石門揭煤區液態CO2致裂增透加速消突技術

蘇偉偉

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

揭煤當屬井下較為復雜的作業環節，具有鉆孔工程量大、抽采時效差、耗時長的特點[1-3]。受安全屏障保護，揭煤區的瓦斯和地應力封存比較完好，潛在危險性大，為高效快速化解揭煤區域的危險源，人工輔助的增透卸壓技術被不斷引用到揭煤前的抽采環節，其中水力壓裂[4]、水力割縫[5]、水力擴孔[6]等水力化措施均利用高壓水沖擊破碎煤體，改善煤層透氣性，由于該技術工藝復雜、裝備體積龐大、封孔難度高等原因，難以發揮便捷的實施空間；深孔控制爆破技術運用火藥爆炸后的沖擊破和高溫高壓氣體的膨脹作用使煤體沿鉆孔徑向形成大量裂隙，提高瓦斯流動能力，然而火工品爆炸后的高溫震蕩環境極易誘導瓦斯突出、引發瓦斯爆炸，該技術也逐漸被禁用[7-8]。液態CO2相變致裂是近年來新興的物理爆破技術[9]，爆破產物為低溫高壓的二氧化碳氣體，沒有火花和震蕩波，不會誘發瓦斯爆炸和突出，致裂過程本質安全，且工藝裝備輕便。因此，將液態CO2致裂技術的優勢應用到高突煤層揭煤環節中，以提高揭煤區域的透氣性和卸壓程度，破解揭煤作業復雜的難題，實現快速安全經濟性揭煤。

1 試驗工作面概況

試驗地點位于某礦南采區-650運輸巷842 m處，巷道凈斷面12.36 m2，為了采區運輸便利，-650運輸巷以坡度14°向上掘進，最終落入距4號煤層頂板20 m的巖石層位中，此過程需要揭穿4號煤層，揭煤區域標高為-638 m。前探資料顯示，4號煤層煤厚 2.2～3 m，平均煤厚 2.6 m，傾角 10°～15°，頂底板均為泥巖。4號煤層瓦斯壓力1.06 MPa，煤層瓦斯含量達13.08 m3/t，具有強烈突出危險性。煤的吸附常數 a=38.91 m3/t，b=1.01 MPa-1，煤的堅固性系數為0.4，煤層透氣性極差，屬于典型的低透氣性難抽煤層。

2 揭煤區布孔參數確定

2.1 液態CO2增透卸壓原理

液態CO2致裂器如圖1，主要由注液閥、加熱管、儲液管、液態CO2、定壓泄能片、導流孔和釋放管組成。

圖1 液態CO2致裂器

液態CO2相變致裂技術是液態的CO2（壓力8～10 MPa）在20～40 ms時間內吸收大量熱并迅速膨脹，突破 CO2的相態臨界點（31 ℃、7.4 MPa），發生液升氣的相變轉化，體積膨脹約600倍，產生高能的CO2氣體沖破定壓泄能片從釋放管中的導流孔沖出，劈裂煤體形成新生裂隙，以及進一步膨脹擠壓擴展和延伸原生裂隙，使煤體沿鉆孔徑向發生位移，促進周圍裂隙相互連通交織成高密度裂隙網，達到增透卸壓目的。

2.2 液態CO2致裂增透半徑考察

液態CO2相變過程中釋放出強大的沖擊波，孔內氣體壓力極速膨脹，基于彈性力學和斷裂力學理論[10]，爆破后沖擊波氣體能夠對煤巖產生拉深破壞作用，當沖擊力大于煤巖的極限抗拉強度后，孔內初始裂隙會不斷延伸擴展，增大鉆孔影響半徑，因此液態CO2相變致裂作用區可分為沖擊波作用區和相變氣體的準靜應力場區。

沖擊波作用區半徑：

式中：rc為沖擊波作用區半徑，具體數值即鉆孔初始裂隙長度，m；rh為致裂孔直徑，mm；KI為動載作用下抗拉強度提高系數，致裂加載速率下取值10；St為煤體在靜載作用下的抗拉強度，MPa；pmax為致裂孔內形成的氣態CO2最高壓峰值，MPa；α為衰減系數，計算得1.5。

準靜應力場區半徑r即鉆孔的致裂增透半徑：

式中：p為沖擊波在初始裂隙內的氣體壓力，MPa；K為氣體的絕熱指數，取1.295；Kb為煤體體積模量，MPa；E為煤體彈性模量，取值2 GPa；μ為煤體泊松比，0.3；r為致裂孔的增透半徑，m；σr為在半徑r處煤體所受徑向應力。

該礦預先試驗了液態CO2相變致裂效果，致裂孔直徑rh為94 mm，致裂器和定壓泄能片選用89規格，致裂孔內形成的氣態CO2最高壓峰值pmax可達270 MPa。現場采集4號煤層煤樣，實驗室測試煤樣在靜載條件下的抗拉強度St為5.6 MPa，模擬計算鉆孔實施致裂后初始裂隙的氣體壓力為1 356 MPa。將獲取的參數值代入式（1）～式（5），得到該礦4號煤層實施液態CO2致裂增透半徑約為6.3 m。

液態CO2相變致裂后，煤層受到高能氣體擾動，鉆孔裂隙迅速發育，鉆孔流量增加顯著，為了驗證理論計算得到的致裂增透半徑，現場預先布置測點并考察致裂前后增透區煤層透氣性系數的變化情況，通過測試距致裂孔不同位置處的煤層透氣性系數，直觀形象的反應出致裂區增透半徑的變化規律。液態CO2致裂增透影響考察如圖2，在-650運輸巷320 m處的非揭煤區布置1組測試孔，鉆孔布置方式及參數如圖2，致裂孔和考察孔的傾角均為30°，方位角均為 102°。

采用徑向流量法測算了測點1至測點5在致裂孔實施液態CO2相變致裂前后的透氣性系數，致裂前后煤層透氣性變化情況如圖3。致裂前4號煤層原始透氣性系數僅0.016 3～0.055 2 m2/（MPa2·d），平均0.039 4 m2/（MPa2·d）；致裂后煤層透氣性系數增加到0.167 0～3.267 3 m2/（MPa2·d），平均1.798 3 m2/（MPa2·d），較致裂前煤層的透氣性系數提高10.25～71.634倍，煤層瓦斯抽采難以程度也由原始的難抽煤層發育為可以抽放煤層。

圍繞致裂孔周圍的煤體，煤層透氣性由致裂前的“直線型”升級為“拋物線性”。其中，距致裂孔3 m處的測點3受致裂擾動影響程度最大，處于煤層影響范圍的溝通橋梁帶，煤層透氣性系數最大，其余測點隨距致裂孔距離增長，透氣性依次逐漸降低，雖然致裂增透影響范圍稍大于理論計算值，但當測點距致裂孔大于6 m后，煤層透氣性呈現驟降規律，下降幅度多達59.5%～91.9%，該區的煤層透氣性改善狀況仍不能滿足瓦斯抽采需求。可見，在液態CO2相變致裂影響范圍內，6 m處是煤層致裂后裂隙二次發育較為充分的臨界點，驗證了理論計算值6.3 m，考慮現場鉆孔布置的經濟性和高效性，該礦4號煤層的增透半徑設為6 m。

2.3 揭煤區消突鉆孔布置方式

為安全快速揭開4號煤層，在-650運輸巷距4號煤層底板垂距7 m時布置了消突鉆孔，鉆孔控制范圍滿足《防治煤與瓦斯突出規定》要求。根據液態CO2致裂增透技術在4號煤層中的考察效果，此次揭煤區消突鉆孔的孔底間距均為6 m，共需布置5排，每排8個鉆孔，致裂孔和控制孔布置方式如圖4。第2排和第4排采用隔一爆一的布置方式，且第1排的第1個鉆孔和第5排最后1個鉆孔為致裂孔，其余均為控制孔，本區所有致裂孔采用液態CO2相變致裂技術，起爆方式為并聯導通一次性爆破。

圖4 揭煤區致裂孔和控制孔布置方式

3 揭煤區增透卸壓效果考察

3.1 瓦斯抽采效果

致裂孔實施液態CO2相變致裂后，所有鉆孔連接抽采管路進行負壓抽采，現場考察致裂前后鉆孔抽采瓦斯濃度和單孔日抽采量的變化情況，分析了液態CO2相變致裂在石門揭煤中的應用效果。

平均抽采瓦斯濃度隨時間變化如圖5。在未采取任何增透措施時，鉆孔平均抽采瓦斯濃度為20.2%，隨時間延長，吸附瓦斯解吸會引起煤質收縮，降低煤層滲透率，增加抽采阻力，瓦斯濃度也逐漸衰減；經液態CO2致裂增透后，鉆孔平均抽采瓦斯濃度大幅度提升，最大值約58%，平均值為42.6%，較致裂前的平均濃度值提高了1.1倍，35 d后仍保持40%的高濃度持續抽采，且未呈現衰減趨勢。

抽采期間統計了單孔日抽采量，平均單孔日抽采量隨時間變化如圖6。致裂后單孔平均日抽采量從1.56 m3/d增加到3.76 m3/d，增約1.4倍，致裂后約20 d內始終保持增長狀態，最大值達5.01 m3/d，之后雖略有降低，但依然接近于平均日抽采量。

圖5 平均抽采瓦斯濃度隨時間變化

圖6 平均單孔日抽采量隨時間變化

采用上述致裂孔和控制孔的分配方式，1個月內30個抽采孔的平均瓦斯抽采濃度穩定在38.5%～44.6%之間，日平均抽采量在3.31～4.08 m3/d之間，所有鉆孔共同控制的揭煤區域均享受到增透卸壓效果，實現高效、持久抽采，抽采率為48.16%，縮短抽采時間43%。

3.2 煤層消突效果

在揭煤區域的上部、中部和兩側布置4組鉆孔，每組鉆孔分別在見煤0.5 m和1.5 m處取樣測試殘余瓦斯含量，并反演殘余瓦斯壓力。區域效果檢驗指標考察見表1。揭煤區殘余瓦斯含量平均值為5.41 m3/t，殘余瓦斯壓力平均值為0.27 MPa，煤層的突出危險性已被消除。

-650運輸巷掘進至距煤層底板垂距2 m后，采用鉆屑解吸指標法進行了局部預測，鉆屑量S為3.6～4.7 kg/m，干煤測試鉆屑解吸指標△h2為120～140 Pa，預測揭煤工作面為無突出危險工作面。

3.3 揭開煤層效果

采用遠距離爆破技術一次性揭開煤層斷面，之后采用“超前探測、提升支護強度、快速掘進”的方式迅速穿透煤層，過煤門期間的回風流瓦斯濃度最大僅0.4%，且未發生任何異常現象。

表1 區域效果檢驗指標考察

4 結論

1）根據4號煤層的基本力學參數和相關理論基礎，計算得到液態CO2相變致裂的增透半徑為6.3 m，并通過現場考察致裂后不同影響范圍的煤層透氣性系數變化規律進行了驗證，考慮富余系數，確定井下應用液態CO2增透半徑為6 m。

2）揭煤區液態CO2致裂增透前后的平均瓦斯抽采濃度增約1.1倍，單孔日平均抽采量增約1.4倍，1個月內實現抽采達標，抽采率為48.16%，縮短抽采時間43%。

3）揭煤區消突效果檢驗殘余瓦斯含量平均值為5.41 m3/t，殘余瓦斯壓力平均值為0.27 MPa，鉆屑量S為 3.6～4.7 kg/m，鉆屑解吸指標△h2為 120～140 Pa，均小于突出臨界值；揭開煤層過煤門期間的回風流瓦斯濃度最大僅0.4%，所有揭煤環節安全高效。