新景矿回采钻孔CO2预裂强化增透技术研究

韩贵文

（新景矿煤业有限公司，山西阳泉 045000）

1 二氧化碳预裂增透试验原理

利用液体CO2在加热条件下瞬间膨胀为高压气体对煤层做功，预裂煤层，产生裂隙系统，最终提高煤层瓦斯抽采效率[1]。预裂管内液态CO2加热后在20～40 ms内迅速转化为气态，其体积瞬间膨胀600多倍，压力剧增至设定压力，高能CO2气冲破剪切片后从预裂管喷气阀喷出，对煤体产生作用，从而达到对煤层的造缝增透的目的[2]。

CO2预裂装备组件由可调式顶杆、引出杆、水压封孔器、连接件、预裂装置组成[3]。相关技术参数：预裂器材型号C-74 L，预裂杆直径ϕ68 mm；单根预裂杆长2 000 mm，液态CO2质量2.0～2.2 kg/根，液态CO2膨胀体积1∶500～600，反应时间约20～40 ms，压力60～270 MPa，如表1所示。

表1 CO2预裂增透技术参数表

2 试验区瓦斯地质概况

试验区域选择在3107工作面进风巷，巷道沿3#煤层顶板随层掘进，巷道断面为宽5 m，高2.8 m，周边巷道对其掘进无影响。工作面最大瓦斯含量11.42 m3/t，最大瓦斯压力0.365 MPa。

3 二氧化碳预裂强化增透试验方案

在3107工作面进风巷与底抽巷联络巷以北330 m处开始，选取150 m范围作为二氧化碳预裂试验巷道。钻孔施工时，先施工预裂钻孔，后施工考察钻孔[3-5]，施工一个钻孔，预裂一个钻孔，钻孔全程下筛管，CO2预裂参数见表2-3。试验区域分为3个单元，分别考察预裂钻孔间距为6 m、9 m、12 m的抽放效果。

第一单元预裂钻孔间距6 m，考察钻孔间距6 m（图1）；第二单元预裂钻孔间距9 m，考察钻孔间距9 m（图2）；第三单元预裂钻孔间距12 m，考察钻孔间距12 m（图3）。预裂结束后，钻孔全程下筛管，并采用“两堵一注”水泥砂浆封孔形式封孔，封孔压力为2 MPa，封孔深度25 m[6]。

表2 新景矿3107工作面二氧化碳预裂参数表一

表3 新景矿3107工作面二氧化碳预裂参数表二

图1 CO2预裂第一单元钻孔布置图

图2 CO2预裂第二单元钻孔布置图

图3 CO2预裂第三单元钻孔布置图

4 效果考察

试验从10月21号开始施工钻孔，到12月10号钻孔预裂爆破完毕。共预裂12个钻孔，深度80 m；施工预裂区考察钻孔15个，深度120 m；对比区普通抽放钻孔16个。在试验过程中对试验区域瓦斯抽采量、浓度等参数进行了测定，从以下几个方面来考察CO2预裂爆破对回采钻孔的抽采效果。

（1）预裂区与对比区抽采效果对比（表4）

预裂区钻孔最大浓度73.8%，平均浓度22.7%，累计抽放量113 437 m3，日均抽放量为657 m3，单孔日均抽放量22.3 m3，平均百米抽放量为138 m3。对比区钻孔最大浓度64%，平均浓度16.5%，累计抽放量60 227 m3，日均抽放量为328 m3，单孔日均抽放量14 m3，平均百米抽放量为55 m3。

（2）不同预裂区域抽采效果对比（表5、6）

6 m区域内：预裂孔最大浓度31.2%，平均浓度29.3%，平均百米抽放量131.7 m3/d，日均抽放量140.7 m3；考察孔最大浓度44.3%，平均浓度22.7%，平均百米抽放量48.2 m3/d，日均抽放量62.5 m3。

9 m区域内：预裂孔最大浓度36.8%，平均浓度12.1%，平均百米抽放量112.2 m3/d，日均抽放量100.5 m3；考察孔最大浓度38.7%，平均浓度18.4%，平均百米抽放量42.7 m3/d，日均抽放量58.37 m3。

12 m区域内：预裂孔浓度14.3%，平均浓度7.8%，平均百米抽放量87.9 m3/d，日均抽放量90.2 m3；考察孔最大浓度18.6%，平均浓度12.5%，平均百米抽放量19.2 m3/d，日均抽放量23.7 m3。

表4 预裂区与对比区抽采对比

表5 不同区域预裂钻孔抽采效果

表6 不同区域考察钻孔抽采效果

5 结论

（1）通过试验效果分析，预裂孔比对比区普通钻孔百米抽放量提高了2.5倍，钻孔平均瓦斯浓度是对比区域的1.37倍，钻孔日均抽放量是对比区域的1.59倍。说明采用CO2预裂增透技术能够使瓦斯抽采钻孔周围煤体裂隙大幅度增加，煤体原生裂隙得到扩散，使抽采钻孔周围的煤体形成较大范围相互贯通的裂隙网，提高煤体的透气性[7-8]。

（2）3个不同间距的预裂区域内钻孔百米抽放量分别为131.7 m3/d、112.2 m3/d、87.9 m3/d，所以确定6 m间距预裂为最佳方案。

（3）采用CO2预裂强化瓦斯抽采技术能够缩短工作面瓦斯抽采时间，对实现高突出煤层工作面安全快速掘进，具有较好的经济效益和社会效益。