液态二氧化碳相变致裂在煤矿瓦斯灾害中的试验研究

蒋志刚,成艳英,王小兵

(1.四川省煤炭产业集团有限责任公司技术中心,四川成都610091;2.重庆大学资源及环境科学学院,重庆400044)

0 前言

我国煤层瓦斯地质条件极其复杂,透气性低、地应力高、煤层松软、瓦斯压力大、含量高,其特征如下:煤层透气性系数极低,一般为10-5～10-2mD,比美国平均水平低3 ～4 个数量级;瓦斯的吸附性极高,90% 吸附于煤体中;煤层埋深800 ～1 200 m,地应力高达 20 ～40 MPa;煤层松软,坚固性系数 f 为 0.2 ～0.5;煤层瓦斯压力高 3 ～14 MPa[1-3]。

对于低透气性、高吸附难抽煤层,国外几乎不开采,因而缺乏相关理论及技术研究,而我国这类煤层瓦斯抽采率很低,平均仅为23.5%。现有的高瓦斯和突出矿井通常采取的办法是穿层钻孔或顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯。为了解决单一低透气性煤层中瓦斯预抽的难题,国内外研究人员提出了水压预裂、水力软化、深孔预裂爆破等措施来增加煤体的透气性[4],这些措施在提高瓦斯抽采效果方面起到了一定作用,也是煤矿工程技术人员在探索瓦斯治理方面取得的宝贵经验。然而,这些措施还存在着或多或少的不足之处[5-7]。

为了解决单一低透气性煤层的瓦斯预抽难题,将液态二氧化碳相变致裂技术引入低透气性煤层增透,在川煤集团白皎煤矿2372 风巷进行了一系列的试验,并分析其效果。得出该项技术既能达到瓦斯抽采增透措施的良好效果,同时在技术、装备和操作层面能简单、快速和安全高效实施,为解决矿井瓦斯问题提供了新的思路。

1 液态二氧化碳的理化性质及相变致裂技术路径

二氧化碳(Carbon dioxide)是惰性气体,来源广泛,常温、常压下是无色无味的气体。不同的压力、温度条件下有三种存在形态,化学性质稳定,在固液气三态均不助燃,不燃烧。当空气中二氧化碳体积分数超过3%时,人会产生呼吸困难头痛等症状,当二氧化碳体积分数超过25%时,人体会产生中枢神经紊乱甚至窒息死亡。二氧化碳作为常用灭火剂,当空气中二氧化碳体积分数超过29.2%时,就能使燃烧反应熄灭。二氧化碳具有升华特性,其三相图如图1 所示升华点为-78.5 ℃(0.1 MPa),熔点为-56.6 ℃(0.52 MPa),临界温度为 31.3 ℃,临界压力为 7.28 MPa。在低温加压条件下CO2气体可变为液态,可利用蒸发潜热做成雪片状固体,继续冷却加压可成干冰(固体碳酸)。

图1 二氧化碳三相图

在井下实施液态二氧化碳相变致裂过程如图2 所示。首先,利用钻机将相变致裂装置推入钻孔中的预先设计的位置,在钻孔外将推送杆的内置导线与起爆器用起爆线相连。然后,采用矿用本安型起爆器,引发专用发热管迅速反应,产生的热量使储液管内液态二氧化碳在20 ms 时间内从液态转化为气态,使得气体压力急剧升高,最高可达270 MPa[8]。当气体二氧化碳压力升到安全定压泄能片的额定工作压力时,会瞬间将泄能片冲破,并通过释放筒上的定向孔向外释放,体积增加600 ～700 倍,随后,气体二氧化碳通过定向管的导向作用,定向冲击煤岩壁。

图2 液态CO2装置在井下使用示意图

液态二氧化碳在钻孔内相变致裂后,会产生剧烈的应力波和高压气体。二氧化碳相变致裂应力波以及高压气体作用下的煤岩破坏是复杂的动力学过程。首先液态二氧化碳受热急剧膨胀转变成高压气体,作用在钻孔煤岩壁上,进而使得钻孔周围煤岩体压缩变形。钻孔周围会形成一定区域的压缩粉碎区。随着时间的进行,气体压力进一步作用,煤岩体中的微小裂纹开始发育,在钻孔周围支段裂隙在一定区域内贯通,与爆破初期形成的主裂隙相互贯通;液态二氧化碳爆破产生的压缩粉碎区的主裂隙以及后期造成的环状裂纹贯通;在应力波作用后期,其冲击强度变小,只能产生一定范围的震动。裂隙的增加,使得瓦斯由吸附态解吸为游离态,可以提高瓦斯抽采的效率,进而达到快速卸压的目的。

2 液态二氧化碳相变致裂现场试验情况

2.1 CO2相变致裂装置

CO2相变致裂装置主要由释放管、CO2储液管、加热器、灌液阀、接头、定压剪切片、输送杆和支撑杆、电线、本安电源等组成,具体连接如图3 所示。

图3 液态CO2相变装置主要结构

2.2 白皎矿现场试验情况

白皎煤矿是典型的瓦斯高突矿井,2372 掘进工作面,煤层位于宣威组第二段上部二号(B4)煤层中,瓦斯含量在 15 m3/t 左右,压力在 1.4 ～1.6 MPa之间,煤层厚度为1.5 ～2 m,为近水平煤层。引爆装置和地面充装现场如图4 所示。

图4 引爆装置和地面充装现场

试验工艺流程:设计两个致裂钻孔,钻孔开孔图如图5 和图6 所示。孔深30 m,孔径≥94 mm。钻孔施工顺序:先施工1#孔和2#孔,进行瓦斯抽采,20 d 后,再进行单管液态CO2相变致裂试验,试验24 h 后,再进行封孔抽采,测定致裂后的瓦斯参数值。钻孔参数表见表1。

图5 预裂钻孔平面图

图6 预裂钻孔开孔示意图

表1 钻孔参数表

在1#、2#钻孔内实施双管预裂,液态CO2的量为3.6 kg;两次预裂的时间间隔为24 h。

3 液态二氧化碳相变致裂效果分析

通过考察白皎矿2372 工作面致裂钻孔瓦斯抽采参数变化曲线,来分析液态 CO2相变致裂的效果。经过50 余天的数据收集,致裂前后的瓦斯抽采浓度、抽采纯量和抽采时间的关系如图7 和图8 所示。可以得出:相变致裂后,抽采瓦斯的浓度(体积分数,以下瓦斯浓度均为体积分数)提高明显,且长时间保持在20% ～35%左右;单孔瓦斯日抽采混合量由相变实施前的不到3 m3/ d 升高为10 m3/ d,远远高于致裂前的平均水准。未进行相变致裂时,抽采 20 d 左右,瓦斯浓度衰减到12%以下;进行相变致裂后30 d 后,抽采浓度仍未见衰减趋势,说明瓦斯抽采浓度衰减周期至少提高2 倍以上。

图7 1#相变致裂孔瓦斯抽采参数随时间变化曲线

图8 2#相变致裂孔瓦斯抽采参数随时间变化曲线

液态二氧化碳相变致裂工程技术在透气性低、高瓦斯煤层的实施过程中,能显著增加煤层瓦斯抽采浓度和抽采纯量,并且使抽采的衰减期延长,证明该项技术具有良好的增透效果[9]。

4 结论

1)液态二氧化碳在钻孔内相变致裂后,产生剧烈的应力波和高压气体。冲击煤岩体,产生大量裂隙,并在钻孔周围形成裂隙发育、透气性好、压力低的抽采区域,达到了强化增透的目的。

2)通过现场试验,煤体经液态二氧化碳相变致裂后,钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采时间比传统钻孔法提高2 倍以上,煤层快速卸压,降低了瓦斯含量。实践证明,这是一种安全高效的强化抽采瓦斯的方法。

3)液态二氧化碳相变致裂技术工艺简单,安全可靠。同时,不会对煤层的顶底板产生破坏,不会产生火花,在易自燃以及软煤中也有良好的增透效果,为矿井瓦斯治理工作提供了新的参考。