论文部分内容阅读
[摘 要]针对益新煤矿18#层煤层的高瓦斯低透气性现状，采用了液态CO2预裂技术预裂煤层进行强化抽采，详细分析了液态CO2预裂煤层机理，并在采煤一队工作面进行了工业试验。结果显示：采用液态CO2预裂增透技术后，单孔瓦斯平均抽采体积分数由23.1%增至46.8%，增加了1.03倍，单孔瓦斯平均抽采纯量由0.003m3/min增至0.008m3/min，增加了1.67倍，在很大程度上缩短了瓦斯预抽时间，节约了瓦斯治理费用，为矿井的安全生产提供了保障。
[关键词]矿井，煤层群，开采，瓦斯抽采技术
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0039-01
前言
目前，国内常用的增透措施有炸药预裂爆破、水力压裂、水力冲孔等，这些技术在工程应用方面各有优势和不足，如炸药预裂爆破对其运输、储存、装药参数及工作环境等要求较高；水力压裂施工工艺简单，但其裂隙方向不可控，且裂隙数目较少，增透效果较弱。基于上述问题并结合官地矿当前抽采工艺，决定采用液态CO2预裂爆破技术来提高煤层瓦斯抽采效果。本文详细分析了这一技术预裂原理，并对其增透后的抽采效果进行了分析，以期为同类煤矿瓦斯治理提供技术帮助。
1、预裂增透机理及特点
1.1预裂增透原理
煤层液态CO2预裂过程中，首先泄能片破断，高压CO2气体高速喷出，产生了具有一定破煤能量的冲击波，在孔壁周围一定范围内形成了破碎区和对后续裂隙扩展起关键作用的初始导向裂隙；随后，这种能量急剧下降，冲击波转换为应力波，在这种应力波的作用下，介质质点径向位移，煤体产生拉伸破坏，径向裂隙与粉碎区沟通；随着预裂管內气体的陆续释放，能量进一步下降，此时主要是CO2气体对远端裂隙的压裂作用，这一阶段相对比较缓和，直到能量、压力达到平衡为止。整个预裂过程中，不仅产生了新的裂隙，扩展了原始裂隙，同时大大增加了裂隙之间的连通性，在很大程度上增加了煤层的透气性，并且，由于煤体遭到破碎、CO2气体与CH4气体竞争吸附，促进了CH4的解吸。
1.2预裂增透特点
（1）安全、可靠远距离操作控制，预裂过程为物理过程，不会产生火花，为本质安全型，且CO2具有抵制爆炸和燃烧作用；主体腔材料为高强度合金钢，塑性变形抗力高；化学发热装置符合国际标准，不会引爆可燃气体；CO2流量可控，不会引发超限问题。
（2）能量可控通过调节泄能片破裂强度、泄能阀孔径大小、方向，可使其压力、泄压速度、预裂方向控制在理想范围内。
2、预裂工艺
液态CO2预裂器主要由主体腔、充排气电极阀、化学热反应装置、密封垫、定压泄能片、泄能阀等组成。
预裂器经研发公司统一充装入液态CO2后，运送至试验地点。安全推送至预裂位置，封孔器加压后，通过矿用发爆器在充排气阀上的2个电极上加脉冲电流0.5～2s，装置中的化学反应材料迅速反应产生足量热量，使CO2温度不断升高且压力持续增大，达到设定压力时，定压泄能片破裂，高压CO2气体高速喷出，产生破煤能量。
3、现场试验
3.1工作面概况
采煤一队工作面正巷位于三水平北二石门区，支护方式为锚索支护。18煤层煤厚0.43～4.16m，平均2.65m，倾角1°～10°，平均6°。瓦斯压力0.36MPa，瓦斯含量5.71m/t，残存瓦斯含量1.99m/t，孔隙率2.14%～5.26%，煤层透气性系数0.61527m/（MPa·d），属于可以抽放煤层，百米钻孔瓦斯流量0.0529m/（min·hm），衰减系数0.017108d。采煤一队工作面东北部为采煤三队工作面，与本工作面相距32m煤柱，西南、西北部均为未采区，设计走向长505m，采长100m，采用长壁后退式一次采全高全部垮落的综合机械化采煤方法。
3.2预裂孔间距确定试验
因18煤层采煤一队工作面之前的本煤层顺层水平钻孔间距为5m，所以在采煤一队工作面停采线往里25m内布置5个间距为5m的未预裂孔用以预裂孔抽采期间效果对比分析，并从停采线往里25m处开始布置间距确定试验孔6～10，孔间距从6孔左侧开始分别为5、6、7、8、9m。采煤一队正巷本煤层钻孔间距为8m时，瓦斯抽采浓度，达到了最佳抽采效果。
3.3预裂孔布置
在工作面正巷停采线150m处右侧的位置开始布置，采用密集平行布孔，沿工作面倾向打顺层水平钻孔进行本煤层瓦斯抽采。钻孔倾角0.2°～4.8°，钻孔长度90m，孔间距8m，钻孔开孔直径φ113mm、终孔直径φ94mm、扩孔10m，共施工120个孔，其中17、51、89、105因为钻孔内塌孔严重无法进行CO2增透预裂试验，剩余106个钻孔均进行CO2增透预裂试验。
3.4效果考察分析
在该工作面钻孔全部施工完毕、预裂完毕后，随机选取5个预裂孔和5个未预裂孔，在刚做完增透预裂带入系统时，单孔负压100mmHg的情况下，每隔5d选取抽采数据，连续观测30d。因采煤一队正巷本煤层钻孔未安装单孔流量测定装置，无法直接进行单孔抽采量的测定及收集，所以预裂钻孔流量效果分析采用采煤一队正巷支管路总抽采量除以总钻孔数量得出单孔平均瓦斯抽采量与邻近采煤三队巷道未预裂本煤层钻孔单孔抽采量进行对比分析。
未预裂钻孔在抽采初期单孔瓦斯浓度为25%～30%，经过30d的抽采后，浓度线性下降到了20%以下，经过预裂后的钻孔在抽采初期单孔瓦斯浓度高达60%，经过30d的抽采后，瓦斯浓度依然保持在40%以上，其连续30d单孔平均抽采浓度46.8%，较未预裂钻孔23.1%提高了1.03倍。邻近采煤三队正巷未预裂本煤层钻孔支管路平均抽采量0.852m/min，平均单孔抽采量为0.003m/min（260个带抽钻孔），而采煤一队正巷本煤层钻孔支管路平均抽采量1.297m/min。
平均单孔抽采量为0.008m/min，较采煤三队正巷未预裂钻孔提高了1.67倍。
采煤一队正巷采用液态CO2预裂技术后，抽采效果得到了明显提升。分析其原因，未预裂的抽采孔由于其有效抽采半径小，且瓦斯运移通道少，所以只有抽采初期，瓦斯浓度还算可观，当有限的有效抽采半径内瓦斯抽采到一定程度后，其抽采便相当困难。而预裂过的抽采孔不仅在抽采初期瓦斯浓度大，经过30d的抽采后，依然保持较高水平，这是因为在预裂时，抽采孔内裂隙的发育，为瓦斯运移提供了通道，大大增加了煤层透气性，且煤层对CO2气体的吸附能力远大于CH4气体，所以在抽采初期高压力游离CO2气体的驱替作用下，大量的吸附CH4被解吸出来。另外，CO2气体在煤层中的运移速度要大于CH4气体，这就导致了较长时间内，抽采孔内会保持高流量的CH4气体。随着时间的推移，游离CO2浓度下降，吸附平衡，作用下降，且有些裂隙开始闭合，CH4解吸困难、运移阻力增大，所以流量开始逐渐下降。
4、结语
（1）介绍了液态CO2预裂增透机理及特点，该技术不仅促进了裂隙的产生、扩展，沟通了其连通性，有效增加了煤层透气性，并且由于CO2与CH4的竞争吸附作用，使得大量CH4解吸，大大提高了抽采效率。
（2）现场试验情况表明，该技术在该条件下的有效抽采半径为8m，是试验前的1.6倍，既减少了钻孔工程量，又缩短了施工周期，具有较好的经济效益。
（3）在采煤一队正巷进行了CO2预裂增透试验，效果明显，单孔瓦斯平均抽采体积分数由23.1%增至46.8%，增加了1.03倍，单孔瓦斯平均抽采纯量由0.003m/min增至0.008m/min，增加了1.67倍，为该技术的推广提供了现场指导。
参考文献：
[1]申宝宏，刘见中，雷毅.我国煤矿区煤层气开发利用技术现状及展望[J].煤炭科学技术，2017，43（2）：1-4.
[关键词]矿井，煤层群，开采，瓦斯抽采技术
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0039-01
前言
目前，国内常用的增透措施有炸药预裂爆破、水力压裂、水力冲孔等，这些技术在工程应用方面各有优势和不足，如炸药预裂爆破对其运输、储存、装药参数及工作环境等要求较高；水力压裂施工工艺简单，但其裂隙方向不可控，且裂隙数目较少，增透效果较弱。基于上述问题并结合官地矿当前抽采工艺，决定采用液态CO2预裂爆破技术来提高煤层瓦斯抽采效果。本文详细分析了这一技术预裂原理，并对其增透后的抽采效果进行了分析，以期为同类煤矿瓦斯治理提供技术帮助。
1、预裂增透机理及特点
1.1预裂增透原理
煤层液态CO2预裂过程中，首先泄能片破断，高压CO2气体高速喷出，产生了具有一定破煤能量的冲击波，在孔壁周围一定范围内形成了破碎区和对后续裂隙扩展起关键作用的初始导向裂隙；随后，这种能量急剧下降，冲击波转换为应力波，在这种应力波的作用下，介质质点径向位移，煤体产生拉伸破坏，径向裂隙与粉碎区沟通；随着预裂管內气体的陆续释放，能量进一步下降，此时主要是CO2气体对远端裂隙的压裂作用，这一阶段相对比较缓和，直到能量、压力达到平衡为止。整个预裂过程中，不仅产生了新的裂隙，扩展了原始裂隙，同时大大增加了裂隙之间的连通性，在很大程度上增加了煤层的透气性，并且，由于煤体遭到破碎、CO2气体与CH4气体竞争吸附，促进了CH4的解吸。
1.2预裂增透特点
（1）安全、可靠远距离操作控制，预裂过程为物理过程，不会产生火花，为本质安全型，且CO2具有抵制爆炸和燃烧作用；主体腔材料为高强度合金钢，塑性变形抗力高；化学发热装置符合国际标准，不会引爆可燃气体；CO2流量可控，不会引发超限问题。
（2）能量可控通过调节泄能片破裂强度、泄能阀孔径大小、方向，可使其压力、泄压速度、预裂方向控制在理想范围内。
2、预裂工艺
液态CO2预裂器主要由主体腔、充排气电极阀、化学热反应装置、密封垫、定压泄能片、泄能阀等组成。
预裂器经研发公司统一充装入液态CO2后，运送至试验地点。安全推送至预裂位置，封孔器加压后，通过矿用发爆器在充排气阀上的2个电极上加脉冲电流0.5～2s，装置中的化学反应材料迅速反应产生足量热量，使CO2温度不断升高且压力持续增大，达到设定压力时，定压泄能片破裂，高压CO2气体高速喷出，产生破煤能量。
3、现场试验
3.1工作面概况
采煤一队工作面正巷位于三水平北二石门区，支护方式为锚索支护。18煤层煤厚0.43～4.16m，平均2.65m，倾角1°～10°，平均6°。瓦斯压力0.36MPa，瓦斯含量5.71m/t，残存瓦斯含量1.99m/t，孔隙率2.14%～5.26%，煤层透气性系数0.61527m/（MPa·d），属于可以抽放煤层，百米钻孔瓦斯流量0.0529m/（min·hm），衰减系数0.017108d。采煤一队工作面东北部为采煤三队工作面，与本工作面相距32m煤柱，西南、西北部均为未采区，设计走向长505m，采长100m，采用长壁后退式一次采全高全部垮落的综合机械化采煤方法。
3.2预裂孔间距确定试验
因18煤层采煤一队工作面之前的本煤层顺层水平钻孔间距为5m，所以在采煤一队工作面停采线往里25m内布置5个间距为5m的未预裂孔用以预裂孔抽采期间效果对比分析，并从停采线往里25m处开始布置间距确定试验孔6～10，孔间距从6孔左侧开始分别为5、6、7、8、9m。采煤一队正巷本煤层钻孔间距为8m时，瓦斯抽采浓度，达到了最佳抽采效果。
3.3预裂孔布置
在工作面正巷停采线150m处右侧的位置开始布置，采用密集平行布孔，沿工作面倾向打顺层水平钻孔进行本煤层瓦斯抽采。钻孔倾角0.2°～4.8°，钻孔长度90m，孔间距8m，钻孔开孔直径φ113mm、终孔直径φ94mm、扩孔10m，共施工120个孔，其中17、51、89、105因为钻孔内塌孔严重无法进行CO2增透预裂试验，剩余106个钻孔均进行CO2增透预裂试验。
3.4效果考察分析
在该工作面钻孔全部施工完毕、预裂完毕后，随机选取5个预裂孔和5个未预裂孔，在刚做完增透预裂带入系统时，单孔负压100mmHg的情况下，每隔5d选取抽采数据，连续观测30d。因采煤一队正巷本煤层钻孔未安装单孔流量测定装置，无法直接进行单孔抽采量的测定及收集，所以预裂钻孔流量效果分析采用采煤一队正巷支管路总抽采量除以总钻孔数量得出单孔平均瓦斯抽采量与邻近采煤三队巷道未预裂本煤层钻孔单孔抽采量进行对比分析。
未预裂钻孔在抽采初期单孔瓦斯浓度为25%～30%，经过30d的抽采后，浓度线性下降到了20%以下，经过预裂后的钻孔在抽采初期单孔瓦斯浓度高达60%，经过30d的抽采后，瓦斯浓度依然保持在40%以上，其连续30d单孔平均抽采浓度46.8%，较未预裂钻孔23.1%提高了1.03倍。邻近采煤三队正巷未预裂本煤层钻孔支管路平均抽采量0.852m/min，平均单孔抽采量为0.003m/min（260个带抽钻孔），而采煤一队正巷本煤层钻孔支管路平均抽采量1.297m/min。
平均单孔抽采量为0.008m/min，较采煤三队正巷未预裂钻孔提高了1.67倍。
采煤一队正巷采用液态CO2预裂技术后，抽采效果得到了明显提升。分析其原因，未预裂的抽采孔由于其有效抽采半径小，且瓦斯运移通道少，所以只有抽采初期，瓦斯浓度还算可观，当有限的有效抽采半径内瓦斯抽采到一定程度后，其抽采便相当困难。而预裂过的抽采孔不仅在抽采初期瓦斯浓度大，经过30d的抽采后，依然保持较高水平，这是因为在预裂时，抽采孔内裂隙的发育，为瓦斯运移提供了通道，大大增加了煤层透气性，且煤层对CO2气体的吸附能力远大于CH4气体，所以在抽采初期高压力游离CO2气体的驱替作用下，大量的吸附CH4被解吸出来。另外，CO2气体在煤层中的运移速度要大于CH4气体，这就导致了较长时间内，抽采孔内会保持高流量的CH4气体。随着时间的推移，游离CO2浓度下降，吸附平衡，作用下降，且有些裂隙开始闭合，CH4解吸困难、运移阻力增大，所以流量开始逐渐下降。
4、结语
（1）介绍了液态CO2预裂增透机理及特点，该技术不仅促进了裂隙的产生、扩展，沟通了其连通性，有效增加了煤层透气性，并且由于CO2与CH4的竞争吸附作用，使得大量CH4解吸，大大提高了抽采效率。
（2）现场试验情况表明，该技术在该条件下的有效抽采半径为8m，是试验前的1.6倍，既减少了钻孔工程量，又缩短了施工周期，具有较好的经济效益。
（3）在采煤一队正巷进行了CO2预裂增透试验，效果明显，单孔瓦斯平均抽采体积分数由23.1%增至46.8%，增加了1.03倍，单孔瓦斯平均抽采纯量由0.003m/min增至0.008m/min，增加了1.67倍，为该技术的推广提供了现场指导。
参考文献：
[1]申宝宏，刘见中，雷毅.我国煤矿区煤层气开发利用技术现状及展望[J].煤炭科学技术，2017，43（2）：1-4.