CO2致裂增透技术的抽采半径考察研究

马淑胤

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

钻孔有效抽采半径的考察可以分为穿层钻孔考察与顺层钻孔考察方式，常用的钻孔抽采半径考察方法通常为瓦斯压力降低法与瓦斯含量现场测定方法，这两种方法无论哪一种均需要考虑煤层的赋存和煤层的透气性。国内生产矿井为了提高煤层透气性，增加煤层裂隙，采用水力压裂[1-3]与炸药预裂等方式增加煤层瓦斯的解吸效率，进而提高瓦斯抽采率，减小煤层突出危险性[4-5]。这些技术虽然在瓦斯治理工作中起到了一定的作用，但对于炸药预裂中炸药的审批、运输、安全性以及爆破参数都有严格的要求，存在安全隐患；而水力压裂问题在于压裂的方向不可控，容易造成过度压裂等。

近几年CO2致裂增透技术的广泛应用，源于其较好的增透效果及安全性[6]。魏刚等[7]为了解决采掘工作面悬顶问题，使用CO2致裂增透技术进行顶煤欲裂，收获很好的效果。王兆丰等[8]将液态CO2相变致裂技术应用于煤层二次增透，取得了较好的成果。孙文忠[9]利用液态CO2相变致裂技术对提高瓦斯抽采效果进行了定量研究。

文献[10-12]对液态CO2相变致裂技术在煤层增透领域的研究取得了一定成果，如九里山矿对单一布孔的方式研究；平煤股份十三矿研究了交错梅花布孔的方式。这些研究对于抽采效果的提高具有一定的意义。为了进一步缩短瓦斯抽采达标时间，根据矿井实际情况，本文采用王兆丰[10]研究的梅花布孔的方式应用于穿层钻孔瓦斯抽采半径的考察中，明确了致裂孔与抽采钻孔的间距和每组瓦斯抽采半径致裂孔的数量，使实际抽采过程中更好的提高瓦斯抽采效率。

1 CO2致裂增透技术

1.1 CO2相变致裂增透技术原理

CO2致裂技术原理是在爆破器主管中充入液态CO2，利用发爆器迅速激发加热，致使主管40ms内CO2快速气化且体积迅速膨胀600倍以上，达到极限压力后，泄能片在0.5s内立刻破断[13]，产生的高压气体从泄能头出气孔高压冲击煤体，以此增加煤岩层的透气性。爆破器由主管、充气头(起爆头)、排气头、加热棒、爆破片、泄能片、止飞器等组成。其结构如图1所示。

图1 爆破器组成结构

1.2 致裂影响半径

由断裂力学与弹塑性力学理论可知，爆破气体对于岩石破坏作用可以分为爆破应力波作用区域与爆破气体的准静力场区域[14]。

应力波作用初始裂隙长度为

(1)

式中：rh为爆破孔直径，取90mm；KI为动载下抗拉强度提高系数；St为岩石静载下的抗拉强度，煤一般取值为5MPa[15]；α为衰减指数，一般取值1.5，Pmax为爆破产生气体高压峰值，取270MPa。

距离炮孔r处的准静应力场区为

(2)

式中：Kb为煤体体积模量，MPa；P为初始裂隙区内气体压力，MPa；σr为距离r处的准静应力。经过应力波作用后，结合公式(1)、(2)计算得到致裂影响半径约为6.6m。

2 穿层钻孔抽采半径布孔方式

为研究CO2相变致裂增透对预抽煤层瓦斯有效半径效果的影响，据计算得出的致裂破碎半径，在井下底抽巷选出两块试验区域，分别为试验区域一与试验区域二，试验区域一未进行致裂孔布置，试验区域二致裂孔为梅花形布孔方式，如图2a、图2b所示。

根据矿井实际情况，在底抽巷试验区域位置拟考察的瓦斯抽采半径分为三组：1.5m、2.0m、2.5m，即瓦斯抽采钻孔间距为3m、4m、5m。每组考察钻孔按5排布置。试验区域一为未进行过致裂孔布置，抽采钻孔的布置方式为3m×3m，4m×4m，5m×5m(终孔间距×排间距)。试验区域二的穿层钻孔布置方式为黑色充填致裂孔，其他为抽采钻孔，在该试验区域内三组抽采半径钻孔布置方式为3m×3m，4m×4m，5m×5m(终孔间距×排间距)，抽采孔控制巷道两侧轮廓15m范围内，致裂孔布置方式采用梅花布孔的方式布置在三组抽采钻孔内[16]，抽采半径为1.5m、2.0m、2.5m的三组致裂孔布置数量分别为13个、27个、27个。

图2 现场钻孔布置示意图

3 现场试验效果

试验地址选取某矿15号煤层底抽巷，该矿15号煤层厚度平均约为5.74m，该煤层挥发分14.71%，孔隙率为5.56%，瓦斯吸附常数a为30.7702，b为1.3573，煤层透气性系数为0.008m3/(m2d)。在该煤层四采区15404底抽巷距离开口340～460m位置布置两块试验区域，分别为区域一、区域二；现场进行取样测瓦斯含量与测瓦斯压力,表明120m试验区域内原始瓦斯含量8.9～11.84m3/t，原始瓦斯压力为0.81～0.96MPa。

试验区域二内，根据方案对15号煤层进行CO2致裂爆破，完成爆破致裂后立即进行封孔，并连接抽采管路，最后对抽采效果进行考察。为对两块试验区域进行对比分析，区域一与区域二使用瓦斯抽放综合参数测定仪对抽采的瓦斯浓度、流量进行抽采效果的研究。

3.1 未进行CO2致裂爆破抽采半径效果考察

试验区域一三组抽采钻孔在未采取致裂措施的情况下,原始煤体的瓦斯抽采纯量与时间关系曲线如图3所示。

图3 抽采纯量随时间变化曲线

由图3可以看出，试验区域一未采取致裂增透，煤层瓦斯日抽采纯量曲线为乘幂函数形式曲线，即为：

y=At-b

式中：y为抽采量，m3/d；A、b为常数；t为时间，d。

图3为实测日平均抽采纯量，由图3可以看出抽采半径为1.5m的抽采钻孔，在成孔后抽采纯量在第25d衰减至2m3/d；当抽采到第80d，抽采纯量约为1m3/d；140d后，抽采纯量维持在0.15m3/d。抽采半径为2m的抽采钻孔，在成孔后抽采纯量在第30d衰减至2.1m3/d；当抽采到第90d，抽采纯量约为1m3/d；160d后，抽采纯量维持在0.2m3/d。抽采半径为2.5m的抽采钻孔，成孔后抽采纯量在20～40d衰减，处于2m3/d左右稳定波动；150d后，抽采纯量维持在0.3m3/d。

由图3可以看出，抽采半径1.5m的抽采纯量曲线中，单孔平均抽采纯量10d累计为35m3、20d累计为65.1m3、30d累计为91.1m3、40d累计为116.7m3；抽采半径2m的抽采纯量曲线中，单孔平均抽采纯量10d累计为34.9m3、20d累计为62.4m3、30d累计为90.1m3、40d累计为115.7m3；抽采半径2.5m的抽采纯量曲线中，单孔平均抽采纯量10d累计为32.1m3、20d累计为57.7m3、30d累计为82.1m3、40d累计为102.4m3。

根据试验区域一煤层原始瓦斯日抽采纯量衰减曲线及三组抽采半径分别累计的抽采纯量计算可以得出，未采取致裂爆破条件下，1.5m抽采半径抽采达标需要235d；2m抽采半径抽采达标需要270d；2.5m抽采半径抽采达标需要300d。

3.2 CO2致裂爆破抽采半径效果考察

试验区域二考察了三组抽采半径采取致裂措施后煤体的瓦斯抽采纯量与时间关系曲线，如图4所示。

试验区域二内布置致裂孔的三组抽采半径1.5m、2m、2.5m，使用CO2致裂爆破增透后，抽采钻孔致裂后的35～135d内，平均日抽采纯量一直处于高于致裂前的水平，并且三组抽采钻孔平均日抽采纯量是致裂前的1～4倍，由此可知，致裂增透技术可以有效增加煤层的透气性和提高抽采纯量，致裂措施实施后前期效果非常明显。

由图4可以看出，抽采半径1.5m致裂后的抽采纯量曲线中，单孔平均抽采纯量10d累计为103m3、20d累计为201m3、30d累计为290.3m3、40d累计为360m3，抽采达标仅需150天左右。抽采半径2m致裂后的抽采纯量曲线中，单孔平均抽采纯量10d累计为96m3、20d累计为172.9m3、30d累计为248.5m3、40d累计为308.1m3，抽采达标仅需190天左右。抽采半径2.5m致裂后的抽采纯量曲线中，单孔平均抽采纯量10d累计为100m3、20d累计为186m3、30d累计为268m3、40d累计为340m3，抽采达标仅需240天左右。

图4 CO2致裂爆破抽采纯量随时间变化曲线

4 试验区域对比分析

4.1 试验区域致裂效果对比

两块试验区域经抽采半径抽采效果对比可以看出，采区致裂增透措施后三组不同抽采半径抽采浓度明显增加，抽采纯量呈现与未进行致裂措施类似的幂函数式的衰减。

从10d、20d、30d、40d时间节点累计单孔平均抽采纯量可知，三组不同抽采半径致裂后的抽采纯量曲线中，单孔平均抽采纯量与致裂前的相比提高了3倍。致裂措施后，煤层的透气性系数为2m3/(m2·d)，大约为致裂增透前的250倍，抽采达标期限明显缩短。

4.2 不同抽采半径的对比分析

未采取致裂措施前，由图3可以看出，三组抽采以1.5m抽采半径的单孔日抽采纯量最大，抽采效果最好，抽采达标期限最短，为235天。采取致裂措施后(图4)，三组抽采还是以1.5m抽采半径的单孔日抽采纯量抽采效果最好，并且根据计算的致裂孔影响半径6.6m布置致裂孔13个，数量最少，抽采达标期限最短为150天。采取致裂措施后的1.5m抽采半径单孔日抽采纯量是致裂前的3倍。

5 结论

(1)某矿15号煤层CO2致裂爆破试验中，根据断裂力学与弹塑性力学计算得出：CO2致裂爆破影响半径为6.6m，根据影响半径布置抽采半径1.5m的致裂孔13个。

(2)致裂增透前，15号煤层穿层钻孔抽采半径1.5m，最优抽采达标时间的235d；致裂增透后抽采半径1.5m抽采达标时间150d，有效缩短了抽采达标时间85天，抽采效率提高了36.17%。