馬小敏

(1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110016； 2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

瓦斯是一種與煤伴生的氣體產(chǎn)物，一方面作為井下重大危險(xiǎn)源威脅著礦井安全生產(chǎn)，另一方面作為非常規(guī)清潔能源可以滿(mǎn)足人類(lèi)能源需求[1]。無(wú)論從礦井瓦斯災(zāi)害防治的角度還是清潔能源利用的角度，瓦斯抽采都是最有效最直接的手段。而我國(guó)大多數(shù)煤層普遍具有透氣性低、裂隙不發(fā)育、解吸速度慢的特點(diǎn)，瓦斯抽采往往存在抽采率低、抽采效果差和抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題[2-3]，因此，對(duì)煤層進(jìn)行強(qiáng)化增透已經(jīng)是低透煤層實(shí)現(xiàn)安全高效抽采必不可少的技術(shù)手段。經(jīng)過(guò)我國(guó)煤炭科技工作者幾十年的研究和實(shí)踐，形成了一系列科研成果，如深孔預(yù)裂爆破[4-6]、水力沖孔[7-8]、水力壓裂[9]、水力割縫[10-11]等多種煤層增透技術(shù)。而上述技術(shù)都有自身的局限性和缺點(diǎn)，深孔預(yù)裂爆破存在炸藥操作和管控的風(fēng)險(xiǎn)，水力沖孔在硬煤中沖孔難度大，在軟煤中又容易造成塌孔和掩埋鉆具，水力壓裂設(shè)備復(fù)雜、封孔困難，且易在壓裂范圍內(nèi)產(chǎn)生局部應(yīng)力增高區(qū)以及水力割縫應(yīng)用效果差等問(wèn)題[12]。近年來(lái)液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)作為一種新型的煤層增透技術(shù)以其能量可控、設(shè)備簡(jiǎn)單易操作以及CO2對(duì)CH4良好的驅(qū)替作用等優(yōu)勢(shì)取得了良好的應(yīng)用效果[13-17]。

在我國(guó)高瓦斯礦井有許多推進(jìn)長(zhǎng)度近2 km甚至更長(zhǎng)的超長(zhǎng)工作面，由于工作面形成周期長(zhǎng)，往往存在靠近停采線的區(qū)域抽采時(shí)間達(dá)3 a以上，而靠近切眼的區(qū)域剛剛開(kāi)始抽采的問(wèn)題，工作面不同區(qū)域預(yù)抽時(shí)間嚴(yán)重不均衡，導(dǎo)致工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)，造成礦井采掘接替緊張，礦井生產(chǎn)能力受到嚴(yán)重制約。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以長(zhǎng)治礦區(qū)某高瓦斯工作面為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析的方法，研究了不同布孔工藝參數(shù)條件下CO2相變致裂增透對(duì)低透煤層瓦斯抽采的作用規(guī)律，并在試驗(yàn)工作面開(kāi)展了分區(qū)增透高效抽采技術(shù)應(yīng)用，以期為高瓦斯低透煤層緩解采掘接替緊張及高效抽采提供借鑒和參考。

1 CO2相變致裂增透技術(shù)原理

1.1 CO2相變致裂增透機(jī)理

CO2相變致裂技術(shù)原理是利用充裝設(shè)備預(yù)先將液態(tài)CO2加注到致裂裝置的儲(chǔ)液管中，通過(guò)發(fā)爆器激活儲(chǔ)液管中內(nèi)置的電加熱活化器，釋放熱量使得儲(chǔ)液管內(nèi)溫度迅速升高，管內(nèi)CO2由液態(tài)瞬間轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積膨脹600倍，此時(shí)儲(chǔ)液管氣態(tài)CO2壓力達(dá)到120～276 MPa[17-18]，沖破剪切片噴發(fā)而出，高能氣體產(chǎn)生的高速射流和高壓CO2氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力場(chǎng)共同作用于煤體，從而破壞煤體產(chǎn)生裂隙。

高能氣體作用煤體時(shí)，一方面在高速射流產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊作用下，煤體發(fā)生徑向壓縮和切向拉伸，當(dāng)切向拉伸應(yīng)力超過(guò)煤的抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生劈裂作用[19]，產(chǎn)生大量新的裂隙；另一方面使煤體內(nèi)被填充或壓實(shí)的裂隙被重新開(kāi)啟，在持續(xù)高能氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力場(chǎng)作用下，促使原生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、發(fā)育[13]。爆破過(guò)程使煤體形成裂隙發(fā)育區(qū)和裂隙擴(kuò)展區(qū)，大大增加了瓦斯運(yùn)移的通道，使得煤層透氣性顯著提高，實(shí)現(xiàn)增透促抽。

1.2 競(jìng)爭(zhēng)吸附理論

煤體中瓦斯主要以吸附態(tài)和游離態(tài)2種形式賦存，而游離態(tài)的瓦斯是抽采的主要對(duì)象。煤體吸附規(guī)律研究表明[20-21]，煤體對(duì)CO2的吸附性遠(yuǎn)高于對(duì)CH4的吸附性，當(dāng)在煤層中相變爆破產(chǎn)生的大量CO2氣體，由于競(jìng)爭(zhēng)吸附效應(yīng)，滯留煤層中的CO2驅(qū)替置換出大量吸附態(tài)瓦斯，游離態(tài)瓦斯增加，從而有效提高瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采量。

2 CO2相變致裂增透作用規(guī)律試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)礦井位于長(zhǎng)治礦區(qū)，為高瓦斯礦井，現(xiàn)開(kāi)采3號(hào)煤層，屬低灰-中高灰貧煤，位于山西組中下部，煤層平均厚度6.25 m，傾角3°～15°。試驗(yàn)地點(diǎn)選在3111工作面，工作面走向長(zhǎng)1 780 m，傾向長(zhǎng)200 m，工作面底板標(biāo)高為+450～+530 m；煤層頂?shù)装寰鶠槟鄮r，巖性致密，不利于瓦斯逸散，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.44～0.68，瓦斯含量為9～12 m3/t，煤層透氣性系數(shù)平均為0.426 1 m2/(MPa2·d)。試驗(yàn)煤層屬單一低透煤層，抽采效果較差。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選擇在未受采動(dòng)影響的區(qū)域進(jìn)行，在3111工作面運(yùn)輸巷分別選取長(zhǎng)為25 m的4個(gè)試驗(yàn)區(qū)(A，B，C，D)，各試驗(yàn)區(qū)間距30 m以上，避免相互影響。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)布置11個(gè)抽采鉆孔，間距均為2.5 m，其中，A試驗(yàn)區(qū)不進(jìn)行致裂增透，直接連入高負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采，B試驗(yàn)區(qū)在抽采孔中選取2個(gè)作為CO2致裂孔，致裂孔間距20 m，C試驗(yàn)區(qū)在抽采孔中選取3個(gè)作為CO2致裂孔，致裂孔間距10 m，D試驗(yàn)區(qū)在抽采孔中選取5個(gè)CO2致裂孔，致裂孔間距5 m，B，C，D試驗(yàn)區(qū)致裂孔爆破作業(yè)后與本區(qū)內(nèi)其他抽采孔并網(wǎng)連入高負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采。試驗(yàn)期為90 d，抽采期間分別記錄各鉆孔抽采體積分?jǐn)?shù)、負(fù)壓、流量等參數(shù)。各試驗(yàn)區(qū)鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔布置方式見(jiàn)圖1。

3 致裂增透效果考察分析

3.1 煤層透氣性系數(shù)考察

各試驗(yàn)區(qū)在CO2致裂增透前后分別測(cè)定煤層的透氣性系數(shù)，采用徑向流量法進(jìn)行直接測(cè)定，即利用徑向不穩(wěn)定流動(dòng)理論，通過(guò)測(cè)定煤層瓦斯徑向不穩(wěn)定流量來(lái)計(jì)算煤層透氣性系數(shù)，各試驗(yàn)區(qū)透氣性系數(shù)致裂前后測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 鉆孔參數(shù)Table 1 Boreholes layout of each experimental area

圖1 各試驗(yàn)區(qū)鉆孔布置Fig.1 Borehole parameters

試驗(yàn)區(qū)致裂孔間距/m透氣性系數(shù)/(m2·(MPa2·d)-1)致裂前致裂后增幅/%A/0.458//B200.3630.65280C100.4811.245159D50.4372.518476

從表2可以看出，B,C,D試驗(yàn)區(qū)的透氣性系數(shù)均大幅增長(zhǎng)，這是由于CO2相變爆破產(chǎn)生的高能氣體及沖擊波作用于煤體，在煤體中產(chǎn)生大量導(dǎo)通裂隙，并在氣楔作用下，裂隙不斷擴(kuò)展和延伸，瓦斯運(yùn)移通道大幅增加，進(jìn)而煤層透氣性得到提高。在間距20,10,5 m致裂孔的作用下，煤層透氣性分別提高了80%,159%,476%，表明致裂鉆孔布置間距越小，煤層增透作用效果越好，透氣性系數(shù)成倍增長(zhǎng)。

3.2 抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量考察

經(jīng)過(guò)90 d的抽采，考察了各試驗(yàn)區(qū)的抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量，其隨抽采時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖2,3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，未致裂、間距20 m、間距10 m、間距5 m致裂孔致裂條件下的平均抽采體積分?jǐn)?shù)分別為14.8%,28.4%,50.9%,75.8%，平均抽采純量分別為0.28,0.66,1.18,1.73 m3/min?？梢?jiàn)致裂后煤層的抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量較未致裂煤層大幅提高，這是由于CO2的致裂驅(qū)替作用打破了原始煤體的吸附解吸平衡狀態(tài)，根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)吸附理論，煤體對(duì)CO2的吸附性遠(yuǎn)高于對(duì)CH4的吸附性，使得爆破后的CO2能夠滯留，且驅(qū)替置換出大量煤體吸附的CH4，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采量大幅提升。

圖2 抽采體積分?jǐn)?shù)隨抽采時(shí)間變化規(guī)律Fig.2 Variation of extraction volume fraction with extraction time

圖3 抽采純量隨抽采時(shí)間變化規(guī)律Fig.3 Variation of extraction pure quantity with extraction time

4 分區(qū)增透高效抽采技術(shù)應(yīng)用

不同布孔工藝參數(shù)條件下的CO2致裂增透作用規(guī)律研究表明：CO2相變致裂技術(shù)對(duì)煤層增透具有良好的應(yīng)用效果，CO2相變致裂爆生氣體破壞煤層生成大量裂隙，大幅提升煤層透氣性，CO2對(duì)CH4的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用驅(qū)替置換出大量游離瓦斯，抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量顯著提高；致裂孔布孔間距越小，煤層增透的影響作用越強(qiáng)，在設(shè)計(jì)鉆孔直徑113 mm的情況下,與未致裂抽采相比，采用間距20,10,5 m致裂孔致裂條件下進(jìn)行抽采時(shí)煤層透氣性系數(shù)分別提高1.8,2.6,5.8倍，平均抽采體積分?jǐn)?shù)分別提高1.9,3.5,4.2倍，平均抽采純量分別提高2.4,4.2,6.2倍。

利用上述作用規(guī)律，將試驗(yàn)工作面劃分為A,B,C,D 4個(gè)預(yù)抽單元(見(jiàn)圖4)，隨著工作面巷道的不斷推進(jìn)，對(duì)A，B，C，D 4個(gè)預(yù)抽單元逐步采取不致裂抽采、布置間距20 m、布置間距10 m和布置間距5 m致裂孔致裂后抽采的不同程度增透的強(qiáng)化抽采措施，在不增加鉆孔工程量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)越靠近切眼的單元抽采效率越高，有效壓縮試驗(yàn)工作面形成后的預(yù)抽時(shí)間。

試驗(yàn)工作面在未致裂抽采條件下采用普通抽采方法時(shí)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為540 d，采用分區(qū)增透高效抽采技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)各單元抽采達(dá)標(biāo)所需時(shí)間分別為225，129，87 d，整個(gè)工作面形成后僅需抽采87 d即可達(dá)標(biāo)進(jìn)行回采，抽采周期大幅縮短，保證試驗(yàn)工作面安全高效投入生產(chǎn)，避免因預(yù)抽時(shí)間較長(zhǎng)而導(dǎo)致采掘接替緊張。

圖4 工作面分區(qū)高效抽采布置示意Fig.4 Schematic diagram of partitioned high-efficiency extraction arrangement in working face

5 結(jié)論

1)針對(duì)超長(zhǎng)工作面抽采時(shí)間不均衡導(dǎo)致抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了基于CO2相變致裂的分區(qū)增透高效抽采技術(shù)，利用不同布孔工藝參數(shù)條件下CO2相變致裂增透對(duì)低透煤層瓦斯抽采的作用規(guī)律，針對(duì)工作面不同區(qū)域采取不同程度的強(qiáng)化增透措施，大幅縮短了整個(gè)工作面的抽采達(dá)標(biāo)周期，實(shí)現(xiàn)低透工作面高效抽采。

2)不同布孔工藝參數(shù)條件下的CO2致裂增透作用規(guī)律研究表明，CO2相變致裂技術(shù)對(duì)煤層增透具有良好的應(yīng)用效果，在設(shè)計(jì)鉆孔直徑113 mm的情況下，與未致裂抽采相比，采用間距20，10，5 m致裂孔致裂條件下進(jìn)行抽采時(shí)煤層透氣性系數(shù)分別提高1.8，2.6，5.8倍，平均抽采體積分?jǐn)?shù)分別提高1.9，3.5，4.2倍，平均抽采純量分別提高2.4，4.2，6.2倍。

3)試驗(yàn)工作面應(yīng)用分區(qū)增透高效抽采技術(shù)后，整個(gè)工作面形成后僅需抽采87 d即可達(dá)標(biāo)進(jìn)行回采，表明CO2相變致裂技術(shù)對(duì)低透煤層增透促抽效果良好，顯著縮短了抽采周期，對(duì)于促進(jìn)礦井安全高效生產(chǎn)具有重要作用。