李文福，宋戰(zhàn)宏，馬小輝，何 偉，魏高明，劉名陽，劉 蔭

(1.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

煤炭作為我國能源供應領域的支柱型產(chǎn)業(yè)，在我國社會發(fā)展中起到非常重要的作用[1，2]。隨著礦井開采深度的逐漸增加，礦壓劇烈顯現(xiàn)，導致原始煤儲層整體上呈現(xiàn)“高儲低滲”的特征，瓦斯抽采效率低，瓦斯災害治理難度大，嚴重影響到礦井安全高效生產(chǎn)[3，4]。基于此，水力壓裂、水力割縫、高能暴轟波致裂等一系列人工應力改造煤巖體的技術相繼涌現(xiàn)出來，通過現(xiàn)場應用，發(fā)現(xiàn)這些技術都能夠達到改造煤巖體滲透性、提高瓦斯抽采效率的目的[5-7]。然而，上述技術不可避免的在應用過程中都會存在其自身的局限性[8-10]。因此，探索新的技術途徑，提高煤層瓦斯抽采效率是解決深部開采煤層瓦斯災害高效治理的前提。液態(tài)CO2作為一種低溫、低黏度、強滲流且易擴散、相變自增壓的流體，將其帶壓注入煤層，在低溫凍脹力和液態(tài)CO2與煤體傳熱傳質(zhì)相變增壓應力雙重作用下，煤體產(chǎn)生疲勞損傷，提高滲透性[11，12]。而且，基于液態(tài)CO2壓注壓力和瞬時相變應力，液態(tài)CO2與煤層熱交換產(chǎn)生的溫度梯度應力以及氣態(tài)的CO2自身良好的吸附勢能的綜合作用，能夠?qū)γ簩又械耐咚箽怏w產(chǎn)生置換-驅(qū)替雙重作用，促進單位時間內(nèi)煤層中瓦斯的產(chǎn)量[13-15]。孟村煤礦4號煤層為典型的深井開采高瓦斯強沖擊性煤層，采用普通鉆孔抽采為主，風排為輔的方式進行瓦斯災害治理時，存在瓦斯抽采效率低，災害治理難度大的問題。因此，在4號煤層401盤區(qū)401101工作面回風巷預留煤柱處開展液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯技術研究，總結并分析現(xiàn)場試驗關鍵性參數(shù)和瓦斯抽采效果，以期為工藝優(yōu)化和技術推廣應用提供依據(jù)。

1 試驗區(qū)域概況

孟村煤礦礦井最大絕對瓦斯涌出量為151.76m3/min，為高瓦斯礦井。本次工業(yè)試驗選擇在孟村煤礦目前可采的4號煤層401盤區(qū)開展，煤層平均厚度為16.25m，屬于易自燃煤層。經(jīng)過專業(yè)機構鑒定，礦井目前開采的4號煤層整體破壞類型為I～II類，煤質(zhì)堅硬(普氏系數(shù)1.48～2.46)，瓦斯含量高且地質(zhì)條件復雜，瓦斯流量衰減系數(shù)α平均值為0.0382d-1，局部區(qū)域存在強沖擊性，整體判定開采煤層為高瓦斯強沖擊煤層。4號煤層回采前采用以抽采為主，風排為輔的方法預抽瓦斯，存在瓦斯抽采壓力大、抽采鉆孔施工密度大、工序復雜、瓦斯治理成本高、瓦斯災害治理效率低等問題。本次煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯現(xiàn)場試驗選擇在401盤區(qū)401101工作面回風巷預留煤柱處進行，煤柱區(qū)域瓦斯抽采時間長達2年之久，瓦斯抽采效果已經(jīng)達標。因此，選擇在該位置進行現(xiàn)場試驗的目的在于對液態(tài)CO2壓注過程中動力學參數(shù)分析、有效影響半徑及瓦斯抽采效果的考察。

2 液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)及工作面布置

2.1 液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)

液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)主要由液態(tài)CO2槽車、柱塞泵、T3數(shù)據(jù)采集監(jiān)測設備、壓力變送器、耐壓輸送管路、截止閥及泄壓閥等組成，如圖1所示。柱塞泵額定功率12kW，流量1000L/h，最大工作壓力12MPa。T3數(shù)據(jù)采集儀能實現(xiàn)多組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測，本次試驗主要采集孔口壓力、鉆孔內(nèi)部溫度、壓注流量、泵壓等關鍵參數(shù)。壓力變送器量程0～30MPa，主要監(jiān)測壓注過程中孔口壓力變化情況；輸送管路為耐壓0～40MPa的高壓膠管，具有耐高壓耐低溫特性；截止閥、泄壓閥主要用于壓注過程中倒流、泄壓及壓注結束的管路放空。

2.2 工作面布置

孟村煤礦401101工作面回風巷試驗區(qū)域鉆孔布置及具體參數(shù)如圖2所示。為了判定液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯有效影響半徑，試驗設計2個壓注鉆孔(Y-1#、Y-2#)和13個效果檢驗孔(J-1#—J-13#)，試驗鉆孔按照3m、5m、7m、10m、15m、20m、25m的間距布置，鉆孔沿工作面傾向垂直布置，上行孔，設計長度為140m，孔徑113mm。采用膨脹水泥砂漿反復灌注，“兩堵一注”式封孔，鉆孔設計參數(shù)見表1。

圖2 試驗區(qū)鉆孔布置

表1 鉆孔布置參數(shù)

3 液態(tài)CO2壓注關鍵參數(shù)及影響半徑

3.1 煤層注液態(tài)CO2關鍵參數(shù)分析

煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯關鍵參數(shù)見表2。由表2可知，401101回風巷試驗區(qū)域Y-1#孔液態(tài)CO2累計壓注時長為220min，平均流量保持在0.028～0.038m3/min，最大孔口壓力為1.72MPa，液態(tài)CO2壓注累計量為5.0m3。Y-2#孔液態(tài)CO2累計壓注時長為156min，平均流量維持在0.035m3/min，最大孔口壓力為1.5MPa，液態(tài)CO2壓注累計量為4.0m3，試驗區(qū)域累計壓注液態(tài)CO2總量為9.0m3。

表2 煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯關鍵參數(shù)

401101回風巷煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯試驗過程中Y-1#孔、Y-2#孔壓注壓力曲線如圖3所示。煤層注液態(tài)CO2壓力整體變化趨勢為：初始注液升壓→壓力波動→壓力衰減→二次升壓→停止注液降壓。通過分析整個試驗過程中升壓時間、壓力波動時長、波動段壓力峰值以及最大壓力值可知：升壓時間規(guī)律性增長至30min左右時，壓注壓力呈動力學波動，且波動壓力、最大壓力值與波動時間呈反比關系。隨著波動壓力的逐漸增加，對應的波動時間減小，最大壓注壓力相應增大。

圖3 液態(tài)CO2壓注過程中鉆孔壓力曲線

可以看出初始注入液態(tài)CO2充滿鉆孔過程中，液態(tài)CO2與煤體迅速對流換熱，升溫體積膨脹，壓力明顯升高[4]。隨著注液量的增加，壓注壓力保持穩(wěn)定，這是氣、液混合態(tài)CO2向煤體原始裂隙通道運移，CO2沿著有效影響范圍穩(wěn)定輸出的過程[8]。當液態(tài)CO2輸出流量小于CO2在煤層中的滲流、擴散量時，注入壓力呈現(xiàn)短時間衰減。調(diào)節(jié)槽車以最大功率輸出液態(tài)CO2時，液態(tài)CO2輸出流量大于CO2沿著煤層運移流量，試驗區(qū)域出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，孔口壓力二次升高。當槽車液態(tài)CO2停止輸出時，CO2在泵注動力驅(qū)動作用下，迅速滲流、擴散，壓力快速下降。如圖3所示，煤層注液態(tài)CO2試驗保壓期間的降壓速率平均值為0.04 MPa/min，大于壓注過程中的升壓速率。表明停止壓注，煤層自身壓力釋放速率較快，驅(qū)動CO2的運移速率也相應增大。

煤層溫度變化規(guī)律如圖4所示，由圖4可知：煤層平均原始溫度為37 ℃，液態(tài)CO2壓注至30 min時，距Y-2#孔5m處的J-9#鉆孔溫度衰減，在130min時溫度快速降至0 ℃并出現(xiàn)負溫(-20℃)。同時，距離Y-2#孔7m位置處的J-10#鉆孔也出現(xiàn)溫度驟減現(xiàn)象，最大降溫幅度為32℃。隨著液態(tài)CO2壓注過程中與煤層熱交換的迅速進行，煤層溫度快速恢復至原始水平。試驗結果表明：隨著液態(tài)CO2壓注量的增大，由于液態(tài)CO2的低溫屬性，使得J-9#鉆孔(距離Y-2#孔5m)、J-10#鉆孔(距離Y-2#孔7m)附近煤層區(qū)域溫度快速降低，表明低壓注液態(tài)CO2能夠降低煤層溫度。

圖4 煤層溫度變化規(guī)律

結合煤層注液態(tài)CO2關鍵參數(shù)與煤層地質(zhì)狀況，對煤層中CO2運移速率較快的原因做如下分析：①終采線以外煤體破碎帶集中分布，表層裂縫顯見；②試驗區(qū)域瓦斯抽采時間長達2a，抽采區(qū)域瓦斯壓力大大降低，氣、液混合態(tài)CO2沿著煤層滲流、擴散阻力?。虎勖簩悠骄鶞囟仍?0 ℃左右，較高的煤層溫度縮短了注入的液態(tài)CO2向氣態(tài)相變時間，而相變后的氣態(tài)CO2在相變驅(qū)動力作用下在煤體中的運移速率加快。

3.2 煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑

為了測定煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑，工業(yè)試驗測試液態(tài)CO2壓注過程中煤層CO2濃度與溫度變化規(guī)律，判定煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑，結果見表3。液態(tài)CO2滲流-擴散半徑如圖5所示。

圖5 液態(tài)CO2滲流-擴散半徑

表3 煤層液態(tài)CO2過程中鉆孔CO2濃度

當Y-1#孔液態(tài)CO2累計壓注量達到4.0m3時，利用工業(yè)用CO2檢定管測得J-6#孔20m位置處的CO2濃度值達到11.6%(其余20m以內(nèi)鉆孔CO2濃度均大于20%)，遠高于煤層CO2濃度原始值，表明Y-1#孔注液態(tài)CO2時的有效影響半徑可能達到20m。并且，觀測距離Y-1#孔25m處的J-5#孔內(nèi)部CO2濃度為1.6%，低于煤層原始CO2濃度。同樣，當Y-2#孔累計壓注量達到5.0m3時，距離其20m處的J-13#鉆孔CO2濃度超過20%。結合圖5可知：距離Y-2#孔5m的J-9#鉆孔和7m位置處的J-10#鉆孔溫度變化情況，確認本次試驗煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑為20m，其中CO2的液相滲流半徑為5～7m，氣相擴散半徑為20m。

3.3 瓦斯抽采效果分析

瓦斯抽采效果對比如圖6所示，由圖6可以看出，當試驗區(qū)域液態(tài)CO2累計壓注量為9.0m3時，試驗區(qū)域瓦斯抽采濃度和流量均明顯大于原始區(qū)域瓦斯抽采濃度和流量?？梢?，液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯的抽采濃度是原始濃度的3.61倍，抽采流量是原始流量的6.79倍。相比原始瓦斯抽采效果，采用液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯后，工藝效果明顯。

圖6 瓦斯抽采效果對比

3.4 經(jīng)濟效益分析

孟村煤礦4#煤層為高瓦斯煤層，采用綜放開采方式，按照工作面年回采1800m，采前預抽煤層瓦斯需布置鉆孔720個(間距2.5m/個)，孔深140m/個，鉆孔施工成本按70元/m計算，每年使用在采前瓦斯預抽施工成本為：720個×140m/個×70元/m=705.6萬元。

采用液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯技術，鉆孔布置間距10m/個，鉆孔數(shù)量為180個，孔深140m/個，鉆孔施工成本按150元/m計算，其成本為：180個×140m/個×150元/m=378.0萬元。由此可知，采用液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯技術可節(jié)支：705.6-378=327.6萬元。此外，液態(tài)CO2相變增透及驅(qū)替煤層瓦斯技術有效縮短煤層瓦斯抽采達標時間，有效緩解了瓦斯災害對礦井安全生產(chǎn)的影響，技術經(jīng)濟效益明顯。

4 結 語

高瓦斯煤層液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯工業(yè)試驗是在孟村礦4#煤層401盤區(qū)401101工作面回風巷開展，主要對煤層壓注液態(tài)CO2過程中壓力-流量等動力參數(shù)和CO2在煤層中運移的動力學特征進行分析。結果顯示：煤層注液態(tài)CO2過程中壓力-流量等關鍵參數(shù)呈波動特性，而動力學參數(shù)的變化反映出CO2在煤層中的運移力學特征。根據(jù)液態(tài)CO2壓注過程中煤層內(nèi)部CO2濃度和溫度變化規(guī)律，判定孟村礦4#煤層注液態(tài)CO2液相滲流半徑5～7m，氣相擴散半徑為20m。液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯后，抽采濃度提升3.61倍，抽采流量提升6.79倍。相比瓦斯抽采達標時間明顯縮短，工藝技術降低，說明液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯抽采效果明顯。