CO2预裂爆破增透技术在瓦斯抽采中的应用

李志强

(西山煤电(集团)公司 东曲矿，山西 古交 030200)

我国煤炭资源的赋存条件与国外不尽相同，普遍具有渗透率低、吸附性强、开采浅层煤层气的原始压力不高、解吸速度慢等特点，使得瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难，而且低渗透煤层瓦斯的吸附、解吸、扩散、渗流运移过程表现出相互制约和非达西渗流以及煤层瓦斯运移受排采降压引起的流固耦合作用较明显等突出特点。目前，国内瓦斯抽采过程中主要采用增加钻孔密度、射孔增透、深孔预裂爆破、水力压裂、水力割缝等方式提高矿井瓦斯的抽采率。而在利用CO2作为爆破材料和驱替介质，增加煤层渗透率、促使瓦斯产生解吸，在竞争吸附作用下使吸附在煤体内的瓦斯尽可能由吸附状态转变为游离状态，提高瓦斯的解析率方面的技术和研究相对较少。

1 矿井现状

1)西山煤电(集团)公司东曲矿目前开采煤层为8#煤层。2011年11月煤炭科学研究总院沈阳研究院测定的8#煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.108～0.225 d-1，煤层透气性系数0.396 m2/MPa·d，由钻孔瓦斯流量衰减系数来看，8#煤层属较难抽采类型；由煤层透气性系数来看，8#煤层的抽采难易程度属可以抽采类型。

2)该矿28208皮顺掘进预抽布置220个抽采钻孔，钻孔长度120 m，孔径113 mm。巷道里程0～1 170 m段为普通抽采钻机施工的抽采钻孔，钻孔间距5 m。巷道里程1 170～1 215 m段每隔15 m施工1个采用CO2预裂爆破技术的抽采钻孔，孔数为3个，编号174#、175#、176#。掘进过程中实测瓦斯含量3.4 m3/t、K1值0.11。

2 基本原理

1)CO2气体本身没有爆炸性，具有抑制爆炸和燃烧的作用。

2)在温度31℃以下、7.2 MPa压力时，CO2以液态存在。

3)1.0 kg液态CO2吸收60.0 kJ的热量才能气化。

4)当温度超过31℃时，无论压力多大，液态CO2将在40 ms内气化。

5)CO2预裂器内部安装发热装置，热反应过程在完全密闭且充满液态CO2的主体内腔中进行，震动和撞击均无法激活发热装置。因此，该设备的充装、运输、正常存放和安装使用均具有较高的安全性。

6)液态CO2气化产生高压波，可以预裂煤层增透，提高煤层渗透性，增加瓦斯抽采效率。

7)煤体对CO2的吸附性远高于对瓦斯的吸附性，使得爆破后的CO2能够滞留且驱替出大量煤体吸附的瓦斯。

8)煤体对CO2的渗透率高于对瓦斯气体的渗透率2个数量级以上。CO2爆破过程中，由于CO2气体的渗流运移，减小了煤体吸附瓦斯的分压，从而使得瓦斯持续解吸，提高瓦斯产量和瓦斯抽采率。

3 技术装备特征

CO2煤层预裂器主要由主体腔、化学热反应装置、充排气电极阀、泄能阀、定压泄能片、止飞机构、密封垫、切割圈等组成。

将液态的CO2注入CO2煤层预裂器内腔，关闭注液阀。将注入液态CO2的预裂器置于174#、175#、176#钻孔内，通过矿用发爆器在充排气阀上的2个电极上加脉冲电流约0.5～2 s，装置中的化学热反应材料迅速反应放热，液态CO2温度迅速升高。气化致使其压力随之加大，达到设定压力时，定压泄能片破裂，使得CO2气体高速喷出，从而使其能够在煤层裂隙中膨胀，导致煤层裂隙进一步扩大、透气增强。从实验室试验中测得，CO2气体从管体中喷出的时间大致可控制在0.1～0.5 s，这样CO2气体对煤层的作用时间就相对较长，并且在气体膨胀过程中就能够保持一段相对高的压力，能量的释放也就较缓和、持续，这对于煤层裂隙的进一步扩展、增加煤层渗透性和驱替瓦斯非常有利。

4 应用效果

在1周内，采用CO2预裂爆破增透技术的钻孔瓦斯抽采浓度由起始的32.3％逐步上升至95.97％，随后基本稳定在50％～72％，平均单孔瓦斯抽采纯量达0.321 m3/min，抽采90天后单孔浓度仍达45％左右，平均单孔瓦斯抽采纯量仍可达0.257 2 m3/min。未采用CO2预裂爆破增透技术的钻孔(选取168#、170#、172#)在抽采90天内瓦斯抽采浓度从35.6％逐步下降至26.4％，平均单孔瓦斯抽采纯量达0.183 m3/min。 采用CO2预裂爆破增透技术各钻孔瓦斯浓度见表1。

经过整理分析数据可以看出，采用CO2预裂爆破增透技术后单孔瓦斯抽采浓度是未预裂增透钻孔的1.5～2倍；抽采纯瓦斯量是未预裂增透钻孔的1.74～2.6倍。未采用CO2预裂爆破增透技术各钻孔瓦斯浓度见表2。

表1 采用CO2预裂爆破技术的各钻孔瓦斯浓度 /％

表2 未采用CO2预裂爆破技术各钻孔瓦斯浓度 /％

相较之前未进行预裂增透的钻孔抽采情况看，瓦斯抽采浓度明显增大，且持续时间长，抽采纯量大，进一步表明采用该技术后钻孔周边煤体的透气性得到了极大的提高，经CO2驱替作用煤体中解析瓦斯量也有了显著的提高，使得单孔瓦斯抽采浓度可较长时间稳定在45％以上。

采用CO2预裂爆破增透技术与装备的预裂半径可达15～30 m，抽采钻孔数量较未预裂增透工艺可减少半数以上，可有效减少抽采钻孔工程量，降低成本，提高瓦斯抽采效率。

5 结 论

1)该项技术和装备的应用拓宽了可抽采煤层瓦斯含量的下限，在煤层瓦斯含量仅为3.18～9.86 m3/t时仍可进行瓦斯抽采利用。因此，煤层瓦斯可以抽采利用的范围增大，改变了瓦斯含量相对较低煤层无法或难以抽采利用的现状，扩大了煤层气可抽采利用的储量。

2)该项技术具有安全、高效的特点。用于低透气性煤层的预裂效果明显，预裂范围可达数十米，可减少瓦斯抽采钻孔工程量，缩短抽采周期、缩短采掘衔接周期，从而降低抽采成本、生产成本，节省人力、能耗。

3)同水力压裂、水力割缝相比，CO2预裂爆破增透技术和装备的作用范围更大、效果更好、系统更简单、操作更灵活。在增加煤层渗透性的同时，通过CO2和瓦斯竞争吸附驱替出更多游离态瓦斯，使高效抽采瓦斯成为可能，尤其是在高瓦斯和具有煤与瓦斯突出危险性的矿井，通过采用该技术和装备可以有效降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，从而达到消除煤与瓦斯突出危险性的目的。

4)该技术的单孔预裂有效半径达30 m以上，其影响半径可达60～100 m，在较难抽采煤层中瓦斯抽出浓度可由原来的20％～30％骤升至40％～90％，瓦斯抽采纯量也相应增加，瓦斯抽采浓度和抽采率可提高2～3倍，从而大幅度减少钻孔工程量、简化抽采系统、降低抽采成本、提高抽采效率。

参 考 文 献

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