilling holes

為了考察不同距離對(duì)驅(qū)替效果的影響規(guī)律,定義瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提升率,用η表示。其計(jì)算公式如下:

式中:φ1表示預(yù)裂前瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù),%;φ2表示預(yù)裂后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù),%。

如圖6所示，第10組鉆孔中1#孔距離21#預(yù)裂孔10 m，1#鉆孔至15#鉆孔按孔間距1 m順序遞增式遠(yuǎn)離21#預(yù)裂孔方向布置?？梢钥闯觯S著距離的增加，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提升率先增大后減小。根據(jù)圖中反映的第10組鉆孔預(yù)裂后抽采濃度提升率趨勢(shì)，距離預(yù)裂鉆孔14～16 m時(shí)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)提升率最高。

圖6 第10組鉆孔預(yù)裂后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提升率Fig.6 Extraction concentration increase rate after pre-splitting the 10th group of drilling holes

如圖7所示,第14組鉆孔中1#孔距離1#預(yù)裂孔10 m，1#鉆孔至15#鉆孔按孔間距1 m順序遞增式遠(yuǎn)離1#預(yù)裂孔方向布置?？梢钥闯?，隨著距離的增加，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提升率總體趨勢(shì)也是先增大后減小，距離預(yù)裂鉆孔14～17 m時(shí)，瓦斯?jié)舛忍嵘首罡摺?/p>

圖7 第14組鉆孔預(yù)裂后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提升率Fig.7 Extraction concentration increase rate after pre-splitting the 14th group of drilling holes

3.2 預(yù)裂孔抽采效果評(píng)價(jià)

1301回風(fēng)1巷預(yù)裂孔濃度變化情況:1#孔預(yù)裂后瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%,一周后升高至40%,隨后衰減至5%;3#、6#、13#、17#、21#孔預(yù)裂后瓦斯體積分?jǐn)?shù)在50%～60%之間,一周后衰減至20%;其他預(yù)裂孔預(yù)裂后瓦斯體積分?jǐn)?shù)在80%～90%之間,一周后瓦斯體積分?jǐn)?shù)仍在70%以上,目前瓦斯體積分?jǐn)?shù)在50%左右。一周內(nèi)的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖8所示。

圖8 預(yù)裂鉆孔瓦斯抽采平均體積分?jǐn)?shù)Fig.8 Average gas extraction volume fraction of pre-splitting boreholes

為了對(duì)比預(yù)裂孔本身預(yù)裂后對(duì)自身抽采效果的影響,對(duì)預(yù)裂鉆孔的平均濃度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并與鉆孔未預(yù)裂前的瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行對(duì)比。如圖9所示,選取的21個(gè)預(yù)裂鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)48%的大于10個(gè),達(dá)到50%以上。如圖10所示,21個(gè)常規(guī)鉆孔沒(méi)有預(yù)裂前,有50%的鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)沒(méi)有超過(guò)50%,說(shuō)明了預(yù)裂鉆孔不僅僅對(duì)周?chē)@孔瓦斯抽采具有增強(qiáng)作用,對(duì)其本身的瓦斯抽采亦具有提升作用。

圖9 預(yù)裂鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)分布Fig.9 Gas extraction volume fraction distribution curve of pre-splitting drilling holes

4 結(jié)束語(yǔ)

1)二氧化碳?xì)庀啾祁A(yù)裂不僅能夠提高自身抽采濃度,更能夠提高壓裂周?chē)鷨谓M瓦斯抽采濃度和抽采量。玉溪煤礦1301工作面試驗(yàn)結(jié)果表明:第10組抽放單元總管的瓦斯體積分?jǐn)?shù)在預(yù)裂前后由31.0%提高至45.3%,抽采混量量由1.41 m3/min增長(zhǎng)至1.73 m3/min；第14組抽放單元總管的瓦斯體積分?jǐn)?shù)在預(yù)裂前后由44.0%提高至59.2%,抽采混量由4.98 m3/min增長(zhǎng)至5.56 m3/min。

2)預(yù)裂較小范圍內(nèi)瓦斯被驅(qū)替,提升效率有限,但是隨著預(yù)裂范圍擴(kuò)大,裂隙發(fā)育和驅(qū)替能力減小,瓦斯抽采濃度提升率有一個(gè)最值區(qū)間,在該區(qū)間之外提升效果不明顯,對(duì)于玉溪煤礦3#煤層該區(qū)間位于距離壓裂鉆孔14～17 m范圍內(nèi)。