CO2预裂增透技术在高瓦斯低透气性煤层中的应用

杨晓国

(山西潞安集团余吾煤业有限公司,山西省长治市,046103)

CO2预裂增透技术在高瓦斯低透气性煤层中的应用

杨晓国

(山西潞安集团余吾煤业有限公司,山西省长治市,046103)

针对潞安集团余吾煤业公司3＃主采煤层瓦斯含量大、煤层透气性低的特点,在S1206工作面开展CO2预裂增透技术试验,用以增强瓦斯抽采效果。介绍了CO2预裂增透技术的基本原理、技术特点,并通过现场试验研究了该技术的施工工艺、作用效果和影响范围等,结果表明:CO2预裂增透技术能够显著提高煤层瓦斯的抽采效果,试验孔的瓦斯抽采量平均提高了81%,同时,钻屑瓦斯解吸指标K1值显著降低,有效缩短了掘进周期,能够较好地满足低透气性煤层卸压增透的要求。

CO2预裂增透技术 瓦斯抽采 钻屑瓦斯解吸指标 影响范围

随着煤炭开采强度和深度的增加,煤炭资源开采过程中瓦斯灾害现象愈发显著,煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出等现象时有发生,严重威胁井下员工的生命安全与高效生产。尤其是煤与瓦斯突出,往往造成大量的人员伤亡,产生较为严重的社会和经济影响。解决高瓦斯煤层突出危险性最为直接的方法是对煤层瓦斯进行预先抽采,降低煤层瓦斯压力和含量,实现对煤层的卸压增透。而低透气性煤层存在抽采钻孔密集、瓦斯抽采周期长的问题,难以满足大规模集约化生产的要求。因此,强化瓦斯抽采,实现煤层的快速卸压增透是解决高瓦斯、低透气性煤层瓦斯灾害的重要手段。

现有的强化瓦斯抽采技术主要有水力压裂、水力割缝、千米钻机定向钻进、CO2预裂等,这些技术在不同条件下对提高煤层瓦斯抽采效率都有不同的效果,其中CO2预裂增透技术是近些年来提出的一种新型的强化瓦斯抽采的技术。该技术的基本原理是将装有超临界的CO2的高压CO2爆破管送入煤层钻孔,封孔之后,通过与CO2爆破管相连接的低压电触发装置引爆超临界CO2爆破管,CO2短时间内迅速气化释放。超临界CO2对含瓦斯煤层主要有两方面作用,一是利用CO2在煤层中受热发生相变,产生的巨大膨胀压力对煤层的原有裂隙产生张性破坏,增加了瓦斯在煤层中运移的通道;二是利用煤对CO2的高吸附性,煤对CO2的吸附能力为CH4的2倍,CO2分子在煤表面与CH4竞争吸附,将吸附在煤表面的CH4分子替换,使更多的吸附态瓦斯转化为游离态。利用CO2这两方面的作用,CO2预裂增透技术一方面将促进瓦斯的解吸,使得更多的吸附态的瓦斯从煤的表面解放出来,另一方面,利用高压CO2对煤体的破坏,增加煤层内瓦斯的流动通道,提高了煤层透气性,实现高瓦斯低透气性煤层快速卸压增透的目的。

1 现场概况

余吾煤业有限公司位于山西省屯留县,矿井设计生产能力为600万t/a。矿井主采3＃煤层,该煤层赋存于二叠系山西组地层中下部,为陆相湖泊沉积,煤层厚度为4.96～7.25 m,平均煤厚为6 m。试验地点选择南翼回风大巷东侧的S1206工作面,工作面长300 m,走向长度1822 m,可采长度1551 m,可采储量373万t。S1206工作面采用两进两回方式布置。回风巷道与瓦斯排放巷之间保护煤柱宽35 m,带式输送机巷与进风巷之间保护煤柱宽35 m,工作面瓦斯排放巷与回风巷每50 m布置一条横贯,工作面切眼采用主、辅切眼方式布置,如图1所示。

图1 S1206工作面概况

S1206工作面开采层平均瓦斯含量为7.9 m3/t,开采层残存瓦斯量2.5 m3/t。2011年余吾煤业公司委托中国矿业大学(北京)对S1206工作面进行了瓦斯参数测定,测定结果见表1。

表1 S1206进风巷道与回风巷道瓦斯参数

2 现场应用及分析

针对S1206工作面的实际情况,为探究CO2预裂增透技术的效果及有效影响范围等相关规律, 2012年4月—6月期间,分别在S1206回风巷和进风巷开展了CO2预裂增透试验。

2.1 S1206回风巷预裂增透试验

S1206回风巷试验过程如下:首先在巷道轮廓线的两侧左右各1 m处钻场区域沿巷道掘进方向施工钻孔,钻孔的开孔高度为1.4 m,设计孔深80 m,孔径113 mm。抽采孔位于预裂孔的两侧,每侧施工3行2列抽采孔,预裂孔与抽采孔的施工相对位置如图2所示。预裂孔与抽采孔都采用水泥砂浆注浆封孔的方式进行封堵,有效封孔长度分别为20 m和10 m,试验钻孔参数如表2所示。

完成钻孔施工之后,将抽采孔直接连入瓦斯抽采管网进行抽采,安排专人每天对试验区抽采孔的瓦斯流量和浓度进行观测和记录,保证抽采管网顺畅,抽采负压不低于14 k Pa,观测时间持续8 d,之后对1＃和2＃试验孔进行CO2预裂增透试验,继续观测瓦斯抽采参数。为缩短掘进预抽时间,提高抽采效率,18 d之后在掘进面正头处施工抽采钻孔,将该孔一同并入瓦斯抽采管网,掘进工作面瓦斯抽采纯流量变化如图3所示。

根据试验所观测的数据(图3)可以看出,在试验前,初始时刻抽采孔瓦斯抽采纯流量较大,接近0.4 m3/min,但是衰减较快,8 d之后瓦斯抽采量降至0.21 m3/min,衰减了约48%;随后开展CO2预裂增透试验,试验之后继续对抽采孔抽采,瓦斯抽采量开始逐渐增加,增加效果明显,试验后的第5 d达到抽采量的最大值0.38 m3/min,比试验前提高了81%,之后开始逐渐衰减;在正头处增加抽采孔之后,瓦斯抽采总量也随之增加,持续一段时间后开始波动下降,之后趋于平稳,但总体保持在较高水平,抽采30 d之后,瓦斯抽采纯流量依旧保持在0.3 m3/min左右。

钻屑瓦斯解吸指标K1值主要反映煤体释放瓦斯能力的指标,K1值越大表征煤的瓦斯含量大,破坏类型越高,瓦斯解吸速度快,则愈易发生瓦斯突出。在试验前后分别在掘进工作面取样,测量钻屑瓦斯解吸指标K1值,对比分析煤层CO2预裂前后K1值变化及K1值在掘进作业过程的变化情况,测得的结果如图4所示。

图2 S1206回风巷钻孔设计方位图

表2 S1206回风巷试验钻孔基本参数

图3 S1206回风巷试验孔瓦斯抽采纯量

图4 试验区域钻屑解吸指标K1值变化情况

从图4可以看出,预抽之前钻屑瓦斯解吸指标K1值约为0.5,实施预抽及预裂之后钻屑瓦斯解吸指标值明显降低,最低降至0.26,很大程度上消除了掘进工作面潜在的突出危险性,完成预抽之后开始正常掘进作业,K1值开始逐渐增加,完成一个掘进周期(80 m)后,钻屑瓦斯解吸值升至0.4。采用CO2预裂增透试验之后,有效提高了工作面的瓦斯抽采效率,降低了掘进过程的突出危险性,提高了掘进速率。

2.2 S1206进风巷平行孔预裂增透试验

为了进一步研究CO2预裂孔的有效影响范围,在S1206进风巷实施平行钻孔CO2预裂增透试验,分别沿煤层顺层施工两组CO2预裂孔3＃和4＃预裂孔,在3＃预裂孔一侧施工7个平行于预裂孔的瓦斯抽采钻孔,相邻抽采孔水平间距为1 m,抽采孔与预裂孔的水平间距为2～8 m不等;4＃预裂孔一侧共施工6个预裂孔,布置方式与3＃预裂孔类似,抽采孔与4＃预裂孔的水平间距为3～8 m。S1206进风巷平行孔预裂增透试验钻孔布置如图5所示。

图5 S1206进风巷平行孔预裂增透试验钻孔布置图

分别在3＃孔和4＃孔进行CO2预裂增透试验,完成试验之后,开始对每个抽采孔的瓦斯抽采参数进行连续观测20 d,统计得到20 d内抽采孔累积抽采瓦斯纯流量Q20,瓦斯抽采纯流量采用每天观测瞬时瓦斯抽采流量和浓度,然后进行20 d累加的方式,由式(1)求得:

式中:qn——第n天抽采孔瞬时瓦斯抽采流量, m3/min;

cn——第n天抽采孔瞬时瓦斯抽采浓度,%。

根据统计结果,3＃和4＃预裂孔试验区域钻孔20 d瓦斯抽采纯流量如图6所示。

图6 试验孔20 d累积抽采流量统计

从20 d累积统计的结果(图6)可以看出, 3＃预裂孔和4＃预裂孔基本符合同一规律,距离CO2预裂孔越近,瓦斯抽采纯流量越高,超过一定范围之后瓦斯抽采纯量基本稳定,可以认为是试验影响不明显的区域。基于此可以认为3＃预裂孔周围的3＃－1、3＃－2、3＃－3和3＃－4抽采孔和4＃预裂孔周围的4＃－1、4＃－2和4＃－3抽采孔受试验影响明显,处于CO2预裂增透试验有效影响范围,而抽采孔3＃－5、3＃－6、3＃－7、4＃－4、4＃－5、4＃－6处于试验孔有效影响范围之外,从而得到该试验条件下,CO2预裂有效作用半径约为5 m。

3 结论

(1)介绍了CO2预裂增透技术治理瓦斯灾害问题的基本原理和特点,该技术一方面可以促进煤层裂隙的产生和扩展,增加了瓦斯的流动通道,有效提高了煤层的透气性,另一方面,利用CO2与CH4的竞争吸附作用,促使吸附态的瓦斯转化为游离态,有利于煤层瓦斯的高效抽采。

(2)在S1206回风巷开展了CO2预裂增透试验,效果显著,瓦斯抽采纯量由试验前的0.21 m3/min增加到0.38 m3/min,提高了约81%,并在较高流量条件下持续较长时间;同时在本循环80 m掘进作业工程中,钻屑解吸指标K1值长时间保持在较低值,由预抽前的0.5最低降至0.26,有效降低了掘进过程的中潜在的突出危险性,提高了掘进效率。

(3)通过在S1206进风巷道开展的平行孔预裂增透试验,研究了CO2预裂增透技术的有效影响半径,在试验条件下得到其瓦斯抽采影响半径约为5 m,为该技术的推广应用提供了现场指导。

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(责任编辑 张艳华)

Application of presplitting and permeability-increasing technique by CO2to high-gas and low-permeability coal seam

Yang Xiaoguo
(Yuwu Coal Mining Co.,Ltd.,Shanxi Lu＇an Group Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046103,China)

Aimed at high gas and low permeability of 3＃coal seam of Lu＇an Group,the test of presplitting and permeability-increasing by CO2was carried out at S1206 working face to improve gas-drainage effect.The basic principle,technical characteristics and process of presplitting by CO2were introduced,and its effect and the range of influence were tested.The results showed that the technique of presplitting by CO2could apparently enhance the gas-drainage effect,with 81%increase of average gas drainage in test hole.Meanwhile,the gas-desorption index of drilling cuttings(K1)was reduced sharply and the advancing period was shorten,meeting the requirements of pressure relief and permeability increase for low-permeability coal seam.

presplitting and permeability-increasing by CO2,gas drainage,gas-desorption index of drilling cuttings,range of influence

TD713.3

A

杨晓国(1981－),男,山西长治人,工程师,现从事煤矿安全生产方面工作。