常村煤礦高瓦斯低透氣性煤層CO2致裂增透技術研究

秦 勇

(山西潞安環保能源股份開發有限公司常村煤礦，山西省長治市，046100)

瓦斯治理是制約煤礦安全高效生產的難題，尤其是對高瓦斯礦井及煤與瓦斯突出礦井而言，瓦斯抽采更是礦井生產的主要工作。我國煤層瓦斯賦存條件復雜，普遍存在煤層透氣性系數較低以及鉆孔流量衰減系數較高等問題，瓦斯較難抽放，給礦井的安全生產帶來較大隱患。目前礦井區域瓦斯治理多采用鉆孔抽放的方法，但鉆孔數量較多，施工工程量大，抽采時間長而抽采效果較差，其他瓦斯治理方法如預裂爆破、水壓致裂以及水力割縫等，雖起到一定的作用，但都有較大限制。

CO2致裂增透技術是近年來逐漸興起的煤礦瓦斯治理技術，已成功應用于煤層開采等領域，并取得了良好的效果。但在巷道掘進方面應用的較少，其致裂效果以及參數設計方面的研究也不完善。針對這一問題，本文以常村煤礦23采區膠帶運輸大巷為研究背景，對CO2的致裂原理以及參數設計進行研究，實現CO2致裂增透技術在巷道掘進中的成功應用。

1 工程背景

常村煤礦主采3#煤層，煤層厚度在5.95～6.10 m之間，平均厚度為6.05 m，夾矸的厚度為0.23 m，煤層埋藏深度為489～548 m，煤層傾角為0°～8°。+470 m水平23采區膠帶運輸大巷處于3#煤層中，沿底板掘進，巷道平面圖見圖1。巷道斷面形狀為矩形，設計尺寸為寬5.04 m、高3.42 m，凈斷面達17.24 m2，膠帶大巷設計全長為2150 m。根據常村煤礦3#煤層瓦斯地質圖顯示，常村煤礦23采區煤層原始瓦斯壓力最大可達0.9 MPa，3#煤層掘進期間瓦斯含量最高達15 m3/t，經巷道開口處實測數據表明，3#煤層實測瓦斯含量為6.7564 m3/t，可解吸量為5.1538 m3/t，膠帶大巷掘進面預測絕對瓦斯涌出量為5.5 m3/min，具有瓦斯突出的危險。3#煤層初始透氣性系數在0.003237～0.2419 m2/(MPa2·d)之間，衰減系數在0.1726～0.3025 d-1之間，故3#煤層屬于低透氣性且瓦斯較難被抽采煤層。

圖1 23采區膠帶運輸大巷平面圖

2 CO2致裂增透技術原理

煤層中瓦斯主要有游離瓦斯與吸附瓦斯兩種狀態。游離狀態的瓦斯越多，則煤層透氣性越好，煤層中的瓦斯越容易抽采。CO2致裂增透技術是在致裂管中放置液態的CO2，裝置起爆后，CO2會由液體狀態向氣體狀態轉化，在這種變化過程中，大量的能量得到釋放，并沿著鉆孔向四周擴散。由于起爆后所引起的爆破壓力遠大于煤層的抗壓強度，在鉆孔周圍一定范圍內的煤體會迅速破碎，從而形成一定范圍內的粉碎區。由于裝置起爆后，轉變后的CO2氣體會迅速膨脹，在鉆孔周圍形成環向以及徑向裂隙，裂隙之間相互交錯，形成一定范圍內的裂隙區。當起爆后的應力在往鉆孔深部擴散時，并不會對煤層造成損害，只能引起煤體局部震動，此區域稱之為震動區，如圖2所示。正是由于鉆孔周圍粉碎區以及裂隙區的存在，極大擴展了瓦斯的運移途徑，增加了煤層的透氣性，提高了煤層瓦斯的抽采量。另外，CO2的存在可驅使更多的吸附瓦斯轉變為游離瓦斯，進一步增加了瓦斯的解吸量，加之CO2的存在隔絕了氧氣，不會因為裝置起爆而引起火花，是一種安全可靠的技術方法。

1—致裂鉆孔；2—粉碎區；3—裂隙區；4—震動區圖2 致裂形成的區域

3 常村礦CO2致裂增透方案設計

3.1 致裂鉆孔布置方案

CO2致裂鉆孔深度為60 m，致裂孔直徑選取94 mm，根據鉆孔安設需要，擴孔至直徑113 mm，沿巷道掘進方向順層布置，壓裂桿數量為20根/孔，單致裂管長1.5 m，每根內充1.5 kg的液態CO2，進行致裂鉆孔時，采用專用封孔器進行操作。致裂相關參數：致裂孔方位角180°，與煤層傾角夾角3°，封孔深度15 m，封孔壓力7～8 MPa。

3.2 預抽鉆孔布置方案

在膠帶大巷兩側開挖了瓦斯抽采邁步鉆場，用于更好地提升煤層瓦斯預抽的效果。具體尺寸為：深5 m，里寬4 m，外寬9 m，高3.42 m。同側及異側鉆場的間距分別為120 m和60 m。在兩側的瓦斯鉆場中向巷道掘進方向進行預抽鉆孔的施工，用于抽采前方煤層中的瓦斯，每個鉆場內布置有6個瓦斯預抽鉆孔，預抽孔直徑94 mm，擴孔至113 mm，長度為140 m，沿煤層傾角方向布置。這種瓦斯預抽方式不占用膠帶大巷的掘進時間，巷道掘進和瓦斯預抽工作同時進行，實現了平行作業。具體布置形式如圖3所示。為避免CO2致裂對膠帶大巷煤層巷道幫部造成破壞，在距膠帶大巷與回風大巷各取20 m的安全距離。

圖3 膠帶大巷鉆場預抽鉆孔+致裂鉆孔布置圖

4 常村礦CO2致裂增透效果分析

4.1 致裂后瓦斯抽采濃度變化

為了對比分析CO2致裂增透對瓦斯抽采的效果，在CO2致裂試驗前后分別測定了抽采體積分數、瓦斯抽采純量，根據現場致裂試驗前后測出的數據，繪制了其相應的變化趨勢圖，如圖4～5所示。

圖4 平均瓦斯抽采體積分數隨時間變化情況

從圖4～5中可以看出：CO2致裂增透前，瓦斯抽采濃度普遍低于40%，煤層瓦斯含量較大，煤層瓦斯抽采效率低；CO2致裂增透后瓦斯抽采濃度大幅提升，且較長時間內維持在40%左右，瓦斯抽采總量得到提高；CO2致裂后單孔瓦斯日抽采純量也呈現不斷增加的趨勢，高于CO2致裂前。致裂前抽采20 d時，瓦斯體積分數呈現衰減狀態，最低至10%以下，而CO2致裂后鉆孔抽采40 d后，瓦斯抽采濃度仍維持在較高水平，這表明在CO2致裂的影響下瓦斯衰減速率降低，顯著改善了瓦斯抽采效率低的難題。

圖5 平均瓦斯抽采純量隨時間變化情況

4.2 巷道煤層瓦斯含量的變化

為了進一步分析CO2致裂增透對膠帶大巷煤層瓦斯的影響，對CO2致裂前后的煤層瓦斯含量進行了為期2個月的連續觀測，試驗地點對應的煤體瓦斯參數如表1所示。致裂前后瓦斯含量變化趨勢如圖6所示。

表1 膠帶大巷致裂前后2個月試驗地點煤體瓦斯含量

圖6 致裂前后瓦斯含量變化趨勢圖

由圖6和表1數據可知，致裂抽采后膠帶大巷巷道煤體中的瓦斯含量平均減少了2.37 m3/t，最高減幅達到42.36%，瓦斯解吸速率不斷提高，瓦斯抽采量明顯增多。CO2致裂增透技術實施后，在煤層中形成了一定范圍的裂隙擴展發育區域，鉆孔抽采后，3#煤層瓦斯含量處于降低的階段。由于CO2致裂壓力可控，可保證煤體主體結構不被嚴重破壞，可有效提升煤層滲透能力，從而提高煤層瓦斯抽采效率。

5 結論

(1)分析了CO2致裂增透技術原理，得到了CO2致裂后會在鉆孔周圍形成粉碎區、裂隙區以及震動區，粉碎區與裂隙區的存在增加了瓦斯運移的途徑，而CO2的存在促使更多的吸附瓦斯向游離瓦斯轉變，增加了煤層的透氣性，提高了煤層瓦斯的抽采量。

(2)根據CO2致裂增透技術原理，結合常村煤礦23采區膠帶運輸大巷地質條件，設計了常村礦膠帶運輸大巷CO2致裂增透方案，確定CO2致裂鉆孔深度為60 m，致裂孔直徑為113 mm，沿巷道掘進方向順層布置，并在巷道兩側開挖了瓦斯抽采邁步鉆場，用于更好地提升煤層瓦斯預抽的效果。

(3)將設計的CO2致裂增透方案在常村煤礦23采區膠帶運輸大巷進行試驗，現場應用表明，采用CO2致裂增透技術后，瓦斯抽采濃度由原來普遍低于40%，到現在較長時間內維持在40%左右；膠帶大巷煤體中的瓦斯含量平均減少了2.37 m3/t，最高減幅達到42.36%，瓦斯抽采效果明顯提高。