底抽巷穿层钻孔液态CO2相变致裂增透技术研究

2020-03-30陈继福

煤炭工程 2020年3期

陈继福

(山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同 037003)

煤炭作为我国经济发展的主要动力，在高强度开采条件下，浅部煤炭资源已趋于枯竭，深部开采将成为煤炭工业发展的必然趋势。矿藏开采深度的逐年增大，必然导致开采条件的不断恶化。其中，瓦斯灾害治理面临的挑战尤为严峻[1]。

目前，我国煤矿主要采用瓦斯抽采降低煤层瓦斯突出危险性，但限于我国煤层透气性普遍较低的基本国情，传统的钻孔抽采方式依然难以达到理想效果[2]，煤与瓦斯突出事故时有发生。为此，国内外专家学者在改善煤层透气性的方法、技术和装备等方面进行了研究。深孔致裂爆破[3，4]、水力割缝[5，6]、水力冲孔[7，8]、注气驱替[9]等技术，均应用于煤矿的瓦斯治理。实践证明：爆破技术在煤层致裂、增透、卸压和消突中最为有效，但在施工中存在哑炮和拒爆等现象，另外在瓦斯集聚区也存在一定危险性。

液态CO2相变致裂技术主要通过致裂钻孔内CO2形态的瞬间改变来实现煤层增透[10-15]，因其安全、高效，且设备成本低、操作简单等优势，在煤矿中得到了良好的应用，为治理矿井瓦斯灾害提供了新的思路。

1 工程背景

试验矿井为平煤十三矿。矿井主采煤层为己15-17煤层，该煤层的整体赋存状态稳定，但区域瓦斯赋存差异性明显。其中，己一采区的突出危险性最大，瓦斯含量为2.89～16.97m3/t，瓦斯压力0.2～3.6MPa。为了降低矿井的突出危险性，目前主要采用穿层钻孔及本煤层钻孔进行瓦斯预抽。

试验工作面为已一采区11111工作面，该工作面标高-470～-630m，位于突出危险区以内(-450m标高以上为突出危险区)。在施工预抽瓦斯钻孔期间，由于煤质疏松，部分钻孔出现塌孔、喷孔现象，严重影响工作的安全高效回采。

2 底抽巷穿层钻孔布置

钻场位置为11111工作面运输巷底板岩巷220m处以东，采用穿层钻孔对11111工作面煤层实施液态CO2相变致裂增透。本次试验共布置钻场A、B、C三组钻场，钻场间距为10m，每个钻场又分别布置致裂孔2个、抽采孔11个，13个钻孔分两列排布，列间距0.5m。底抽巷穿层钻孔布置如图1所示。

图1 底抽巷穿层钻孔布置图

每一抽采钻孔施工完毕后，应立即封孔并连接到抽采管路，当每组钻场的所有抽采孔都完成施工及抽采管路连接时，间隔7d进行致裂孔的施工和爆破，随即进行封孔和瓦斯抽采。第一次致裂后，邻近的抽采钻孔瓦斯浓度或瓦斯纯流量下降幅度达到50%以上时，进行第二次致裂。

3 试验结果与分析

3.1 致裂对钻孔的影响

液态CO2致裂后，在高能气体的作用下，致裂孔的形态会发生改变。为说明CO2致裂对钻孔的影响，采用钻孔窥视仪对比观测了同一深度致裂孔的孔壁形态，结果如图2所示。从图2可以看出：致裂前的钻孔壁光滑平整，致裂后钻孔直径明显增大，并伴有大量的裂隙和孔洞，但钻孔依然能够保持较完整的形态，为瓦斯抽采创造了有利条件。

图2 致裂前、后钻孔孔壁对比

3.2 致裂对瓦斯抽采半径的影响

距离致裂孔不同距离抽采孔瓦斯纯流量随时间变化曲线如图3所示。从图3中可以看出，抽采孔与致裂孔之间的距离L是影响钻孔瓦斯纯流量的重要因素。由图3(a)可以看出，当两者之间的距离小于7m时，致裂后抽采孔的瓦斯纯流量急剧下降，且在4h内都保持在较低的水平，4h后钻孔纯流量开始呈现逐渐增大趋势。这是由于致裂瞬间储液管释放大量的高压CO2气体，使得致裂孔周围的煤体被压缩，煤层透气性减小，随时间推移，被压缩煤体逐渐松弛并产生许多新的裂隙，使得钻孔瓦斯纯流量逐渐增大。根据3组观测孔瓦斯抽采数据的统计分析得出，CO2致裂后的平均压缩半径为5.6m，压缩效应持续时间约为4～5h。由图3(b)可以看出，当抽采钻孔与致裂钻孔间的距离超过10m时，前4h内的钻孔瓦斯纯流量并未呈现明显的下降趋势，即抽采钻孔受压缩效应影响较小或未受影响。由此可知，液态CO2致裂对瓦斯抽采的影响范围约为10m。

图3 距离致裂孔不同距离抽采孔瓦斯纯流量随时间变化曲线

3.3 致裂对瓦斯抽采效率的影响

为分析液态CO2致裂对瓦斯抽采效率的影响，对抽采孔的瓦斯纯流量和瓦斯浓度进行了连续的数据考察分析，得到了钻孔瓦斯纯流量及瓦斯浓度随时间的变化曲线，如图4、图5所示(各钻孔的变化特征具有相似性，限于篇幅，仅对一组数据进行分析)。

图4 瓦斯纯流量随时间变化曲线

图5 瓦斯浓度随时间变化曲线

从图4可以看出：液态CO2致裂前，钻孔瓦斯纯流量相对较低，并且随着抽采时间的延长，钻孔瓦斯纯流量表现出明显的衰减趋势。第一次致裂后，钻孔瓦斯纯流量逐渐上升，随着抽采时间的增加，整体表现为增加趋势；第二次致裂后，钻孔瓦斯纯流量进一步增加，且增加幅度明显大于第一次致裂。煤层经历两次致裂后，钻孔瓦斯纯流量得到了显著提升。

从图5可以看出：液态CO2致裂使得钻孔瓦斯浓度整体呈现阶梯状上升趋势。致裂前大部分钻孔瓦斯浓度在20%～40%之间波动，第一次致裂后，钻孔瓦斯瓦斯浓度波动区间上升为30%～60%，第二次致裂后，钻孔瓦斯浓度波动区间进一步上升为50%～80%。经历两次预裂后的钻孔瓦斯浓度较预裂前提升了一倍。

综上所述，液态CO2致裂可以有效改善煤层的透气性，提高钻孔的瓦斯抽采效率。需要说明的是：在每次致裂的后期，钻孔瓦斯纯流量和瓦斯浓度均呈现出了一定程度的衰减，但与致裂前相比，依然保持在较高水平。这可能是裂隙随时间的闭合效应引起的。

3.4 与其他增透技术效果对比

煤层进行不同增透措施后钻孔瓦斯浓度变化情况如图6所示。由图6可以看出：和普通钻孔相比，无论采取哪种增透措施，都能够有效提高瓦斯抽采效率，在一定时间内使得瓦斯浓度维持在相对较高水平，有利于瓦斯抽采。在抽采前17d，CO2致裂后的瓦斯浓度显然高于水力冲孔，其平均瓦斯浓度分别为56.9%和42.4%。在接下来的约30d时间内，水力冲孔后瓦斯浓度则比CO2致裂高，分别为21.4%和16.7%。这种现象表明，CO2致裂初期在煤层内产生较多裂隙，使得煤层透气性增大，瓦斯浓度升高；随着时间的推移，在地应力压实作用下，致裂产生的裂隙、孔洞逐渐闭合，煤层透气性逐渐降低，瓦斯浓度随之降低。

图6 不同增透技术效果对比

3.5 液态CO2致裂治理瓦斯综合效果评价

液态CO2致裂前、后相关参数变化情况见表1。从表1可以看出：液态CO2致裂后的煤层平均瓦斯含量和最大瓦斯涌出量分别降低了4.73m3/t、2.02m3/min，表明液态CO2致裂技术可以对煤层进行有效增透，进而降低煤层的突出危险性。钻屑瓦斯解吸指标是评价矿井瓦斯突出倾向性的重要参数，由表1可见，致裂后该指标降低了一个水平，能够满足矿井安全生产的要求。同时，致裂后矿井日掘进进尺提高了3.3m/d，大大缩短了掘进工期。可见：采用液态CO2致裂增透技术能够为矿井带来显著的安全和经济效益。