張海東

（山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000）

引言

礦井瓦斯突出一直嚴重威脅我國煤礦安全生產(chǎn)，若回采煤層為透氣性差、突出危險性大的煤層時，會面臨較大的瓦斯治理壓力[1-3]。為了消除礦井高突低透危險性問題，我國專家學(xué)者進行了大量研究工作，主要圍繞煤層突出危險性方面展開[4-6]。研究方向有：

1）水力化措施增強煤層透氣性，包括水力壓裂和水力割縫措施。

2）CO2致裂增透技術(shù)增強煤層透氣性。

3）瓦斯治理綜合技術(shù)措施，增透措施結(jié)合合理通風(fēng)[7-13]。

之前的研究主要針對具體礦井進行工程實例研究，或關(guān)于礦井瓦斯運移規(guī)律進行研究，關(guān)于具體礦井瓦斯運移規(guī)律及治理措施合理選擇方面的研究較少。

貴州中嶺煤礦11034 工作面運輸順槽掘進過程中，瓦斯抽采長期無法達標，為解決該巷道瓦斯災(zāi)害問題，對現(xiàn)場煤層地質(zhì)情況及透氣性進行分析，采用數(shù)值模擬的方法對抽采區(qū)域瓦斯抽采情況進行分析，選擇合適致裂增透措施增加煤層透氣性，進行增透措施效果考察。

1 工程概況

11034 工作面主采煤層為3 號，煤層平均厚度3 m，煤層原始瓦斯含量為18 m3/t。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度12 m，煤層底板為泥巖，平均厚度16 m。11034 工作面走向長度870 m，切眼長度180 m，工作面采用走向長壁綜合機械化走向長壁開采。目前工作面處于掘進狀態(tài)，工作面尚未貫通。11034 運輸順槽掘進至120 m，巷道掘進瓦斯抽采預(yù)抽14 d 后，進行K1值和殘余瓦斯含量檢測，檢測結(jié)果如表1 所示。抽采鉆孔、取樣鉆孔設(shè)計如圖1 所示，鉆孔參數(shù)如表2所示。根據(jù)殘余瓦斯含量和K1值，抽采14 d 后，掘進區(qū)域殘余瓦斯含量均>臨界值8 m3/t，K1值均>臨界值0.5 mL/（g·min1/2），抽采不達標。

表1 K1 值及殘余瓦斯含量檢測表

表2 鉆孔參數(shù)表

2 瓦斯抽采分析

2.1 瓦斯抽采情況分析

為分析瓦斯治理過程中基本情況，對11034 運輸順槽掘進區(qū)域主管路瓦斯抽采濃度和流量進行監(jiān)測，監(jiān)測周期為14 d。監(jiān)測結(jié)果如下頁圖2 所示。

由圖2 可知，瓦斯抽采管路抽采濃度整體衰減較快，最大瓦斯?jié)舛龋w積分數(shù)，下同）為30%，14 d 后衰減到2%。抽采流量整體衰減速度較快，抽采初始最大抽采流量為2.1 m3/min，抽采時間持續(xù)14 d 后抽采流量衰減到0.3 m3/min。出現(xiàn)瓦斯?jié)舛群土髁克p的主要原因為煤層透氣性差，抽采鉆孔施工完成后，抽采半徑比較小，鉆孔周邊的裂隙范圍比較小，因此出現(xiàn)抽采一段時間后濃度、流量衰減比較大的現(xiàn)象。

2.2 數(shù)值模擬及分析

瓦斯抽采效果差的主要原因為煤層透氣性差，導(dǎo)致抽采半徑小，為研究3 號煤層瓦斯抽采半徑，現(xiàn)對該區(qū)域瓦斯抽采半徑進行數(shù)值模擬研究。本次數(shù)值模擬采用耦合模擬軟件COMSOL Multiphysics。由于煤層是多孔介質(zhì)，瓦斯在煤層中以游離態(tài)和吸附態(tài)存在，瓦斯抽采半徑研究必須考慮煤體和瓦斯雙介質(zhì)的共存特征。該區(qū)域煤體低溫較小，無煤層自燃現(xiàn)象，因此，不考慮溫度對煤體滲流規(guī)律的影響，本次選用流固耦合模塊。假設(shè)3 號煤層為均勻多孔介質(zhì)，僅考慮煤層中瓦斯?jié)B流，不考慮煤層中水滲流的影響。現(xiàn)場取3 號煤層樣本帶到實驗室，測試相關(guān)模擬參數(shù)。邊界地應(yīng)力為20 MPa。假設(shè)鉆孔周邊抽采負壓均勻，皆為101 kPa，模擬得出鉆孔周邊瓦斯含量分布情況及2 號鉆孔10 m 位置周邊瓦斯含量曲線如圖3 所示。

由圖3 可知，11034 運輸順槽前方存在瓦斯抽采空白帶，根據(jù)圖3-1 瓦斯含量分布云圖可知，11034運輸順槽前方0～40 m 范圍，巷道設(shè)計掘進輪廓線左、右?guī)?5 m 范圍存在煤層瓦斯含量和原始瓦斯含量相等（即未抽采區(qū)域），40～100 m 范圍，抽采鉆孔之間存在未抽采區(qū)域，鉆孔孔底位置抽采空白帶面積最大。瓦斯抽采過程中，鉆孔內(nèi)部抽采負壓會存在壓降現(xiàn)象，因此，孔底位置抽采空白帶面積最大。通過瓦斯含量分布云圖，可定性分析瓦斯抽采空白帶分布位置及變化情況。

為確定瓦斯抽采半徑，需對鉆孔周邊瓦斯含量進行定量分析，定量分析如圖3-2 所示。0～1 m 區(qū)間范圍，瓦斯含量與孔壁距離呈現(xiàn)線性遞增趨勢，1 號、5號鉆孔遞增量和遞增速度均比2 號、3 號、4 號鉆孔大，1 號、5 號鉆孔在1 m 位置瓦斯含量達到18 m3/t（即原始煤層瓦斯含量），2 號、3 號、4 號鉆孔1 m 位置瓦斯含量為14 m3/t，在5 m 位置點瓦斯含量到達原始煤層瓦斯含量。由于1 號鉆孔、5 號鉆孔一側(cè)均無抽采鉆孔，不會出現(xiàn)瓦斯抽采互相影響區(qū)域。2 號、3號和4 號鉆孔抽采兩側(cè)均存在抽采鉆孔，會出現(xiàn)瓦斯抽采區(qū)域耦合現(xiàn)象。因此，將1 號鉆孔、5 號鉆孔周邊瓦斯含量情況作為單個鉆孔抽采半徑依據(jù)較為可靠。礦井瓦斯抽采影響半徑為0～1 m，根據(jù)2 號、3 號、4號鉆孔周邊瓦斯含量增大的速度可知，鉆孔兩側(cè)均有抽采鉆孔的情況下，在瓦斯抽采有效范圍內(nèi)形成了能量耦合的現(xiàn)象，從而增加了瓦斯抽采有效范圍。巷道前面40～100 m 范圍內(nèi)存在未擾動區(qū)，100 m 位置鉆孔終孔位置抽采影響區(qū)域極小。

通過綜合分析，目前11034 運輸順槽存在抽采效果差、抽采濃度低、抽采流量小的現(xiàn)象，抽采濃度和抽采流量衰減快、抽采半徑小的問題。解決該問題的主要方式為增加煤層瓦斯抽采半徑。

3 致裂增透措施及效果考察

根據(jù)目前抽采情況分析，煤層透氣性差，抽采濃度、抽采流量衰減比較快，需要實施致裂增透措施，由圖3 可知，能量耦合效果最大影響范圍為4 m，因此，考慮最終增透效果，將致裂增透措施鉆孔終孔間距控制在6 m 范圍內(nèi)。

我國目前被廣泛應(yīng)用的增透技術(shù)有CO2致裂增透技術(shù)、水力壓裂技術(shù)、水力割縫技術(shù)和深孔預(yù)裂爆破技術(shù)等。水力化措施使用的主要設(shè)施有加壓泵站、水倉，設(shè)備比較大，工序較為繁瑣，靈活性較差。深孔預(yù)裂爆破技術(shù)需要使用炸藥、雷管等爆破用品，使用過程中需要專業(yè)爆破人員進行現(xiàn)場實施，裝藥過程中一旦塌孔，將炸藥留置在鉆孔中極易形成危險源。CO2致裂增透技術(shù)所使用的介質(zhì)為液態(tài)CO2，將液態(tài)CO2存儲在致裂器中，通過快速釋放CO2，產(chǎn)生應(yīng)力波，最終起到增透作用。同時CO2可以置換出瓦斯氣體，對于瓦斯抽采具雙重作用。綜上所述，基于安全因素、可操作性等，選用致裂增透措施為CO2致裂增透技術(shù)。

3.1 CO2 致裂增透技術(shù)

研究表明：CO2在7.2 MPa、31 ℃情況下以液態(tài)形式存在，60 kJ 的能量可以將1 kJ 的液態(tài)CO2汽化。溫度超過31 ℃時，液態(tài)CO2在40 ms 內(nèi)汽化，汽化過程中會產(chǎn)生高壓波，對煤層產(chǎn)生致裂增透效果，提高瓦斯抽查效率。CO2對煤炭具有吸附作用，吸附特性高于瓦斯氣體的吸附能力，實驗研究表明CO2對煤層的吸附能力是瓦斯的4 倍。

CO2致裂增透措施使用的設(shè)備如圖4 所示。每根致裂器長度2 m，安裝到致裂鉆孔中，每個鉆孔安裝致裂器14 根，致裂孔設(shè)計如圖5 所示，鉆孔參數(shù)如表3 所示。

表3 致裂孔參數(shù)表

工程實施步驟：致裂器組裝→液態(tài)CO2氣體充裝→井下安裝→起爆致裂。

1）致裂器組裝：致裂增透設(shè)備主要有充氣閥、主管、發(fā)熱裝置、泄能閥和電極。各部件按照組裝順序進行組裝，每次組裝必須檢查電路并進行導(dǎo)通工序。

2）液態(tài)CO2氣體充裝：CO2致裂器設(shè)備充填裝置有空壓機、增壓泵、充裝架和液態(tài)CO2鋼瓶等。

充裝流程：使用增壓泵將液態(tài)CO2進行加壓后填充到特質(zhì)致裂器儲液管中，致裂器儲液管內(nèi)液態(tài)CO2壓力保持在8～10 MPa 之間。

3）井下安裝：將致裂器運輸?shù)骄伦鳂I(yè)位置點，井下連接安裝。致裂器收尾按照次序依次連接，每連接一節(jié)均需要檢查電路，確保致裂器連接完畢后無電路故障。

推入孔內(nèi)的致裂器必須達到設(shè)計數(shù)量要求，推送完畢后將封孔器和致裂器連接，封孔器尾部連接高壓管路，同時推送入孔內(nèi)，推送過程中防止高壓管路和連接線斷裂。使用的爆破線放置在頂桿上部，推進過程中隨著頂桿一起送入。當致裂器推送到設(shè)計深度后停止推送作業(yè)?？變?nèi)所有設(shè)備連接完成，致裂器推送到位，測量線路導(dǎo)通情況，確定線路通暢后，使用高壓打壓管路至注水壓力泵，觀測管路壓力，封孔壓力為6～8 MPa，注水壓力達到設(shè)定的壓力后調(diào)試頂桿，設(shè)置頂桿軸力阻力，致裂器整體固定完畢。

4）起爆致裂：致裂器固定完畢后，測量電路導(dǎo)通后，使用礦用低壓（9 V）起爆器啟動致裂裝置，起爆作業(yè)完成后，觀測周邊觀察孔內(nèi)瓦斯壓力情況，為保證CO2釋放效果，致裂器起爆后封孔器不立即卸壓，保壓15 min 左右，以保證致裂增透效果。

起爆后，CO2溫度不斷升高且壓力持續(xù)增大，突破了CO2的氣液變化臨界點（31 ℃、7.35 MPa），管內(nèi)CO2由氣—液兩相轉(zhuǎn)化為次臨界狀態(tài)及超臨界狀態(tài)。主管內(nèi)急劇升高的壓力最終達到定壓剪切片極限強度（可設(shè)定），高壓CO2沖破定壓剪切片從釋放管釋放，瞬間噴出的超臨界CO2在煤體內(nèi)產(chǎn)生了以應(yīng)力波和爆生氣體為主要動力的破煤能量。在應(yīng)力波作用下，介質(zhì)質(zhì)點產(chǎn)生徑向位移，由此在煤體中產(chǎn)生徑向壓縮和切向拉伸，當切向拉伸應(yīng)力超過煤的抗拉強度時，會產(chǎn)生徑向裂隙。在應(yīng)力波向煤體深部傳播的同時，爆生氣體緊隨其后迅速膨脹，進入由應(yīng)力波產(chǎn)生的徑向裂隙中，由于氣體的尖劈作用，使裂隙繼續(xù)擴展。隨著裂隙的不斷擴展，爆生氣體壓力迅速降低。當壓力降到一定程度時，煤體開裂的應(yīng)力因子小于煤體的斷裂韌性，裂隙停止擴展。最終，在鉆孔周圍形成一片透氣性高、裂隙發(fā)育的區(qū)域，從而達到致裂爆破的目的。

3.2 效果考察

致裂增透后在原抽采設(shè)計基礎(chǔ)上施工瓦斯抽采鉆孔，對2 號鉆孔瓦斯抽采濃度、抽采流量進行為期30 d 的考察，考察結(jié)果如下頁圖6 所示。

由下頁圖6 可知，在為期30 d 的瓦斯抽采濃度、抽采流量效果考察過程中發(fā)現(xiàn)，最大瓦斯抽采濃度為96%，最小抽采濃度為85%，60 d 衰減率為9%。抽采流量波動較小，最大抽采流量為3 m3/min，最小抽采流量為2 m3/min。抽采效果明顯提高，和未實施致裂增透措施前對比，最大抽采濃度增加了2.2 倍，整體抽采流量波動比較小，增透措施效果明顯。CO2致裂增透措施措施實施過程中未出現(xiàn)安全問題，技術(shù)措施安全可靠。

4 結(jié)語

為系統(tǒng)研究低透氣性煤層瓦斯治理問題，采用數(shù)值模擬運算計算抽采半徑，跟蹤考察抽采參數(shù)變化，實施致裂增透措施，并進行后期效果考察，得到以下結(jié)論：

1）原始煤層透氣性差，抽采效果差，最大抽采濃度30%。

2）數(shù)值模擬研究結(jié)果顯示原始煤層抽采半徑為1 m，抽采半徑較小。

3）實施CO2致裂增透措施后，抽采濃度提高了2.2 倍，增透效果明顯。

CO2致裂增透技術(shù)有效解決了低透氣煤層抽采困難的問題，研究結(jié)果和研究方法對于其他礦井瓦斯治理具有一定指導(dǎo)意義和現(xiàn)實意義。