常村煤矿高瓦斯低透气性煤层CO2致裂增透技术研究

秦 勇

(山西潞安环保能源股份开发有限公司常村煤矿，山西省长治市，046100)

瓦斯治理是制约煤矿安全高效生产的难题，尤其是对高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿井而言，瓦斯抽采更是矿井生产的主要工作。我国煤层瓦斯赋存条件复杂，普遍存在煤层透气性系数较低以及钻孔流量衰减系数较高等问题，瓦斯较难抽放，给矿井的安全生产带来较大隐患。目前矿井区域瓦斯治理多采用钻孔抽放的方法，但钻孔数量较多，施工工程量大，抽采时间长而抽采效果较差，其他瓦斯治理方法如预裂爆破、水压致裂以及水力割缝等，虽起到一定的作用，但都有较大限制。

CO2致裂增透技术是近年来逐渐兴起的煤矿瓦斯治理技术，已成功应用于煤层开采等领域，并取得了良好的效果。但在巷道掘进方面应用的较少，其致裂效果以及参数设计方面的研究也不完善。针对这一问题，本文以常村煤矿23采区胶带运输大巷为研究背景，对CO2的致裂原理以及参数设计进行研究，实现CO2致裂增透技术在巷道掘进中的成功应用。

1 工程背景

常村煤矿主采3#煤层，煤层厚度在5.95～6.10 m之间，平均厚度为6.05 m，夹矸的厚度为0.23 m，煤层埋藏深度为489～548 m，煤层倾角为0°～8°。+470 m水平23采区胶带运输大巷处于3#煤层中，沿底板掘进，巷道平面图见图1。巷道断面形状为矩形，设计尺寸为宽5.04 m、高3.42 m，净断面达17.24 m2，胶带大巷设计全长为2150 m。根据常村煤矿3#煤层瓦斯地质图显示，常村煤矿23采区煤层原始瓦斯压力最大可达0.9 MPa，3#煤层掘进期间瓦斯含量最高达15 m3/t，经巷道开口处实测数据表明，3#煤层实测瓦斯含量为6.7564 m3/t，可解吸量为5.1538 m3/t，胶带大巷掘进面预测绝对瓦斯涌出量为5.5 m3/min，具有瓦斯突出的危险。3#煤层初始透气性系数在0.003237～0.2419 m2/(MPa2·d)之间，衰减系数在0.1726～0.3025 d-1之间，故3#煤层属于低透气性且瓦斯较难被抽采煤层。

图1 23采区胶带运输大巷平面图

2 CO2致裂增透技术原理

煤层中瓦斯主要有游离瓦斯与吸附瓦斯两种状态。游离状态的瓦斯越多，则煤层透气性越好，煤层中的瓦斯越容易抽采。CO2致裂增透技术是在致裂管中放置液态的CO2，装置起爆后，CO2会由液体状态向气体状态转化，在这种变化过程中，大量的能量得到释放，并沿着钻孔向四周扩散。由于起爆后所引起的爆破压力远大于煤层的抗压强度，在钻孔周围一定范围内的煤体会迅速破碎，从而形成一定范围内的粉碎区。由于装置起爆后，转变后的CO2气体会迅速膨胀，在钻孔周围形成环向以及径向裂隙，裂隙之间相互交错，形成一定范围内的裂隙区。当起爆后的应力在往钻孔深部扩散时，并不会对煤层造成损害，只能引起煤体局部震动，此区域称之为震动区，如图2所示。正是由于钻孔周围粉碎区以及裂隙区的存在，极大扩展了瓦斯的运移途径，增加了煤层的透气性，提高了煤层瓦斯的抽采量。另外，CO2的存在可驱使更多的吸附瓦斯转变为游离瓦斯，进一步增加了瓦斯的解吸量，加之CO2的存在隔绝了氧气，不会因为装置起爆而引起火花，是一种安全可靠的技术方法。

1—致裂钻孔；2—粉碎区；3—裂隙区；4—震动区图2 致裂形成的区域

3 常村矿CO2致裂增透方案设计

3.1 致裂钻孔布置方案

CO2致裂钻孔深度为60 m，致裂孔直径选取94 mm，根据钻孔安设需要，扩孔至直径113 mm，沿巷道掘进方向顺层布置，压裂杆数量为20根/孔，单致裂管长1.5 m，每根内充1.5 kg的液态CO2，进行致裂钻孔时，采用专用封孔器进行操作。致裂相关参数：致裂孔方位角180°，与煤层倾角夹角3°，封孔深度15 m，封孔压力7～8 MPa。

3.2 预抽钻孔布置方案

在胶带大巷两侧开挖了瓦斯抽采迈步钻场，用于更好地提升煤层瓦斯预抽的效果。具体尺寸为：深5 m，里宽4 m，外宽9 m，高3.42 m。同侧及异侧钻场的间距分别为120 m和60 m。在两侧的瓦斯钻场中向巷道掘进方向进行预抽钻孔的施工，用于抽采前方煤层中的瓦斯，每个钻场内布置有6个瓦斯预抽钻孔，预抽孔直径94 mm，扩孔至113 mm，长度为140 m，沿煤层倾角方向布置。这种瓦斯预抽方式不占用胶带大巷的掘进时间，巷道掘进和瓦斯预抽工作同时进行，实现了平行作业。具体布置形式如图3所示。为避免CO2致裂对胶带大巷煤层巷道帮部造成破坏，在距胶带大巷与回风大巷各取20 m的安全距离。

图3 胶带大巷钻场预抽钻孔+致裂钻孔布置图

4 常村矿CO2致裂增透效果分析

4.1 致裂后瓦斯抽采浓度变化

为了对比分析CO2致裂增透对瓦斯抽采的效果，在CO2致裂试验前后分别测定了抽采体积分数、瓦斯抽采纯量，根据现场致裂试验前后测出的数据，绘制了其相应的变化趋势图，如图4～5所示。

图4 平均瓦斯抽采体积分数随时间变化情况

从图4～5中可以看出：CO2致裂增透前，瓦斯抽采浓度普遍低于40%，煤层瓦斯含量较大，煤层瓦斯抽采效率低；CO2致裂增透后瓦斯抽采浓度大幅提升，且较长时间内维持在40%左右，瓦斯抽采总量得到提高；CO2致裂后单孔瓦斯日抽采纯量也呈现不断增加的趋势，高于CO2致裂前。致裂前抽采20 d时，瓦斯体积分数呈现衰减状态，最低至10%以下，而CO2致裂后钻孔抽采40 d后，瓦斯抽采浓度仍维持在较高水平，这表明在CO2致裂的影响下瓦斯衰减速率降低，显著改善了瓦斯抽采效率低的难题。

图5 平均瓦斯抽采纯量随时间变化情况

4.2 巷道煤层瓦斯含量的变化

为了进一步分析CO2致裂增透对胶带大巷煤层瓦斯的影响，对CO2致裂前后的煤层瓦斯含量进行了为期2个月的连续观测，试验地点对应的煤体瓦斯参数如表1所示。致裂前后瓦斯含量变化趋势如图6所示。

表1 胶带大巷致裂前后2个月试验地点煤体瓦斯含量

图6 致裂前后瓦斯含量变化趋势图

由图6和表1数据可知，致裂抽采后胶带大巷巷道煤体中的瓦斯含量平均减少了2.37 m3/t，最高减幅达到42.36%，瓦斯解吸速率不断提高，瓦斯抽采量明显增多。CO2致裂增透技术实施后，在煤层中形成了一定范围的裂隙扩展发育区域，钻孔抽采后，3#煤层瓦斯含量处于降低的阶段。由于CO2致裂压力可控，可保证煤体主体结构不被严重破坏，可有效提升煤层渗透能力，从而提高煤层瓦斯抽采效率。

5 结论

(1)分析了CO2致裂增透技术原理，得到了CO2致裂后会在钻孔周围形成粉碎区、裂隙区以及震动区，粉碎区与裂隙区的存在增加了瓦斯运移的途径，而CO2的存在促使更多的吸附瓦斯向游离瓦斯转变，增加了煤层的透气性，提高了煤层瓦斯的抽采量。

(2)根据CO2致裂增透技术原理，结合常村煤矿23采区胶带运输大巷地质条件，设计了常村矿胶带运输大巷CO2致裂增透方案，确定CO2致裂钻孔深度为60 m，致裂孔直径为113 mm，沿巷道掘进方向顺层布置，并在巷道两侧开挖了瓦斯抽采迈步钻场，用于更好地提升煤层瓦斯预抽的效果。

(3)将设计的CO2致裂增透方案在常村煤矿23采区胶带运输大巷进行试验，现场应用表明，采用CO2致裂增透技术后，瓦斯抽采浓度由原来普遍低于40%，到现在较长时间内维持在40%左右；胶带大巷煤体中的瓦斯含量平均减少了2.37 m3/t，最高减幅达到42.36%，瓦斯抽采效果明显提高。