高瓦斯煤礦CO2 增透技術

李斌華

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山縣店坪煤礦，山西 呂梁 033100）

0 引 言

隨著煤礦開采巷道向深部掘進，煤層逐漸呈現瓦斯含量高、透氣性差等安全隱患，在瓦斯抽采的過程中，勢必會造成鉆孔抽采濃度不達標、瓦斯持續涌出時間不足、瓦斯解吸量低、瓦斯抽采總量小、瓦斯含量高等一系列問題，常規瓦斯的預抽和順層抽采的技術無法滿足煤層透氣性差的現場，這嚴重的制約巷道掘進速率和危害到工人的施工安全，嚴重影響了煤礦的正常生產，雖然可以通過增加 瓦斯鉆孔數、增加抽采時間，但均無法大幅度的降低瓦斯含量。

為了解決這個難題，文章以高瓦斯礦井常村煤礦3 號煤層為研究對象，應用CO2致裂增透技術，增大了煤層裂隙區域，增加了煤層透氣性。

1 煤層透氣性的分析

1.1 巷道概況

自上而下常村煤礦的巖層屬性如表1 所示，3 號煤層為主采煤層，均厚6.05 m，煤深489~548 m。3 號煤層中在+470 位置為23 采區膠帶運輸下山巷道，巷道斷面為矩形，尺寸5.04 m×3.42 m，總長2 150 m，煤層中有6 個砂巖含水層，其中7、8 號弱含水層離3 號煤層較近，但對巷道的掘進影響不大。依據3 號煤層瓦斯地質圖顯示，其普氏系數f 為0.47 ~ 0.49，地溫地壓正常。3 號煤層23 采區的瓦斯最大壓力為0.9 MPa，最高含量為15 m3/t，在巷道開口處實測瓦斯含量為6.756 4 m3/ min，可解吸量為5.153 8 m3/t，初始透氣系數為 0.003 237 ~ 0.241 9 m2/ MPa2·d，衰減系數為0.172 6 ~ 0.302 5d-1，放散速度14.4 ~16.335 mmHg，因此3 號煤層的瓦斯很難被抽采，處于低透氣性賦存狀態。

表1 煤層巖性

1.2 煤層滲透性的分析

煤層并不是單一均勻的介質，煤層中賦存著諸多孔隙和裂隙，這促進了瓦斯的不斷流動，大大的提高了煤層中瓦斯的滲透能力，其滲透能力的大小主要由煤層原始結構、地質構造、煤層含水量、礦物質填充量、地應力、瓦斯壓力等因素決定。

一般情況下，瓦斯以吸附態和游離態賦存在煤體中，其總和為瓦斯總含量，約80%~90%的瓦斯吸附在煤體表面，10%~20%游離在煤體空隙中,如圖1 所示。

圖1 瓦斯吸附態和游離態賦存在煤體示意

2 CO2 致裂增透技術

在巷道掘進的過程中，經常遇到煤層裂隙發育較差，煤層透氣性差，瓦斯超限等危險狀況，為了消除安全隱患，改變煤層低透氣性的狀況，應用CO2致裂增透技術，使用CO2氣體在煤層中營造惰性環境，避免引起火花，并能使吸附在煤體表面的瓦斯變成游離裝態，是一種安全高效的增透技術。

2.1 CO2 致裂裝置的組成

當溫度高于31℃，壓力超過7.385 MPa 時，CO2會表現出一種不同于氣、液、固態相態的超臨界狀態的特殊流體，此狀態下，分子擴展性良好、密度高，且CO2相變后，在短時間內會釋放出大量的能量作用于煤層原生裂隙，使得裂隙迅速發育成一定的影響范圍。常村煤礦使用的CO2致裂裝置簡圖如圖2 所示，主要由注液閥、儲液管、加熱管、液態CO2、泄能片、釋放管等主要部件組成。

圖2 CO2 致裂裝置簡圖

2.2 CO2 致裂過程的力學分析

在CO2致裂的過程中，液態CO2受熱后在致裂孔中迅速變為超臨界狀態，體積快速膨脹約600 倍，高溫高壓的CO2氣體通過致裂裝置的釋放孔進入煤層裂隙中，形成一定擴展區，使得部分致裂間隙相互貫通，便于煤層瓦斯的擴散，提高了原煤層的透氣性。

受CO2高溫高壓氣體沖擊波的影響，在煤體中，從致裂孔中心向外，依次形成粉碎區（1~3 倍致裂孔半徑）、裂隙區、震動區，使用示波器等儀器，監測出致裂管內CO2氣體的壓力隨時間的變化關系，見圖3。

圖3 CO2 致裂過程壓力P 和時間t 的曲線

由圖 3 可知，OA 階段：大約 0.04 s，儲液管的液態CO2迅速轉化成氣態，氣體最大壓力約200 MPa；AB 階段：CO2氣體壓力持續增加，最大壓力約為270 MPa；BC 階段：CO2高溫高壓氣體產生了沖擊波，作用于煤體原生裂隙，形成一定范圍的粉碎區和裂隙區，隨后，CO2致裂氣體的壓力和沖擊波不斷降低；CD 階段：沖擊波不斷減小，形成應力波，再逐漸衰減轉化成地震波，在致裂孔徑向附近區域，煤層不斷被拉伸破壞，使得裂隙和粉碎區相貫通，新生裂隙向外延伸擴展，且CO2比CH4的吸附能力強，煤層中的CH4被不斷地置換出來，CH4的解吸量顯著增加，進而煤層的CH4的抽采量不斷增大。

3 CO2 致裂過程的FLAC3D 數值模擬

3.1 CO2 致裂過程相變能量的計算

文章所使用的CO2致裂裝置，其中儲液管的容量為1.26 L，泄能片的極限應力為276 MPa，查閱相關文獻資料可知，在液態CO2相變的過程中產生的能量Eg可用下式計算：

式中：pz為致裂管內 CO2的絕對壓力，MPa；V為致裂管的體積，m3；Kc為 CO2的絕熱指數，取 1.25。

3.2 CO2 致裂過程FLAC3D 模型的創建

由常村煤礦地質勘探數據得知，3 號煤層埋深為500 m，均厚為6.05 m，傾角為3°，CO2致裂孔的直徑為94 mm，其余煤層參數如表2 所示。

表2 煤層的力學性能參數

綜合考慮各方面因素，創建長×寬×高=10m×10m×5m 的模型區域，采用 Mohr-Coulomb 和Hoek-Brown 準則，區域四周施加邊界條件和等效地應力。

3.3 CO2 致裂過程FLAC3 D 模擬分析

對單致裂管CO2致裂裝置進行模擬時，致裂管長度1.5 m，等效地應力為10 MPa，經過FLAC3D軟件的模擬分析，得到的結果如圖4 所示可知，單致裂管CO2致裂裝置主要以剪切的方式破壞圍巖，破壞區域半徑約1.1m，且主要分布在頂端和兩側。

圖4 單致裂管CO2 致裂裝置的塑變區域

圖5 30 ms 時圍巖應力情況

圖6 30 ms 時圍巖應力情況

為了分析單致裂管CO2致裂裝置的應力變化情況，使用FLAC3D分別模擬30 ms 和60 ms 時圍巖的受力，如圖5 和6 所示并得知，在CO2致裂相變的過程中，隨著時間的變化，圍巖應力的卸載區域不斷的增大，應力集中的區域不斷的減小，但二者變化幅度不大，表明CO2在致裂相變的過程中破壞了圍巖結構，同時也達到了增透的效果，且對圍巖穩定性影響不大，但為了保證巷道安全，必要時可采取加固措施，適當的增加巷道的穩定性。

4 結束語

為了改善煤層的透氣性和提高瓦斯的抽采量，減少瓦斯在煤層的吸附量，常村煤礦使用了CO2致裂增透技術，實踐表明該項技術大大降低了瓦斯超限次數和瓦斯的吸附量，煤層的透氣性顯著提高，且成本低，技術安全可靠，具有巨大的推廣使用意義。