CO2預裂增透技術在低滲高瓦斯煤層的應用

閆建浩,張 益

(1.山西保利平山煤業股份有限公司,山西 沁水 048205;2.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083)

煤炭是一種重要的石化能源,雖然在環境壓力和煤炭儲量的影響下,煤炭在我國能源中所占的比例逐漸減少,但是我國能源對煤炭仍然具有很強的依賴性,其還會作為我國主要的一種能源[1]。在煤炭開采過程中往往會遇到其伴生產物——瓦斯,瓦斯能夠引發火災爆炸、人員窒息和瓦斯突出等事故,所以對瓦斯的治理十分重要[2]。對瓦斯進行抽采是治理瓦斯災害的有效措施,利用瓦斯抽采技術可以有效降低瓦斯含量和壓力,從而實現煤礦安全生產工作的順利進行[3]。

山西保利平山煤業有限公司(以下簡稱“平山煤礦”)礦井設計規模為90萬t/a。平山煤礦由于3#煤層透氣性較差、瓦斯含量大,成為掘進的瓶頸,制約了煤礦地順利建設,從而影響了該礦的正常銜接和生產進度。

1 CO2預裂增透技術

1.1 技術簡介

為了提高低滲煤層的透氣性,在生產過程中常用到水力壓裂、深孔預裂爆破和CO2預裂增透等技術[4-6]。CO2預裂增透技術是先對低滲透煤層鉆孔,然后將液態CO2注入鉆孔中,利用其汽化后體積快速膨脹的特性對煤體進行壓裂,從而實現了煤體透氣性的增加[7]。與傳統的深孔預裂爆破比,CO2預裂增透技術的安全性高,而且具有工藝簡單易行,成本低的優勢[8-9]。

1.2 技術機理

當外界溫度達到一定值時,液態CO2能夠在短時間內吸熱膨脹。如圖1中CO2實驗等溫線圖所示,當溫度處于31 ℃以下、壓力小于7.2 MPa時,CO2以液態方式存在;但是當溫度超過31 ℃時,液態CO2能夠吸收熱量并在短時間內瞬間汽化,汽化后體積膨脹高達600倍[10]。

圖1 CO2實驗等溫線圖Fig.1 Experimental isotherm of CO2

CO2具有比瓦斯較強的親煤特性。瓦斯的成分主要是CH4,由于分子極性關系,煤炭對CO2比對以CH4成分為主的瓦斯有更大的吸附力,利用吸附性的強弱,CO2可以將煤體中吸附態的瓦斯變為游離態[11]。

CO2預裂增透技術充分利用液態CO2具有吸熱后瞬間汽化產生高壓氣體的特性和其具有比瓦斯較強的親煤特性,能夠增加煤層透氣性和減少瓦斯吸附,解決低滲高瓦斯煤層的瓦斯抽采難題,實現煤礦的安全生產[12]。

2 CO2預裂增透技術的應用

2.1 11009工作面的基本情況

平山礦煤3#煤層瓦斯含量為10.54 ml/g ～15.75 ml/g,瓦斯壓力為1.15 MPa,煤層的透氣性較差,透氣系數為1.269 m2/(MPa·d)。11009工作面軌道順槽、回風順槽煤層順層瓦斯鉆孔衰減系數為α=0.019 5 d-1,百米鉆孔極限瓦斯流量Qj=33 000 m3,煤層堅固性系數f=1.26～1.43,瓦斯放散初速度P=22～26,屬于高瓦斯煤層。吸附性常數α=39.84 m3/t，b=0.966 MPa-1。

2.2 技術實施情況

1)鉆孔布置。平山礦煤在3#煤層11009軌道順槽迎頭和左右鉆場進行抽采鉆孔與預裂鉆孔的施工,共施工抽采鉆孔6個(1#、2#、3#、7#、8#、9#),預裂鉆孔3個(4#、5#、6#)。抽采鉆孔和預裂鉆孔孔徑分別為113 mm和94 mm。抽采鉆孔中:1#、2#、3#鉆孔的孔深為106 m,7#、8#、9#鉆孔的孔深為101 m,預裂鉆孔4#、5#、6#鉆孔的孔深均為100 m。在迎頭均勻布置施工3個預裂鉆孔,距頂板高度2.4 m,巷道中線布置5#預裂孔,4#孔與6#孔距離5#孔1 m。鉆孔的詳細布置圖如圖2所示。

2-a 鉆孔布置側視圖

2-b 鉆孔布置正視圖圖2 工作面鉆孔布置圖Fig.2 Borehole layout of working face

2)試驗過程。CO2預裂增透技術實的流程:首先按設計進行鉆孔,之后對除預裂孔外的抽采鉆孔進行封孔連管,然后在預裂孔進行二氧化碳預裂,最后經過效果檢驗合格后就可以進行掘進工作。

平山礦煤在11009軌道順槽第二循環進行了CO2預裂增透,預裂增透共采用鉆桿60根,每根充裝液態CO21.5 kg。首先預裂了4#預裂鉆孔,裝入鉆桿15根,預裂完成后隔30 min取出鉆桿與封孔器預裂6#預裂鉆孔,同樣裝入鉆桿15根,最后預裂中間5#預裂鉆孔,預裂兩次,中間間隔1 h(含取鉆桿、裝鉆桿)。

3)試驗結果。CO2預裂增透技術實施完成后,連續11 d對鉆孔內的瓦斯濃度進行檢測,以判斷技術的效果。其中1#、2#、3#、4#鉆孔的瓦斯濃度變化情況如表1和圖3所示。

表1 1#～4#鉆孔的瓦斯濃度變化情況Table 1 Gas concentration variation from No.1 to No.4 borehole

續表1：

時間/d1#鉆孔瓦斯濃度/%2#鉆孔瓦斯濃度/%3#鉆孔瓦斯濃度/%4#鉆孔瓦斯濃度/% 86168503 96885543 116166523

圖3 1#～4#鉆孔的瓦斯濃度變化情況Fig.3 Gas concentration variation from No.1 to No.4 borehole

5#、6#、7#、8#、9#鉆孔的瓦斯濃度變化情況如表2和圖4所示。

表2 5#～9#鉆孔的瓦斯濃度變化情況Table 2 Gas concentration variation from No.5 to No.9 borehole

圖4 5#～9#鉆孔的瓦斯濃度變化情況Fig.4 Gas concentration variation from No.5 to No.9 borehole

由鉆孔內瓦斯濃度的變化情況可知,在實施CO2預裂增透技術后1#、2#、3#、9#抽采孔與5#、6#預裂孔瓦斯濃度均在50%以上,且較穩定,抽采效果較好。5#、6#預裂孔瓦斯抽采濃度最大90%,尤其迎頭預裂孔5#瓦斯抽采濃度基本維持在75%以上。7#、8#抽采孔在第7 d重新封孔后瓦斯濃度略有增大。預裂孔4#瓦斯抽采濃度一直低于11%,分析其發生了鉆孔坍塌,在預裂時4#預裂孔鉆桿只能裝8根,后經處理裝進15根。

抽采純量分析:實施CO2預裂增透技術后,11009軌道順槽迎頭抽采鉆孔抽采瓦斯純量0.79 m3/min,百米鉆孔流量0.083 m3/min,是其他順層鉆孔抽采區域的1.5～5倍。該技術取得了良好的瓦斯抽采效果。

3 CO2預裂增透技術效果

3.1 局部防突效果檢驗

在實施CO2預裂增透技術后,在煤層掘進過程中利用鉆屑瓦斯解吸指標K1和鉆屑量S對煤層的局部防突效果進行檢驗,檢驗結果如圖5所示。

圖5 K1值和S值變化趨勢Fig.5 Variation of K1 and S value

在平山煤礦3#煤層11009軌道順槽掘進至80 m的過程中,鉆屑瓦斯解吸指標K1值超標4次,其中最大值1.13。實施CO2預裂增透技術后,當K1值超標后,對11009工作面采取局部防突措施,K1值下降迅速,再次檢驗均合格。未采用該技術時,出現K1值超標時,排放3 h以上才能效果檢驗合格,采用預裂技術具有排放速度快,時間短的優點。

3.2 采掘過程中風量和瓦斯情況

11009軌道順槽采用局扇供風,平均風速為0.75 m/s,風量為630 m3/min。掘進至150 m時,割煤期間回風流瓦斯濃度最大0.70 %,根據11009軌道順槽每100 m巷幫瓦斯涌出量導致巷道瓦斯濃度增加0.30 %,經過計算可得工作面割煤期間瓦斯涌出量為2.52 m3/min,相比未采用該技術時瓦斯涌出量增大1 m3/min。

根據K1值超標后局部防突措施效果檢驗結果和掘進過程中瓦斯涌出量變大兩現象分析,采用CO2預裂增透技術后,煤體中大量的瓦斯由原來的吸附狀態轉變為了游離態。

4 結論

1)CO2預裂增透技術充分利用液態CO2具有吸熱后瞬間汽化產生高壓氣體的特性，以及其具有比瓦斯較強的親煤特性,因而能夠增加煤層透氣性和減少瓦斯吸附,能夠解決低滲高瓦斯煤層的瓦斯抽采難題,實現煤礦的安全生產。

2)在平山煤礦11009工作面實施CO2預裂技術后,1#、2#、3#、9#抽采孔與預裂孔5#、6#瓦斯濃度均在50%以上,且較穩定,抽采效果較好。因為發生了塌孔現象,所以4#預裂孔的瓦斯抽采濃度一直低于11%。

3)實施CO2預裂增透技術,當工作面K1值超標后,采取局部防突措施,K1值下降迅速,再次檢驗均合格。工作面割煤期間瓦斯涌出量為2.52 m3/min,相比未采用該技術時瓦斯涌出量增大1 m3/min。根據K1值超標后局部防突措施效果檢驗結果和掘進過程中瓦斯涌出量變大兩現象分析,采用CO2預裂增透技術后,煤體中大量的瓦斯由原來的吸附狀態轉變為了游離態。