高壓CO2預(yù)裂增透解吸技術(shù)在松軟厚煤層的應(yīng)用

郝瑞云

(1.山西山煤國(guó)源煤礦安全技術(shù)有限公司,山西 太原 030006；2.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030006)

傳統(tǒng)本煤層平行鉆孔瓦斯抽采技術(shù)對(duì)松軟厚煤層透氣性改善影響小，煤層中瓦斯解吸少，導(dǎo)致瓦斯治理效果差，同時(shí)平行鉆孔抽采技術(shù)存在人力材料消化多，瓦斯抽采效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)銜接[1-2].研究表明，提高松軟厚煤層瓦斯治理效果關(guān)鍵是要增加煤層透氣性，提高瓦斯解吸量，將煤層中的瓦斯吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)[3-4].因此，煤層增透技術(shù)成為松軟厚煤層提高瓦斯抽采濃度，提升瓦斯治理效果的主要研究方向。

以霍爾辛赫煤礦松軟厚煤層為背景，圍繞提升鉆孔瓦斯抽采效果，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析論證CO2預(yù)裂增透技術(shù)在松軟煤層中的可行性及應(yīng)用效果。

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦3#煤層埋深495～525 m，煤厚4.49～7.17 m，平均5.65 m，構(gòu)造較簡(jiǎn)單，屬于穩(wěn)定煤層。3#煤層瓦斯含量為3.49～15.79 m3/t，透氣性系數(shù)為0.090 6～0.202 8 m2/(MPa2·d)，屬低透氣性難抽—可抽煤層。預(yù)裂孔直徑94 mm，為計(jì)算域中心。預(yù)裂管長(zhǎng)度為1.5 m，CO2質(zhì)量為1.5 kg.根據(jù)上述條件建立了CO2預(yù)裂有限差分?jǐn)?shù)值模型，煤層鉆孔采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。上覆巖層重量由模型頂部施加均布載荷實(shí)現(xiàn)，鉆孔在等圍壓作用下變形破壞，對(duì)鉆孔裂隙擴(kuò)展進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，其余邊界設(shè)置為粘彈性自由邊界場(chǎng)[5-6].巖石物理力學(xué)性質(zhì)見表1.

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)表

2 數(shù)值模擬分析

該次CO2預(yù)裂數(shù)值模擬主要考慮不同作用時(shí)間段、煤層地應(yīng)力及普氏系數(shù)3方面因素，分析預(yù)裂圍巖塑性區(qū)變化及應(yīng)力分布特征，驗(yàn)證分析預(yù)裂效果。

2.1 不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化特征

模擬不同時(shí)刻CO2預(yù)裂作用下的應(yīng)力分布情況，分析應(yīng)力隨時(shí)間的變化特征，見圖1.

從圖1可知，在CO2預(yù)裂作用下，圍巖的應(yīng)力隨時(shí)間的延續(xù)處于動(dòng)態(tài)變化中。在10～60 ms，圍巖應(yīng)力變化為集中區(qū)減小，卸載區(qū)擴(kuò)大，說(shuō)明CO2預(yù)裂對(duì)圍巖產(chǎn)生了一定破壞。而應(yīng)力集中區(qū)和卸載區(qū)變化較小，表明CO2預(yù)裂對(duì)煤層圍巖產(chǎn)生一定破壞實(shí)現(xiàn)增透效果，但不會(huì)影響巷道的穩(wěn)定性[7-8].

圖1 不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的應(yīng)力特征圖

2.2 地應(yīng)力的影響

研究表明,地應(yīng)力對(duì)圍巖裂隙的發(fā)育可以起到抑制作用。模擬施加10 MPa與30 MPa地應(yīng)力，研究分析在CO2預(yù)裂作用下不同地應(yīng)力對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)的變化情況，見圖2.

圖2 不同地應(yīng)力對(duì)塑性區(qū)的影響圖

從圖2可知，地應(yīng)力為10 MPa 較地應(yīng)力為30 MPa，CO2預(yù)裂影響區(qū)域較大。而地應(yīng)力增加為30 MPa 時(shí)，圍巖應(yīng)力集中區(qū)增加，應(yīng)力卸載區(qū)減小，CO2預(yù)裂影響范圍有所減少。模擬結(jié)果驗(yàn)證了地應(yīng)力的存在對(duì)裂隙的發(fā)育起到阻礙作用，通過(guò)煤層卸壓可以增加預(yù)裂的效果。

2.3 煤體普氏系數(shù)的影響

煤體不同普氏系數(shù)影響原始裂隙發(fā)育程度。模擬0.1與0.7煤層普氏系數(shù)，研究分析在CO2預(yù)裂作用下不同普氏系數(shù)對(duì)應(yīng)的煤層塑性區(qū)的變化情況，見圖3.

圖3 普氏系數(shù)對(duì)塑性區(qū)的影響圖

從圖3可知，隨著煤體硬度的增加，CO2預(yù)裂作用下煤層塑性區(qū)也隨之增加。原因?yàn)槊后w普氏系數(shù)小，煤層在地應(yīng)力作用下圍巖松軟，原始裂隙發(fā)育較高，CO2預(yù)裂產(chǎn)生的沖擊波衰減速率快，預(yù)裂作用效果不明顯。當(dāng)煤體普氏系數(shù)增加時(shí)，CO2預(yù)裂產(chǎn)生的沖擊波增加了圍巖裂隙的發(fā)育，但隨著普氏系數(shù)增加到一定數(shù)值時(shí)，預(yù)裂影響范圍基本保持穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2020年在3803運(yùn)輸順槽西幫960 m、980 m、100 m和120 m處分別施工3個(gè)CO2預(yù)裂增透預(yù)抽鉆孔，編號(hào)1#—3#，以及一個(gè)未預(yù)裂增透的預(yù)抽鉆孔，編號(hào)為4#.預(yù)裂孔距巷道底板1.5 m，預(yù)裂深度90 m,預(yù)裂孔間距為20 m，孔深120 m，孔徑約為113 mm，傾角0°，方位角275.3°.

在進(jìn)行抽采的33天里，對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)CO2預(yù)裂鉆孔及抽采鉆孔的抽采瓦斯純量和濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，結(jié)果見圖4—9.

圖4 1#、4#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘?duì)比圖

圖5 2#、4#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘?duì)比圖

圖6 2#、4#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘?duì)比圖

圖7 1#、4#鉆孔抽采瓦斯純量對(duì)比圖

圖8 2#、4#鉆孔抽采瓦斯純量對(duì)比圖

圖9 3#、4#鉆孔抽采瓦斯純量對(duì)比圖

1)CO2預(yù)裂爆破之前試驗(yàn)地點(diǎn)煤層瓦斯含量為12.97 m3/t，抽采33天后，煤層瓦斯含量為7.05 m3/t，降低了45.6%.相較于4#鉆孔抽采濃度最高9.6%，1#、2#和3#鉆孔的抽采濃度分別提高到預(yù)裂前的4.18倍、3.67倍和3.05倍。

2)1#、2#和3#鉆孔瓦斯抽采純量最高分別為0.33 m3/min、0.61 m3/min和0.32 m3/min，分別是預(yù)裂前的1.96倍、3.7倍和1.95倍。經(jīng)過(guò)33天抽采之后，4#未預(yù)裂預(yù)抽孔共抽采瓦斯3 116.41 m3，平均每天抽采94.43 m3；1#預(yù)裂預(yù)抽孔共抽采瓦斯4 546.53 m3，平均每天抽采137.77 m3，較4#預(yù)抽孔提高了46%；2#預(yù)裂預(yù)抽孔共抽采瓦斯5 420.63 m3，平均每天抽采164.26 m3，較4#預(yù)抽孔提高了73%；3#預(yù)裂預(yù)抽孔共抽采瓦斯4 684.88 m3，平均每天抽采瓦斯141.96 m3，較4#預(yù)抽孔提高了50%.

3)順槽長(zhǎng)度按1 000 m、鉆孔深度120 m計(jì)算，預(yù)裂前鉆孔間距2 m，則需施工500個(gè)鉆孔，每套封孔器單價(jià)1 600元，鉆孔單價(jià)60元/m，則總計(jì)成本為440萬(wàn)元。預(yù)裂后，每50 m施工一個(gè)預(yù)裂鉆孔，則需施工20個(gè)預(yù)裂孔(兼做抽采孔)，預(yù)裂孔總價(jià)為100萬(wàn)元，鉆孔間距3 m，則需施工333個(gè)抽采孔，抽采孔總價(jià)為293.04萬(wàn)元，則總成本為393.04萬(wàn)元，共計(jì)能夠節(jié)約成本46.96萬(wàn)元。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)CO2預(yù)裂試驗(yàn)，抽采33天后，試驗(yàn)地點(diǎn)煤層瓦斯含量由12.97 m3/t降為7.05 m3/t，降低了45.6%.相較于未預(yù)裂鉆孔抽采濃度最高9.6%，采用CO2預(yù)裂鉆孔平均最高抽采濃度為34%，提高3.63倍。

2)采用CO2預(yù)裂鉆孔瓦斯抽采純量最高值平均為0.42 m3/min，較預(yù)裂前的0.42 m3/min提高了2.53倍。經(jīng)過(guò)33天抽采，未預(yù)裂鉆孔抽出瓦斯3 116.42 m3，平均抽采瓦斯94.43 m3/d；預(yù)裂鉆孔平均抽出瓦斯4 884.01 m3，平均每天抽采瓦斯148 m3/d.

3)采用CO2預(yù)裂瓦斯抽采技術(shù)相較于傳統(tǒng)本煤層預(yù)抽鉆孔，在提高瓦斯抽采效果同時(shí)，每個(gè)回采工作面可節(jié)約成本46.96萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了礦井的本質(zhì)安全和降本增效。