新景礦回采鉆孔CO2預裂強化增透技術研究

韓貴文

（新景礦煤業有限公司，山西陽泉 045000）

1 二氧化碳預裂增透試驗原理

利用液體CO2在加熱條件下瞬間膨脹為高壓氣體對煤層做功，預裂煤層，產生裂隙系統，最終提高煤層瓦斯抽采效率[1]。預裂管內液態CO2加熱后在20～40 ms內迅速轉化為氣態，其體積瞬間膨脹600多倍，壓力劇增至設定壓力，高能CO2氣沖破剪切片后從預裂管噴氣閥噴出，對煤體產生作用，從而達到對煤層的造縫增透的目的[2]。

CO2預裂裝備組件由可調式頂桿、引出桿、水壓封孔器、連接件、預裂裝置組成[3]。相關技術參數：預裂器材型號C-74 L，預裂桿直徑?68 mm；單根預裂桿長2 000 mm，液態CO2質量2.0～2.2 kg/根，液態CO2膨脹體積1∶500～600，反應時間約20～40 ms，壓力60～270 MPa，如表1所示。

表1 CO2預裂增透技術參數表

2 試驗區瓦斯地質概況

試驗區域選擇在3107工作面進風巷，巷道沿3#煤層頂板隨層掘進，巷道斷面為寬5 m，高2.8 m，周邊巷道對其掘進無影響。工作面最大瓦斯含量11.42 m3/t，最大瓦斯壓力0.365 MPa。

3 二氧化碳預裂強化增透試驗方案

在3107工作面進風巷與底抽巷聯絡巷以北330 m處開始，選取150 m范圍作為二氧化碳預裂試驗巷道。鉆孔施工時，先施工預裂鉆孔，后施工考察鉆孔[3-5]，施工一個鉆孔，預裂一個鉆孔，鉆孔全程下篩管，CO2預裂參數見表2-3。試驗區域分為3個單元，分別考察預裂鉆孔間距為6 m、9 m、12 m的抽放效果。

第一單元預裂鉆孔間距6 m，考察鉆孔間距6 m（圖1）；第二單元預裂鉆孔間距9 m，考察鉆孔間距9 m（圖2）；第三單元預裂鉆孔間距12 m，考察鉆孔間距12 m（圖3）。預裂結束后，鉆孔全程下篩管，并采用“兩堵一注”水泥砂漿封孔形式封孔，封孔壓力為2 MPa，封孔深度25 m[6]。

表2 新景礦3107工作面二氧化碳預裂參數表一

表3 新景礦3107工作面二氧化碳預裂參數表二

圖1 CO2預裂第一單元鉆孔布置圖

圖2 CO2預裂第二單元鉆孔布置圖

圖3 CO2預裂第三單元鉆孔布置圖

4 效果考察

試驗從10月21號開始施工鉆孔，到12月10號鉆孔預裂爆破完畢。共預裂12個鉆孔，深度80 m；施工預裂區考察鉆孔15個，深度120 m；對比區普通抽放鉆孔16個。在試驗過程中對試驗區域瓦斯抽采量、濃度等參數進行了測定，從以下幾個方面來考察CO2預裂爆破對回采鉆孔的抽采效果。

（1）預裂區與對比區抽采效果對比（表4）

預裂區鉆孔最大濃度73.8%，平均濃度22.7%，累計抽放量113 437 m3，日均抽放量為657 m3，單孔日均抽放量22.3 m3，平均百米抽放量為138 m3。對比區鉆孔最大濃度64%，平均濃度16.5%，累計抽放量60 227 m3，日均抽放量為328 m3，單孔日均抽放量14 m3，平均百米抽放量為55 m3。

（2）不同預裂區域抽采效果對比（表5、6）

6 m區域內：預裂孔最大濃度31.2%，平均濃度29.3%，平均百米抽放量131.7 m3/d，日均抽放量140.7 m3；考察孔最大濃度44.3%，平均濃度22.7%，平均百米抽放量48.2 m3/d，日均抽放量62.5 m3。

9 m區域內：預裂孔最大濃度36.8%，平均濃度12.1%，平均百米抽放量112.2 m3/d，日均抽放量100.5 m3；考察孔最大濃度38.7%，平均濃度18.4%，平均百米抽放量42.7 m3/d，日均抽放量58.37 m3。

12 m區域內：預裂孔濃度14.3%，平均濃度7.8%，平均百米抽放量87.9 m3/d，日均抽放量90.2 m3；考察孔最大濃度18.6%，平均濃度12.5%，平均百米抽放量19.2 m3/d，日均抽放量23.7 m3。

表4 預裂區與對比區抽采對比

表5 不同區域預裂鉆孔抽采效果

表6 不同區域考察鉆孔抽采效果

5 結論

（1）通過試驗效果分析，預裂孔比對比區普通鉆孔百米抽放量提高了2.5倍，鉆孔平均瓦斯濃度是對比區域的1.37倍，鉆孔日均抽放量是對比區域的1.59倍。說明采用CO2預裂增透技術能夠使瓦斯抽采鉆孔周圍煤體裂隙大幅度增加，煤體原生裂隙得到擴散，使抽采鉆孔周圍的煤體形成較大范圍相互貫通的裂隙網，提高煤體的透氣性[7-8]。

（2）3個不同間距的預裂區域內鉆孔百米抽放量分別為131.7 m3/d、112.2 m3/d、87.9 m3/d，所以確定6 m間距預裂為最佳方案。

（3）采用CO2預裂強化瓦斯抽采技術能夠縮短工作面瓦斯抽采時間，對實現高突出煤層工作面安全快速掘進，具有較好的經濟效益和社會效益。