斜溝煤礦液態CO2相變致裂增透技術試驗研究

溫建偉

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602）

0 引言

近年來，隨著采掘活動向深部延伸，地質構造的復雜多變，瓦斯已成為礦井安全生產的主要影響因素[1-2]。然而，我國煤田普遍具有煤層透氣性差的特點，瓦斯抽采難度大、抽采率低是原始煤層抽采過程中亟待解決的問題[3]。為了改善煤層抽采效果，提高瓦斯抽采效率，必須對煤層采取卸壓增透技術措施[4]。

本文基于液態CO2爆破器工作原理[5]，提出液態CO2預裂增透技術方案，通過現場試驗對比增透前后煤層瓦斯的抽采效果，提高了本煤層瓦斯預抽效果，消除瓦斯給礦井安全生產帶來的隱患。

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣魏家灘鎮，主采煤層為8#、13#煤，8#煤層平均厚度為4.70 m，傾角為平均9.4°。8#煤透氣性系數為0.00926 m2/(MPa2·d)～0.01416 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

圖1 18205工作面布置

18205 工作面標高為+520 m～+584 m，可采走向長度為2 800 m，傾斜長為264 m，采用U 型通風方式，目前工作面瓦斯涌出量為14.15 m3/min，因煤層透氣性差，本煤層瓦斯抽采率低，上隅角瓦斯濃度較大，嚴重影響工作面的推進速度。

2 液態CO2爆破技術

將充有液態CO2的預裂組件，組裝安設在已打好的鉆孔內，專用封孔器封孔，通過激活預裂組件內的發熱裝置加熱組件內的液態CO2，至設定壓強時組件開啟，高壓CO2氣體得以在煤體中適時擴散并較長時間作用煤體。

3 液態CO2預裂增透技術方案及效果檢測

煤層深孔預裂爆破時，控制孔的存在對煤預裂爆破效果是有利的。施工控制孔后，鉆孔在沖擊波和應力波的傳播衰減過程中，應力波在控制孔周圍發生反射，應力疊加，鉆孔周圍煤體的卸壓效果提高，裂隙區范圍增大。

3.1 鉆孔間距對鉆孔爆破的影響

鉆孔距離的大小對煤層預裂爆破效果有直接影響。鉆孔距離過大，則會造成炮孔間存在大面積爆破空白區，導致裂縫無法貫通，無法達到理想的卸壓效果，若是爆破孔和控制孔間距過小，會造成爆破區域發生大面積重疊，增加額外的爆破成本，并導致煤體破碎嚴重而影響正常回采。因此，選擇合理的爆破孔間距至關重要。建立煤層多孔連續液態CO2爆破的FLAC3D數值模型，計算域50 m×80 m×10 m，爆破鉆孔和控制孔間隔布置，爆破孔直徑為100 mm，控制孔直徑100 mm，模型網格數124 800 個，節點數139 755 個。模型上方以等效均布壓方式施加上覆巖層應力10 MPa。通過對爆破孔間距為10 m、8 m、7.5 m 進行數值模擬，如圖2所示：爆破孔間距為10 m時，爆破孔間有大面積區域未曾受到爆破影響；爆破孔間距為8 m時，爆破有效范圍明顯增加，但仍有小部分區域沒有達到爆破增透效果；爆破孔間距為7.5 m 時，爆破孔間所有范圍全部處于爆破有效影響范圍內，達到理想的爆破效果。因此，爆破孔的合理間距為7.5 m。

圖2 不同間距多孔連續爆破數值模擬

3.2 液態CO2預裂增透技術的現場試驗方案

（1）液態CO2爆破器結構及工藝

液態液態CO2爆破器爆破器（見圖3）：主要由主體腔、化學熱反應裝置、充排氣電極閥、泄能閥、定壓泄能片、止飛機構、密封墊、切割圈等組成。

圖3 液態CO2爆破器的組成結構

在地面把預裂組件中的發熱裝置等組件組裝好后注入液態CO2，合格后運至井下現場，將組件連接件、聯線件依次組合推入鉆孔，安設封孔器、引出桿和可調式頂桿實現固定，用封孔注液泵實施遠程封孔，遠距離激活發熱裝置進行預裂，按照作業規程要求啟封，拆除預裂裝備。

（2）鉆孔布置

根據斜溝煤礦的實際需要，在18205 材料巷采用液態CO2預裂時，用原有的本煤層鉆孔作為本次試驗的爆破孔和控制孔施工位置，孔徑113 mm，爆破孔深50 m，裝藥深度30 m；共計施工本煤層預抽鉆孔118個，其中預裂鉆孔71個、未預裂鉆孔47個，鉆孔開孔高度為1.2 m，同煤層傾角，相鄰孔間距為3.75 m，鉆孔布置如圖5所示。

圖4 爆破鉆孔參數布置圖

3.3 18205材料巷增透區域效果檢驗

二氧化碳相變致裂爆破本煤層后，在巷道煤壁上形成明顯裂隙，從而可以直觀的看出二氧化碳致裂技術能夠有效提高煤層裂隙，導通低透氣性煤層瓦斯流動通道，提高本煤層鉆孔瓦斯抽采濃度及純量。18205工作面材料巷煤壁在爆破后裂隙發育規律如圖5 所示。

圖5 本煤層二氧化碳爆破后煤體裂隙發育情況

通過對18205 材料巷預裂鉆孔中進行分析，爆破數據見表1：孔深220 m，預裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量為0.029 m3/min·hm，相比于未預裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量0.010 m3/min·hm，百米鉆孔瓦斯流量提高了2.9 倍、單孔抽采量提高了2.7 倍，并保持穩定，如圖6所示。

圖6 爆破前后瓦斯抽采混量對比

表1 鉆孔施工參數及抽采參數

通過預抽期間及回采期間對18205材料巷預裂鉆孔和普通鉆孔抽采效果進行逐日觀測分析，其預裂鉆孔百米鉆孔瓦斯流量平均為0.029 m3/min·hm，相比于未預裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量0.01 m3/min·hm提高了3倍；預裂鉆孔平均抽采量為0.0613 m3/min、而未預裂鉆孔抽采量僅為0.023 m3/min，預裂鉆孔抽采量比未預裂鉆孔抽采量提高了2.66倍；預裂單孔瓦斯濃度變化不明顯，其鉆孔瓦斯濃度在抽采過程中能夠穩定在±2%；其抽采效果非常明顯，不僅增加了抽采鉆孔抽采效果、增大了鉆孔間距、縮短了鉆孔抽采時間、減少了抽采鉆孔工程量、提高了煤層透氣性系數及打鉆現場質量標準化水平、緩解了生產與抽采銜接緊張的局面，保證了工作面的安全回采。

4 結論

（1）模擬結果表明：控制孔的存在對煤預裂爆破效果是有利的，施工控制孔之后進行煤層液態CO2爆破的裂隙區影響范圍明顯大于無控制孔時的爆破的裂隙區影響范圍；斜溝煤礦爆破孔的合理間距為7.5 m。

（2）試驗結果表明：預裂鉆孔百米鉆孔瓦斯流量平均為0.029 m3/min·hm，相比于未預裂鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量0.01 m3/min·hm提高了3倍；預裂鉆孔平均抽采量為0.0613 m3/min、而未預裂鉆孔抽采量僅為0.023 m3/min，預裂鉆孔抽采量比未預裂鉆孔抽采量提高了2.66倍。