二氧化碳致裂增透技术在煤矿井下瓦斯抽采中的研究与应用

二氧化碳致裂增透技术在煤矿井下瓦斯抽采中的研究与应用

孙伟明,王博,颜旗

山东能源集团贵州矿业有限公司贵州贵阳551400

摘要：针对绿塘煤矿6中煤层透气性差，瓦斯抽采施工中存在抽采浓度低、抽采达标时间长等问题，应用CO2致裂煤层增透技术，提高瓦斯抽采效率。

关键词：二氧化碳致裂增透

1项目背景

绿塘煤矿为近距离低透气煤层群复杂地质开采条件的突出矿井，主采煤层6中煤层，该煤层透气性差，煤质松软，致使瓦斯抽采施工中存在抽采浓度低、抽采达标时间长且抽采钻孔易塌孔等问题。因此急需研究瓦斯抽采新技术，以减少瓦斯防治工程量，提高瓦斯抽采效率。

CO2致裂煤层增透技术是一项提高低渗煤层瓦斯抽采率的新技术。绿塘煤矿从2016年10月至2017年3月使用CO2致裂煤层增透技术，加快该矿S204工作面掘进速度，保证抽-采-掘平衡，取得了良好的经济效果。

2研究主要内容

2.1瓦斯基本参数测定

测定南二采区S204工作面6中煤层的瓦斯吸附常数（a、b）、瓦斯放散初速度（△P）、煤的坚固性系数（f）、透气性系数、瓦斯含量等瓦斯基本参数。

2.2实施CO2致裂增透技术

根据现场条件，在S204运输巷掘进迎头实施CO2预裂技术根据考察效果决定是否推广应用。

2.3增透效果考察

对CO2致裂增透效果进行考察，考察的参数有：①瓦斯含量；②钻孔瓦斯抽采浓度；③钻孔瓦斯抽采流量；④透气性系数和自然流量衰减系数；⑤确定预裂增透有效影响范围。

3矿井概况

绿塘煤矿为新建矿井，位于贵州省大方县西南部，矿井设计能力180万t/a，矿区面积77.8088km2；开采标高：+2080~+1300m。主要含煤地层为龙潭组，可采煤层7层，为6中、6下、7、10、16、26、33煤层。

4矿井通风与瓦斯

4.1通风

矿井采用混合式通风方式，在主工业场地内设主、副平硐及中央回风斜井，在南二采区布置后坝进、回风斜井。

4.2瓦斯防治情况

矿井建有地面高低负压瓦斯抽采系统，采取开采保护层作为区域防突措施，即6中号煤层作为保护层先行开采，然后依次开采下部煤层。6中号煤层煤巷掘进采用穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的区域防突措施。

5CO2致裂增透技术

（1）致裂器组装

如图1所示，CO2致裂器构成分为主管、充气阀、泄能阀、发热装置及电极引出体五部分。将各部件按组装顺序进行组装，并检查电路导通情况。

图1CO2致裂器基本结构图

（2）液态CO2气体充装

液态CO2气体充装设备由充装架、增压泵、液态CO2钢瓶、空压机等组成，将液态CO2通过增压泵加压充入一个特制的储液管内，保持储液管内液态CO2压力为8～10MPa。

（3）井下安装

将CO2致裂器按次序连接在一起后将CO2致裂器推入钻孔内，然后将封孔器用封孔高压管路与致裂器连接，将发爆母线固定于顶杆之上。当顶杆推入到符合要求的封孔深度时停止推进。当孔内所有设备连接可靠，将高压打压管路连接至注水压力泵，测压管路连接至测试压力表。利用注水式打压泵对孔内的封孔器注水打压。封孔器注水打压达到6-8MPa后，对可调式顶杆加力使致裂器全部固定。

（4）起爆致裂

用电子导通器测量电路导通后，用矿用低压（9V）起爆器启动致裂装置，起爆致裂后随时观测孔内瓦斯压力，保压时间为15min。起爆后，CO2温度不断升高且压力持续增大，突破了CO2的气液变化临界点，管内CO2由气－液两相转化为次临界状态及超临界状态，高压CO2冲破定压剪切片从释放管释放，瞬间喷出的超临界CO2气体在煤体内产生了以应力波和爆生气体为主要动力的破煤能量。在应力波作用下，在煤体中产生径向压缩和切向拉伸，当切向拉伸应力超过煤的抗拉强度时会产生径向裂隙。在应力波向煤体深部传播的同时，爆生气体紧随其后迅速膨胀，进入由应力波产生的径向裂隙中，由于气体的尖劈作用，使裂隙继续扩展。最终，在钻孔周围形成一片透气性高、裂隙发育区域，达到致裂的目的。

6掘进工作面穿层CO2致裂增透技术实施及效果考察

在S204运输巷掘进迎头前方100～300m范围内，实施穿层CO2致裂增透。

6.1穿层CO2预裂

（1）绿塘煤矿钻孔采用ZDY-1250型钻机、Ø75mm的钻杆配Ø94mm钻头进行施工，施工过程严格按设计参数施工，在钻孔完成致裂以后将网管塞入孔中，网管塞到位后将其封孔接抽。

（2）在S204运输顺槽顶板抽排巷进行穿层预裂，预裂区域为12钻场～15钻场之间，共计80m。致裂钻孔12组，每组5个孔。

6.2效果考察

进行穿层致裂效果考察采用抽采浓度和流量考察。

致裂完成后进行封孔连抽，对所有连抽钻孔数据进行监测，由数据可知各组致裂孔平均抽采瓦斯浓度在70%左右，工况流量0.2m3/min以上；未致裂前该区域钻场内穿层钻孔平均瓦斯浓度10%，排孔平均瓦斯浓度约27.8%。实施CO2致裂后，致裂孔平均瓦斯抽采浓度是钻场穿层钻孔瓦斯浓度7倍，是排孔瓦斯浓度2.5倍。

7结论

在S204运输巷掘进迎头前方100～300m区域实施一个循环的穿层CO2致裂增透技术后，各组钻孔平均抽采浓度60-80%，平均抽采流量0.2m3/min。致裂后煤层透气性系数为未致裂区域三倍；预裂后衰减系数比原始煤层衰减系数降低了42.4%；在抽采时间相同的情况下，距离预裂孔1.5m、2.25m、4.5m考察孔残余瓦斯含量在8m3/t以下，可确定致裂有效半径5m。

综上所述，CO2致裂增透技术能够更加快速有效解决绿塘煤矿瓦斯治理问题，为毕节地区以及贵州省更大范围内推广打下了较好基础。