高瓦斯煤层巷道快速掘进瓦斯抽采技术

2019-07-15毛洪匈

山东煤炭科技 2019年6期

毛洪匈

（霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司，山西河津 043302）

1 工程概况

霍煤腾晖煤矿位于山西省西掌坡村庄北部，工作面标高为+285～ +305m。2-104回采工作面位于一采区巷道前进方向右翼，开采煤层属于山西组2#煤层，赋存稳定，倾角平缓。煤矿为高瓦斯矿井。2-104工作面于2015年5月12日开始抽采至今，预计回采期间工作面绝对瓦斯涌出量约5.094m3/min，瓦斯吸附常数a=32. 725m3/t，b=0.843MPa-1，该煤层瓦斯抽采困难，严重威胁着生产安全。为此，必须研究采取更有效的瓦斯抽采技术，降低巷道掘进期间的瓦斯涌出量。

2 液态CO2相变致裂技术

2.1 试验机理

液态CO2相变致裂技术主要是利用CO2在由液态转化为气态的过程中，体积急速膨胀，产生的高压气流迅速向周围扩散，在极短的瞬间对煤岩体产生巨大的冲击力，达到一定爆破致裂效果[1]。在具有高瓦斯低透气特性的煤层中，该技术能够有效地促进煤岩体原有节理裂隙的发育，甚至产生新的裂隙，增强瓦斯的释放效果。

2.2 关键设备

在液态CO2相变致裂技术的实践应用中，最核心的设备为CO2致裂器，该设备主要由充装部、剪切片、螺旋排粉叶片、连接体、加热部、泄爆口以及致裂器筒体等7部分构成[2]。其结构示意如图1所示。

图1 CO2致裂器结构示意图

其中，充装部用于装填液体CO2，加热部装有化学药卷和发爆器。在使用时，通过发爆器激发化学药卷，产生大量的热量，使液体CO2在瞬间气化膨胀并产生高压[3]，当压力积聚达到一定预设限度时，高压气体冲开剪切片，由泄爆口排出，对周围煤岩体产生冲击破碎作用。

3 现场应用

3.1 致裂钻孔布置

通过对霍煤腾晖煤矿2-104工作面瓦斯积聚区域与瓦斯涌出量的检测统计，发现该工作面运输大巷的瓦斯涌出量远远高于轨道大巷，瓦斯成为运输大巷在掘进过程中主要的安全隐患[4]。故在2-104工作面运输大巷抽巷300m处布设钻场，选用短钻孔预抽的方式进行抽采，试验共布置3个顺层钻孔作为爆破孔，布置4个钻孔作为控制孔，列间距为2m，深度为穿透煤层顶板0.4m，孔径为95mm。2-104工作面区域预抽及掘进抽采示意如图2所示，钻孔布置方式如图3所示。

图2 2-104工作面区域预抽及掘进抽采示意图

图3 钻孔布置结构图

3.2 致裂方案

选用MZL250-51/1560 CO2爆破致裂器作为爆破设备。为保证致裂效果，在每个爆破钻孔内分别顺序安装25节致裂器，每根致裂器充装1.5kg的液态CO2作为填充液。试验采用“两堵一注”的方式进行封孔处理[5]，在布置就绪后，使用矿用起爆器进行起爆。

4 实践效果

2-104回采工作面在经过液体CO2致裂处理2个月后开始掘进，经预裂后的煤体产生了大量的节理裂隙，采动压力得到了及时有效的释放，爆破钻孔周围的煤岩体形成卸压圈，煤层高瓦斯低透气性的特性得到缓解[6]，瓦斯压力降低，煤层透气性增强，瓦斯抽采效率大大提高。

为考察预裂效果，本次试验以预裂前后的掘进面钻屑瓦斯解吸指标、钻屑量与平均瓦斯采集量作为参照标准，试验前后各指标对照折线如图4、图5、图6所示。

图4 预裂前后钻屑量对比图

图5 预裂前后钻屑解析指标对比图

图6 预裂前后瓦斯抽采量对比图

由折线图可以看出，经液态CO2致裂处理后的煤体瓦斯解析量与钻屑量大大降低，对比预裂前后在巷道掘进50m范围的区域内，经预裂后的煤体，钻屑量最大值的极值较预裂前降低了45.73%，各监测点的钻屑量最大值大幅降低，平均降低了37.64%。预裂后的钻屑解析指标最大值的极值较预裂前降低了49.04%，平均解析指标下降了39.84%，在整个掘进过程中，钻屑解析指标的最大值均低于临界标准值125Pa。

在瓦斯抽采工作进行的48d内，经预裂处理后的煤体瓦斯抽采量大幅度增加，最大值可达8.25m3/min。其中，瓦斯抽采量在预裂后前12d中效果最为明显，平均增幅可达84.26%；在之后的36d内，瓦斯抽采量的增幅有所下降，直至趋于平稳。这是由于在致裂前期，各钻孔周边煤体的节理裂隙扩张，破坏了瓦斯高吸附的状态，渗透性与流动性大大增强，大量的瓦斯由吸附态转化为游离态，促进了瓦斯释放与抽采的效果；在预裂后期，煤体受到掘进工作的影响，前方煤体压力积聚，煤层间的节理裂隙开始闭合压缩，部分游离的瓦斯重新转化为吸附态赋存于煤层之中，致使瓦斯的抽采工作难度加大，抽采流量逐渐下降。

实践表明，短钻孔预裂消突技术能够在短时间内快速提高瓦斯抽采量，降低掘进工作面的瓦斯含量。在霍煤腾晖煤矿2-104掘进工作面，该工艺将煤巷的掘进速度提高了1.6倍，实现了煤巷快速掘进的目标。