斜沟煤矿液态CO2相变致裂增透技术试验研究

温建伟

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁 033602）

0 引言

近年来，随着采掘活动向深部延伸，地质构造的复杂多变，瓦斯已成为矿井安全生产的主要影响因素[1-2]。然而，我国煤田普遍具有煤层透气性差的特点，瓦斯抽采难度大、抽采率低是原始煤层抽采过程中亟待解决的问题[3]。为了改善煤层抽采效果，提高瓦斯抽采效率，必须对煤层采取卸压增透技术措施[4]。

本文基于液态CO2爆破器工作原理[5]，提出液态CO2预裂增透技术方案，通过现场试验对比增透前后煤层瓦斯的抽采效果，提高了本煤层瓦斯预抽效果，消除瓦斯给矿井安全生产带来的隐患。

1 工作面概况

斜沟煤矿位于山西省吕梁市兴县魏家滩镇，主采煤层为8#、13#煤，8#煤层平均厚度为4.70 m，倾角为平均9.4°。8#煤透气性系数为0.00926 m2/(MPa2·d)～0.01416 m2/(MPa2·d)，为低透性煤层。

图1 18205工作面布置

18205 工作面标高为+520 m～+584 m，可采走向长度为2 800 m，倾斜长为264 m，采用U 型通风方式，目前工作面瓦斯涌出量为14.15 m3/min，因煤层透气性差，本煤层瓦斯抽采率低，上隅角瓦斯浓度较大，严重影响工作面的推进速度。

2 液态CO2爆破技术

将充有液态CO2的预裂组件，组装安设在已打好的钻孔内，专用封孔器封孔，通过激活预裂组件内的发热装置加热组件内的液态CO2，至设定压强时组件开启，高压CO2气体得以在煤体中适时扩散并较长时间作用煤体。

3 液态CO2预裂增透技术方案及效果检测

煤层深孔预裂爆破时，控制孔的存在对煤预裂爆破效果是有利的。施工控制孔后，钻孔在冲击波和应力波的传播衰减过程中，应力波在控制孔周围发生反射，应力叠加，钻孔周围煤体的卸压效果提高，裂隙区范围增大。

3.1 钻孔间距对钻孔爆破的影响

钻孔距离的大小对煤层预裂爆破效果有直接影响。钻孔距离过大，则会造成炮孔间存在大面积爆破空白区，导致裂缝无法贯通，无法达到理想的卸压效果，若是爆破孔和控制孔间距过小，会造成爆破区域发生大面积重叠，增加额外的爆破成本，并导致煤体破碎严重而影响正常回采。因此，选择合理的爆破孔间距至关重要。建立煤层多孔连续液态CO2爆破的FLAC3D数值模型，计算域50 m×80 m×10 m，爆破钻孔和控制孔间隔布置，爆破孔直径为100 mm，控制孔直径100 mm，模型网格数124 800 个，节点数139 755 个。模型上方以等效均布压方式施加上覆岩层应力10 MPa。通过对爆破孔间距为10 m、8 m、7.5 m 进行数值模拟，如图2所示：爆破孔间距为10 m时，爆破孔间有大面积区域未曾受到爆破影响；爆破孔间距为8 m时，爆破有效范围明显增加，但仍有小部分区域没有达到爆破增透效果；爆破孔间距为7.5 m 时，爆破孔间所有范围全部处于爆破有效影响范围内，达到理想的爆破效果。因此，爆破孔的合理间距为7.5 m。

图2 不同间距多孔连续爆破数值模拟

3.2 液态CO2预裂增透技术的现场试验方案

（1）液态CO2爆破器结构及工艺

液态液态CO2爆破器爆破器（见图3）：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。

图3 液态CO2爆破器的组成结构

在地面把预裂组件中的发热装置等组件组装好后注入液态CO2，合格后运至井下现场，将组件连接件、联线件依次组合推入钻孔，安设封孔器、引出杆和可调式顶杆实现固定，用封孔注液泵实施远程封孔，远距离激活发热装置进行预裂，按照作业规程要求启封，拆除预裂装备。

（2）钻孔布置

根据斜沟煤矿的实际需要，在18205 材料巷采用液态CO2预裂时，用原有的本煤层钻孔作为本次试验的爆破孔和控制孔施工位置，孔径113 mm，爆破孔深50 m，装药深度30 m；共计施工本煤层预抽钻孔118个，其中预裂钻孔71个、未预裂钻孔47个，钻孔开孔高度为1.2 m，同煤层倾角，相邻孔间距为3.75 m，钻孔布置如图5所示。

图4 爆破钻孔参数布置图

3.3 18205材料巷增透区域效果检验

二氧化碳相变致裂爆破本煤层后，在巷道煤壁上形成明显裂隙，从而可以直观的看出二氧化碳致裂技术能够有效提高煤层裂隙，导通低透气性煤层瓦斯流动通道，提高本煤层钻孔瓦斯抽采浓度及纯量。18205工作面材料巷煤壁在爆破后裂隙发育规律如图5 所示。

图5 本煤层二氧化碳爆破后煤体裂隙发育情况

通过对18205 材料巷预裂钻孔中进行分析，爆破数据见表1：孔深220 m，预裂钻孔的百米钻孔瓦斯流量为0.029 m3/min·hm，相比于未预裂钻孔的百米钻孔瓦斯流量0.010 m3/min·hm，百米钻孔瓦斯流量提高了2.9 倍、单孔抽采量提高了2.7 倍，并保持稳定，如图6所示。

图6 爆破前后瓦斯抽采混量对比

表1 钻孔施工参数及抽采参数

通过预抽期间及回采期间对18205材料巷预裂钻孔和普通钻孔抽采效果进行逐日观测分析，其预裂钻孔百米钻孔瓦斯流量平均为0.029 m3/min·hm，相比于未预裂钻孔的百米钻孔瓦斯流量0.01 m3/min·hm提高了3倍；预裂钻孔平均抽采量为0.0613 m3/min、而未预裂钻孔抽采量仅为0.023 m3/min，预裂钻孔抽采量比未预裂钻孔抽采量提高了2.66倍；预裂单孔瓦斯浓度变化不明显，其钻孔瓦斯浓度在抽采过程中能够稳定在±2%；其抽采效果非常明显，不仅增加了抽采钻孔抽采效果、增大了钻孔间距、缩短了钻孔抽采时间、减少了抽采钻孔工程量、提高了煤层透气性系数及打钻现场质量标准化水平、缓解了生产与抽采衔接紧张的局面，保证了工作面的安全回采。

4 结论

（1）模拟结果表明：控制孔的存在对煤预裂爆破效果是有利的，施工控制孔之后进行煤层液态CO2爆破的裂隙区影响范围明显大于无控制孔时的爆破的裂隙区影响范围；斜沟煤矿爆破孔的合理间距为7.5 m。

（2）试验结果表明：预裂钻孔百米钻孔瓦斯流量平均为0.029 m3/min·hm，相比于未预裂钻孔的百米钻孔瓦斯流量0.01 m3/min·hm提高了3倍；预裂钻孔平均抽采量为0.0613 m3/min、而未预裂钻孔抽采量仅为0.023 m3/min，预裂钻孔抽采量比未预裂钻孔抽采量提高了2.66倍。