CO2预裂增透技术在巷道掘进中的试验及效果分析

文/白鹏

随着煤炭开采深度的增加，煤层瓦斯含量呈高倍数梯次递增，瓦斯抽出难度加大，煤炭安全生产风险亦增加，并且这一趋势与日俱增。要实现矿井瓦斯的趋利避害，瓦斯抽采是主要的治理技术手段。而现有的技术缺陷，难以达到行业、环境和社会的要求，探求新的技术方法，解决煤矿瓦斯抽采问题已是刻不容缓的事情。

山西石泉煤业有限责任公司在矿井低透气性煤层巷道掘进过程中，防突预测指标值△h2频繁超标（△h2大于200Pa），采用传统的施工瓦斯释放孔效果不明显，严重制约了掘进速度和单进水平的提高，影响了矿井正常的生产接续。针对这种情况，山西石泉煤业有限责任公司提出了“高压二氧化碳预裂和巷帮钻孔边抽边掘掩护掘进”相结合的综合瓦斯治理技术。

一、高压CO2煤层预裂增透解吸技术工作原理

在标况下液态CO2受热成为气体后体积可达原来的600余倍，在其膨胀过程中可对周围物体产生巨大的压强，形成裂隙。由于煤层并非一个完全致密物体，本身就存在着原生裂隙，具有巨大压强CO2气体必将会对这些裂隙扩张并沟通，最终改善煤层透气性。由于CO2气体的带压膨胀会对吸附在煤层中的瓦斯产生驱赶作用，但瓦斯又具有较强的亲煤特性，使得煤体中的吸附瓦斯呈游离状态。因此，高压CO2煤层预裂增透解吸技术从根本上解决了难抽采煤层透气性差和煤层中瓦斯游离度低的抽采的制约因素，实现瓦斯的高浓、高效抽出。二氧化碳预裂增透技术的基本原理如下：

1.CO2气体本身没有爆炸性，具有抑制爆炸和燃烧的作用。

2.在温度 31℃以下、压力 7.2MPa时，CO2以液态存在。

3.1.0kg液态CO2吸收60.0kJ的热量才能气化。

4.当温度超过31℃时，无论压力多大，液态CO2将在40毫秒内气化。

5.CO2预裂器内部安装发热装置，热反应过程在完全密闭且充满液态CO2的主体内腔中进行，震动和撞击均无法激活发热装置，因此该设备的充装、运输、正常存放和安装使用具有较高的安全性。

6.液态CO2气化产生高压波，可以预裂煤层增透，提高煤层渗透性，增加瓦斯抽采效率。

7.煤体对CO2的吸附性远远高于对瓦斯的吸附性，使爆破后的CO2能够滞留，且驱赶出大量煤体吸附的瓦斯。

8.煤体对CO2的渗透率高于对瓦斯气体的渗透率2个数量级以上，CO2爆破过程中，由于CO2气体的渗流运移，减小了煤体吸附瓦斯的分压，从而使瓦斯持续解吸，提高瓦斯释放量和矿井瓦斯抽采率。

二、高压CO2煤层预裂技术装备及特征

1.高压CO2煤层预裂技术装备

二氧化碳预裂器主要由二氧化碳预裂组件、连接件、联线件、封孔器、引出杆、可调式顶杆及封孔注液泵组成，如图1所示。

图1 二氧化碳预裂器组成示意图

2.技术装备特征

二氧化碳煤层预裂器主要由主体腔、化学热反应装置、充排气电极阀、泄能阀、定压泄能片、止飞机构、密封垫、切割圈等组成，其结构如图2所示。

图2 二氧化碳预裂组件结构图

工作时，将液态的CO2注入CO2煤层预裂器内腔，关闭注液阀。在煤壁上打一适当的钻孔，将注入液态CO2的预裂器置于钻孔内，通过矿用发爆器在充排气阀上的两个电极上加脉冲电流约0.5～2秒，装置中的化学热反应材料迅速反应放热，液态CO2温度迅速升高。汽化致使其压力随之加大，达到设定压力时，定压泄能片破裂，使得CO2气体高速喷出，从而使其能够在煤层裂隙中膨胀，导致煤层裂隙进一步扩大、透气增强。

从实际试验中测得，CO2气体从管体中喷出的时间大致可控制在0.1～0.5秒之间，这样CO2气体对煤层的作用时间就相对长的多，并且，在气体膨胀过程中就能够保持一段相对高的压力，这样能量的释放也就缓和的多、持续的多，这对于煤层裂隙的进一步扩展、增加煤层渗透性和驱替瓦斯非常有利。

三、高压CO2预裂煤层实施方案及工艺

1.高压CO2预裂煤层实施方案

在掘进巷道两帮设置预裂抽采钻场，通过预裂抽采，在巷道设计路线上预先形成一个低瓦斯区，从而彻底解决巷道掘进时瓦斯带来的安全威胁。本着这一宗旨，在巷道掘进前，首先设置预裂抽采钻场，通过高压CO2煤层预裂增解吸技术对煤体的作用改善煤层透气性和煤层瓦斯的游离性，实现预定区域内瓦斯快速抽出。石泉煤业在30101采区胶带上山掘进巷道两帮布置抽采钻场，布置间距为80m，而在首次预裂时，钻场布置为两钻场相对布置，此后一帮（左右帮均可）于40m处布置第二个钻场，而另一帮则于80m处布置第二个钻场，之后各帮的钻场均为80m间隔布置即可。

（1）钻场设计。钻场布置在30101采区胶带上山巷道两帮，钻场规格：5m×4m×3.2m(深×宽×高)，如图 3所示。

图3 钻场设计图

（2）钻孔设计。预裂孔距钻场实体煤侧0.5m，距底板高1.2m处。屏蔽抽采孔；1#孔距钻场实体煤侧1m，距底板高1.6m处；2#孔距钻场实体煤侧1.5m，距底板高2m处，如图4所示。

图4 钻孔设计图

钻孔方向为巷道掘进方向，方位角与巷道轴线外偏10°。倾角与底板平行或略仰2°，钻孔直径为Φ94；孔深为100m。

2.高压CO2预裂煤层工艺

在地面将发热装置安装在组件内，并把预裂组件组装好，通过专用设备注入液态CO2，合格后运至煤矿井下预裂现场，将预裂装置组装依次推入已打好的预裂钻孔内，安设封孔器，通过引出杆和可调式顶杆固定，用封孔注液泵实施远程封孔，经检查，达到要求时即可用井下矿用发炮器激活组件内发热材料进行预裂工作，起爆后等待规定时间后启封。若启封时瓦斯涌出量过大，可立即再次封孔，使用调节启封方式将孔内瓦斯适量泄出，最后从孔内拆卸预裂装置，按抽采要求接入系统进行瓦斯抽出。

（1）按照设计参数施工爆破孔，实施至预定深度后，通过压风清理钻孔中的残渣，然后退出，并测试钻孔瓦斯涌出参数。但此时不可移动钻机或更改钻机参数，如钻机支护位置、钻机方位角、倾角等。

（2）测试完毕后，利用钻机将二氧化碳致裂器推送入孔中。100m的钻孔中等间距布置10套致裂器，致裂器之间通过一定数量的连接管连接。将致裂器全部送入钻孔后，装入封孔器和止飞机构。

（3）按照《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出规定》的要求实施爆破作业。

（4）爆破完毕后，打开封孔器测试管，测试钻孔瓦斯流量及考察孔的瓦斯流量。

（5）利用钻机将钻孔中的致裂器和连接管依次取出，对试验钻孔进行封孔，封孔长度不小于10m，始封深度2m，并持续考察瓦斯涌出参数。

四、试验效果分析

高压CO2煤层预裂增解吸技术于2014年10月11日在石泉煤业30101采区胶带上山3#钻场中试验性使用。

对比图5～6可知：在试验前，抽采孔瓦斯浓度衰减较快，在连续抽采15天瓦斯浓度基本趋于稳定，处于5%～8%；且在连续抽采18天平均瓦斯浓度为19.3%。二氧化碳预裂爆破后，抽采21天单孔平均瓦斯浓度为73%，抽采18天单孔平均瓦斯抽采浓度为73.8%，为试验前抽采孔瓦斯平均浓度的3.8倍；且连续抽采21天后瓦斯浓度无明显下降趋势。

对比图7～8可知：试验前钻孔瓦斯抽采纯量在16天内平均为0.025m3/min；采用二氧化碳预裂爆破以后，钻孔瓦斯抽采纯量在16天内平均为0.4m3/min，为试验前钻孔瓦斯抽采纯量的16.3倍；21天内瓦斯抽采纯量平均为0.37m3/min。

图5 试验前钻孔瓦斯抽采浓度变化

图6 试验后钻孔瓦斯抽采浓度变化

图7 试验前钻孔瓦斯抽采纯量变化

图8 试验后钻孔瓦斯抽采纯量变化

五、结论

1.分析了二氧化碳预裂爆破的工艺及方法，通过试验得出：采用二氧化碳预裂爆破可以有效提高钻孔瓦斯抽采浓度及抽采瓦斯纯量，对比可知，试验后钻孔瓦斯抽采浓度及纯量分别比试验前增高3.8及16.3倍。

2.高压CO2煤层预裂增解吸技术具有增强煤层透气性和提高煤层瓦斯活性的双重功效，可实现较难抽采煤层瓦斯高效、高浓抽出。