煤体增透与抽采瓦斯的关系研究

2019-04-09董恺

山东煤炭科技 2019年3期

董恺

（陕西华彬煤业股份有限公司蒋家河煤矿，陕西彬县 713500）

瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一[1]。只有把瓦斯治理工作做扎实、做到位，才能避免煤矿生产过程中瓦斯事故的发生。当前，瓦斯治理的主要方法是抽采和风排，而抽采无疑是治理瓦斯最积极、最主动的一种方法。在进行煤层瓦斯抽采时，根据煤层透气性系数将煤层瓦斯抽放的难易程度划分为三类：容易抽放、可以抽放、较难抽放[2]。为了提高可以抽放及较难抽放煤层的瓦斯抽采率，就需要对此类煤层进行煤体增透，通过促使煤体裂隙发育以达到提高瓦斯抽采率的目的。

目前主要的煤体增透措施有水力压裂增透、水力割缝增透、松动爆破增透、高压气体冲击煤体增透[3]、液态CO2致裂增透。

为了研究煤体增透与抽采瓦斯的关系，在蒋家河煤矿ZF204备用工作面，选用液态CO2致裂增透技术进行了一次煤体增透试验，试验结果表明，增透以后的煤层平均抽采瓦斯浓度提高近3.5倍，平均抽采瓦斯流量提高3～5倍。

1 矿井及工作面概况

蒋家河煤矿隶属于彬县煤炭有限责任公司，位于陕西咸阳彬州市境内的彬长矿区南部。2005年开工建设，2009年建成投产，生产规模90万t/a。采用立井单水平开拓、中央边界式通风、综合机械化放顶煤开采，4#煤层为井田内主要可采煤层，全井田分布，结构单一[4]，经煤科集团沈阳研究院有限公司2016年3月测定：4#煤层最大瓦斯含量6.76～6.92m3/t，瓦斯压力0.29～0.49MPa，煤层透气性系数2.466～2.657m2/MPa2.d，钻孔瓦斯流量衰减系数0.0196～0.0229d-1，为可以抽放煤层。经咸阳市矿山救护队2016年7月鉴定：矿井绝对瓦斯涌出量34.37m3/min，相对瓦斯涌出量17.68m3/t，采面最大绝对瓦斯涌出量26.83m3/min，为高瓦斯矿井。

ZF204备用工作面走向长度1270m，倾斜长度151m，煤层平均厚度9.3m，共布置两条巷道，分别为运输顺槽、回风顺槽。回风顺槽断面为矩形，宽4.5m，高3.1m，用于回风、运料、行人。运输顺槽断面为矩形，宽5.0m，高3.1m，用于进风、运煤、运料、行人。

2 液态CO2致裂增透试验

2.1 液态CO2致裂器结构

液态CO2致裂器组成结构[5]见图1，由主管、充气头(起爆头)、排气头、加热棒、致裂片、泄能片、止飞器等组成。本次致裂试验选用型号为SBB400-1180/63的液态CO2致裂器，长1.2m，外径Φ63mm，内径Φ30mm，泄能片极限压力为450MPa，致裂器主管中充装液态CO2质量为0.8～1kg，液态CO2充装压力为12～15MPa。

图1 液态CO2致裂器实物图

2.2 液态CO2致裂增透原理

CO2在温度小于31℃、压力超过7.35MPa时，呈现液态，温度大于31℃时则逐渐气化。利用该特性，将液态CO2加注到致裂装置的充装管内，使用煤矿专用发爆器迅速激发加热设备，在40s内充装管内液态CO2快速气化，体积迅速膨胀，形成大量高压CO2气体，超过泄能片极限压力时，泄能片于0.1～0.5s内爆裂，高压气态CO2由泄能头四周的泄气孔飞速冲出，与空气介质碰撞，产生强大的应力波，冲击试验煤体，从而将试验煤体炸裂，达到增透煤体的目的。

2.3 增透试验工艺流程

使用液态CO2开展致裂增透技术主要工艺流程包括施工致裂钻孔、送入液态CO2致裂器及连接管、固定致裂器、利用注水封孔器进行封孔、撤人起爆、致裂器取出，然后对致裂孔进行封孔并连接抽采，最后开展效果考察。

2.4 增透试验过程

试验时间在2016年11月，地点选择在ZF204备用工作面运输顺槽距离开切眼200m处。在ZF204工作面运输顺槽垂直巷道向煤体中布置3个致裂孔和4个控制孔（控制孔用于观测瓦斯浓度、流量等），致裂孔和控制孔交替布置，三个致裂孔间距为5m，每两个致裂孔中间布置一个控制孔。所有孔的孔径均为113mm，致裂孔孔深50m，控制孔孔深120m。钻孔布置见图2，布置参数见表1。井下试验部分主要工作有：打钻、装致裂器、布线、封孔、起爆、效果考察几个部分。

图2 致裂孔和控制孔孔口位置布置图

表1 试验钻孔布置参数

在致裂之前将各个控制孔进行抽放，观测瓦斯浓度和流量等。致裂之后致裂孔以及控制孔联网抽采瓦斯，测定其瓦斯浓度、流量等参数，与致裂之前的进行对比分析。

2.5 效果检验与分析

经过16d的液态二氧化碳致裂试验与数据观测发现：致裂后各观测孔（控制孔，下同）瓦斯浓度和流量都得到了不同程度的提高，其中2#观测孔瓦斯浓度提高最大，从5.2%提高到75%，提高了近15倍，经过10d后衰减到16%左右，效果最为明显。其余观测孔瓦斯浓度都有不同程度提高，平均抽采浓度由原来的3.7%提高到14.28%，平均提高近3.5倍。根据与致裂孔不同间距的观测孔浓度变化来看，瓦斯抽采半径由原来的3m增大到7m。各个观测孔的瓦斯流量平均提高了3～5倍，致裂效果非常明显。

3 煤体增透可以提高瓦斯抽采浓度及流量的原因

瓦斯在煤体内的存在状态主要有两种，即游离状态和吸附状态。这两种存在状态不是固定不变的，而是处于不断变化的动平衡状态，当条件发生变化时，这一动平衡就会被打破。压力、温度的变化，都会影响到这一动平衡。当进行煤层瓦斯抽放时，煤层内压力降低，煤体内部分吸附状态的瓦斯就会解析为游离状态的瓦斯。煤的瓦斯含量就是游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量两部分构成的。影响煤的瓦斯含量的因素较多，其中煤层透气性对煤层瓦斯含量影响很大。煤层透气性是煤层对于瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数表示。透气性系数越大，瓦斯在煤层中流动越容易。煤体增透的目的就是借助高能流体、爆破等技术手段，促使煤体裂隙发育，使吸附状态瓦斯更易解吸，使游离瓦斯更易流动。因此，煤体增透能提高瓦斯抽采浓度和流量。