CO2预裂增透技术在低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

许永将

(山西西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052)

煤矿工程

CO2预裂增透技术在低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

许永将

(山西西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052)

我国煤矿在经过多年的浅部采掘活动后，煤层赋存条件进一步复杂化。同时，受采掘设备大型化、智能化等客观因素影响，采掘过程中矿井瓦斯涌出量将进一步增大，成为制约矿井安全发展最为突出的难题之一，故而寻求新的瓦斯抽采革命性技术尤显重要。通过在西铭矿48709工作面应用CO2复合气体置换解析技术，降低了煤层瓦斯含量，消除了煤层瓦斯涌出量大的隐患，为西铭矿在瓦斯抽采技术及工艺方面提供了新的思路和新的可持续发展道路。

CO2预裂；增透技术；瓦斯抽采钻孔；采掘

引 言

西山煤电西铭矿所采的石炭二叠纪煤层瓦斯赋存存在着透气性差、瓦斯吸附能力强、解析时间较长及可解吸量较差等客观因素，导致瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难。目前,我国煤矿针对低透气性煤层瓦斯抽采采用水力压裂、水力割缝、松动爆破、控制爆破等措施来促使瓦斯更容易地从煤层中解吸出来，提高瓦斯抽采率。但受其技术特点、现场作业环节及容易导致瓦斯超限等因素的影响，使上述技术在煤层瓦斯抽采中的推广及应用受到制约。CO2预裂增透技术具有发展成熟、操作简单、现场作业安全等优势，成为西铭矿在针对低透气性煤层瓦斯抽采过程中不可或缺的选择[1]。

1 西铭矿低透气性煤层现状及瓦斯抽采依据

目前，山西西山煤电股份有限公司西铭矿共计回采4个煤层，分别为2#、3#、8#、9#煤层。其中，尤以8#煤层瓦斯治理难度最大。矿井8#煤层瓦斯含量为8.43 m3/t，解吸量为4.00 m3/t，损失量为0.98 m3/t，损失量为3.45 m3/t，煤层压力为0.36 MPa。

从煤层参数的鉴定结果来看，煤层百米钻孔初始瓦斯涌出强度为0.216 m3/min，100 m衰减系数0.048 7 d-1，煤层透气性系数为3.453 m2/(MPa2·d)～5.341 m2/(MPa2·d)。依据AQ-1027-2006行业标准，西铭矿所采的8#煤层属于可抽采煤层[2-3]。

鉴于西铭矿北七采区属于新开发采区，48709工作面为该采区首采工作面。在针对首采工作面的瓦斯治理措施中，西铭矿建立了多种“立体瓦斯抽采措施”，即，本煤层钻孔治理该煤层瓦斯涌出、澳钻高位平行钻孔替代高抽巷解决采空区垮落后的瓦斯涌出、底抽钻场用于对下邻近层(9#煤)瓦斯涌出。因8#煤层本煤层瓦斯含量较大，故针对本煤层瓦斯涌出较大、低透气性的诸多特点，引进了CO2复合气体置换解析技术，强化本煤层的瓦斯抽采钻孔增透作用，从而达到长效、强效抽采的效果。

2 CO2预裂增透技术的原理

利用CO2惰性气体的特性，结合其31 ℃以下、7.2 MPa以上以液态形式存在的原理，将CO2装入特殊装置中，CO2在温度高于31 ℃时可在瞬间变为气态并释放大量能量，对煤体形成高压流作用，增加煤体裂隙度，从而提高煤体透气性，且CO2的强吸附作用可将煤体中吸附的瓦斯置换至孔内，从而增加煤体的瓦斯抽采率。

3 CO2预裂增透技术在西铭矿的具体应用情况

3.1 钻孔布置情况

西铭矿北七采区48709工作面本煤层抽采钻孔在皮带巷布置。第1个本煤层钻孔从切眼向外9 m处开始布置，从切眼向外每9 m施工一个钻孔。为区分其CO2预裂增透技术的效果，先期使用本煤层钻孔1#～5#钻孔(该钻孔不进行预裂)，钻孔间距为3 m，后期施工的抽采6#～20#钻孔组织其进行预裂。

3.2 钻孔施工参数

其他施工参数均保持一致。所施工钻孔与巷道中线夹角全部成90°，所有钻孔均垂直于煤壁，钻孔的倾角为煤层倾角，钻孔开孔位置距离巷道底板1.3 m。钻孔的深度按切眼长度减15 m设计，工作面切眼倾斜长度为220 m，则本煤层钻孔深度为205 m。众所周知，钻孔直径大，钻孔抽采量相应增大。根据钻机性能、施工速度与技术水平、抽采瓦斯量等因素，确定钻孔开孔和终孔孔径均为113 mm。

3.3 CO2预裂增透技术在48709工作面钻孔抽采情况对比

经过近3个月的观测，在西铭矿北七采区48709工作面施工的本煤层钻孔中，未采用CO2预裂的1#～5#本煤层钻孔平均瓦斯抽采量为0.009 m3/min，未进行预裂的钻孔在1个月后的瓦斯抽采浓度下降明显。本文仅选用5#钻孔观测数据制成曲线图形用作对比，具体如图1。由图1可知，其钻孔在1个月后的瓦斯体积分数由42%下降至30%，2个月后瓦斯体积分数下降至23%，3个月后下降至18%。

采用CO2预裂的1#～5#本煤层钻孔平均瓦斯抽采量为0.021 m3/min，预裂钻孔先期的瓦斯体积分数维持在73%，3个月后的瓦斯体积分数维持在47%。本文仅选用12#钻孔观测数据制成曲线图形用作对比，具体如图2。

3.4 CO2预裂增透技术在西铭矿北七采区的应用结果

48710单轨吊巷预裂钻孔瓦斯抽采体积分数为25%～48%。预裂钻孔单孔平均瓦斯抽采量为0.017 m3/min～0.021 m3/min，而该工作面未采用CO2预裂的1#～5#本煤层钻孔预裂钻孔瓦斯抽采体积分数为11%～21%，平均瓦斯抽采量为0.009 m3/min。采用CO2预裂的本煤层钻孔单孔平均瓦斯抽采量较该工作面未预裂钻孔提高了1.23倍，与以往不预裂相比，不仅减少了抽采钻孔的工程量，提高了煤层透气性系数，而且提高了打钻现场质量标准化水平，确保了矿井的安全生产。西铭矿北七采区48709工作面本煤层钻孔未预裂钻孔参数情况和部分预裂钻孔参数情况分别见第106页表1和表2。

图1 48709工作面本煤层5#钻孔抽采瓦斯体积分数变化图

图2 48709工作面本煤层12#钻孔抽采瓦斯体积分数变化图

3.5 CO2预裂增透技术西铭矿应用方面的改进方向

1) 受地质因素影响，西铭矿北七采区煤层巷道局部段布置在夹层中[西铭矿8#煤层分上层(0.8 m～1.2 m)与下层(平均厚度为3.6 m)，期间夹有1 m厚的煤矸石，目前8#煤层沿8#煤顶板送道]，故在针对煤矸石的瓦斯抽采区域效果尚不甚理想。

表1 西铭矿北七采区48709工作面本煤层钻孔(未预裂钻孔参数情况)

表2 西铭矿北七采区48709工作面本煤层钻孔(部分预裂钻孔参数情况)

2) CO2预裂增透技术作为新技术，其技术转让费用较高，相关的制造及施工技术制约当前技术发展，现场的安全操作需进一步改进和完善。

4 结论及应用前景

1) CO2预裂增透技术在煤层瓦斯治理方面的应用起到了卓有成效的作用，为煤矿在瓦斯治理方面提供了新的技术方案和技术思路，拓宽了针对低透气性煤层的瓦斯治理手段。

2) 该项技术在一定程度上解决了瓦斯抽采煤层的现状，针对低透气性煤层、较难以抽采煤层及难以抽采煤层的瓦斯不容易被抽出的实际情况，拓宽了可抽采范围，在降低煤层瓦斯含量方面具有不可替代的作用。

3) 该项技术较爆破材料深孔爆破省去了不必要的繁琐手续(因爆破材料的特殊性因素)，较水力割缝等减少了环节工作，且CO2的惰性气体特性也降低了安全风险，具备安全高效的特点。

4) 受原有钻孔间距等客观因素影响，针对本煤层的瓦斯抽采钻孔施工过程中钻孔密度大造成施工任务大的问题，该项技术减少了人员出勤、机电设备维护等工作，同时延长了瓦斯抽采周期。

[1] 林伯泉，翟 成，朱传杰，等.矿井瓦斯防治理论与技术(第二版)[I]，中国矿业大学出版社，2010(2):264-277.

[2] 袁河津，常荣俊，姚绍强，等.《煤矿安全规程》专家解读2011年修订版[I]，中国矿业大学出版社，2011(3):199-200.

[3] 国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局《煤矿安全规程》2016年版[T]，煤炭工业出版社， 2016(1):113-116.

ApplicationofCO2pre-spliingtandanti-reflectiontechnologyingasdrainageofcoalseamwithlowpermeability

XUYongjiang

(XishanCoalElectricityGroupXimingCoalMine,TaiyuanShanxi030052,China)

After many years of shallow mining activities in China's coal mines, the occurrence condition of coal seams is further complicated. At the same time, affected bylarge-scale equipment, intellectualization and other objective factors in mining, the amount of mine gas emission will further increase in mining process, which has become one of the most prominent problems in restricting the development of mine safety. So it is particularly important to seek new revolutionary technology of gas drainage. Through CO2composite gas displacement analytical technologyin 48709 working face of Ximing coal mine,the gas content of coal seam is reduced, and the hidden danger of gas emission quantity is eliminated, providing a new idea and a new way for sustainable development of gas drainage technology and procesin Ximing coal mine.

CO2pre-splitting; anti-reflection technology; gas drainage borehole; mining

2017-04-10

许永将，男，1975年出生，2015年毕业于太原理工大学采矿工程专业，通风工程师，从事瓦斯抽采方面工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.36

TD712

A

1004-7050(2017)03-0104-03