超长工作面CO2相变致裂分区增透高效抽采技术试验研究*

马小敏

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016； 2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

0 引言

瓦斯是一种与煤伴生的气体产物，一方面作为井下重大危险源威胁着矿井安全生产，另一方面作为非常规清洁能源可以满足人类能源需求[1]。无论从矿井瓦斯灾害防治的角度还是清洁能源利用的角度，瓦斯抽采都是最有效最直接的手段。而我国大多数煤层普遍具有透气性低、裂隙不发育、解吸速度慢的特点，瓦斯抽采往往存在抽采率低、抽采效果差和抽采达标时间长等问题[2-3]，因此，对煤层进行强化增透已经是低透煤层实现安全高效抽采必不可少的技术手段。经过我国煤炭科技工作者几十年的研究和实践，形成了一系列科研成果，如深孔预裂爆破[4-6]、水力冲孔[7-8]、水力压裂[9]、水力割缝[10-11]等多种煤层增透技术。而上述技术都有自身的局限性和缺点，深孔预裂爆破存在炸药操作和管控的风险，水力冲孔在硬煤中冲孔难度大，在软煤中又容易造成塌孔和掩埋钻具，水力压裂设备复杂、封孔困难，且易在压裂范围内产生局部应力增高区以及水力割缝应用效果差等问题[12]。近年来液态CO2相变致裂增透技术作为一种新型的煤层增透技术以其能量可控、设备简单易操作以及CO2对CH4良好的驱替作用等优势取得了良好的应用效果[13-17]。

在我国高瓦斯矿井有许多推进长度近2 km甚至更长的超长工作面，由于工作面形成周期长，往往存在靠近停采线的区域抽采时间达3 a以上，而靠近切眼的区域刚刚开始抽采的问题，工作面不同区域预抽时间严重不均衡，导致工作面抽采达标时间长，造成矿井采掘接替紧张，矿井生产能力受到严重制约。针对上述问题，本文以长治矿区某高瓦斯工作面为研究对象，通过现场试验和理论分析的方法，研究了不同布孔工艺参数条件下CO2相变致裂增透对低透煤层瓦斯抽采的作用规律，并在试验工作面开展了分区增透高效抽采技术应用，以期为高瓦斯低透煤层缓解采掘接替紧张及高效抽采提供借鉴和参考。

1 CO2相变致裂增透技术原理

1.1 CO2相变致裂增透机理

CO2相变致裂技术原理是利用充装设备预先将液态CO2加注到致裂装置的储液管中，通过发爆器激活储液管中内置的电加热活化器，释放热量使得储液管内温度迅速升高，管内CO2由液态瞬间转化为气态，体积膨胀600倍，此时储液管气态CO2压力达到120～276 MPa[17-18]，冲破剪切片喷发而出，高能气体产生的高速射流和高压CO2气体的准静态压力场共同作用于煤体，从而破坏煤体产生裂隙。

高能气体作用煤体时，一方面在高速射流产生的应力冲击作用下，煤体发生径向压缩和切向拉伸，当切向拉伸应力超过煤的抗拉强度时发生劈裂作用[19]，产生大量新的裂隙；另一方面使煤体内被填充或压实的裂隙被重新开启，在持续高能气体的准静态压力场作用下，促使原生裂隙进一步扩展、发育[13]。爆破过程使煤体形成裂隙发育区和裂隙扩展区，大大增加了瓦斯运移的通道，使得煤层透气性显著提高，实现增透促抽。

1.2 竞争吸附理论

煤体中瓦斯主要以吸附态和游离态2种形式赋存，而游离态的瓦斯是抽采的主要对象。煤体吸附规律研究表明[20-21]，煤体对CO2的吸附性远高于对CH4的吸附性，当在煤层中相变爆破产生的大量CO2气体，由于竞争吸附效应，滞留煤层中的CO2驱替置换出大量吸附态瓦斯，游离态瓦斯增加，从而有效提高瓦斯抽采体积分数和抽采量。

2 CO2相变致裂增透作用规律试验研究

2.1 试验地点概况

试验矿井位于长治矿区，为高瓦斯矿井，现开采3号煤层，属低灰-中高灰贫煤，位于山西组中下部，煤层平均厚度6.25 m，倾角3°～15°。试验地点选在3111工作面，工作面走向长1 780 m，倾向长200 m，工作面底板标高为+450～+530 m；煤层顶底板均为泥岩，岩性致密，不利于瓦斯逸散，煤层坚固性系数为0.44～0.68，瓦斯含量为9～12 m3/t，煤层透气性系数平均为0.426 1 m2/(MPa2·d)。试验煤层属单一低透煤层，抽采效果较差。

2.2 试验方法

试验选择在未受采动影响的区域进行，在3111工作面运输巷分别选取长为25 m的4个试验区(A，B，C，D)，各试验区间距30 m以上，避免相互影响。每个试验区布置11个抽采钻孔，间距均为2.5 m，其中，A试验区不进行致裂增透，直接连入高负压抽采系统进行抽采，B试验区在抽采孔中选取2个作为CO2致裂孔，致裂孔间距20 m，C试验区在抽采孔中选取3个作为CO2致裂孔，致裂孔间距10 m，D试验区在抽采孔中选取5个CO2致裂孔，致裂孔间距5 m，B，C，D试验区致裂孔爆破作业后与本区内其他抽采孔并网连入高负压抽采系统进行抽采。试验期为90 d，抽采期间分别记录各钻孔抽采体积分数、负压、流量等参数。各试验区钻孔参数见表1，钻孔布置方式见图1。

3 致裂增透效果考察分析

3.1 煤层透气性系数考察

各试验区在CO2致裂增透前后分别测定煤层的透气性系数，采用径向流量法进行直接测定，即利用径向不稳定流动理论，通过测定煤层瓦斯径向不稳定流量来计算煤层透气性系数，各试验区透气性系数致裂前后测定结果见表2。

表1 钻孔参数Table 1 Boreholes layout of each experimental area

图1 各试验区钻孔布置Fig.1 Borehole parameters

试验区致裂孔间距/m透气性系数/(m2·(MPa2·d)-1)致裂前致裂后增幅/%A/0.458//B200.3630.65280C100.4811.245159D50.4372.518476

从表2可以看出，B,C,D试验区的透气性系数均大幅增长，这是由于CO2相变爆破产生的高能气体及冲击波作用于煤体，在煤体中产生大量导通裂隙，并在气楔作用下，裂隙不断扩展和延伸，瓦斯运移通道大幅增加，进而煤层透气性得到提高。在间距20,10,5 m致裂孔的作用下，煤层透气性分别提高了80%,159%,476%，表明致裂钻孔布置间距越小，煤层增透作用效果越好，透气性系数成倍增长。

3.2 抽采体积分数和抽采纯量考察

经过90 d的抽采，考察了各试验区的抽采体积分数和抽采纯量，其随抽采时间变化规律见图2,3。由试验结果可知，未致裂、间距20 m、间距10 m、间距5 m致裂孔致裂条件下的平均抽采体积分数分别为14.8%,28.4%,50.9%,75.8%，平均抽采纯量分别为0.28,0.66,1.18,1.73 m3/min。可见致裂后煤层的抽采体积分数和抽采纯量较未致裂煤层大幅提高，这是由于CO2的致裂驱替作用打破了原始煤体的吸附解吸平衡状态，根据竞争吸附理论，煤体对CO2的吸附性远高于对CH4的吸附性，使得爆破后的CO2能够滞留，且驱替置换出大量煤体吸附的CH4，瓦斯抽采体积分数和抽采量大幅提升。

图2 抽采体积分数随抽采时间变化规律Fig.2 Variation of extraction volume fraction with extraction time

图3 抽采纯量随抽采时间变化规律Fig.3 Variation of extraction pure quantity with extraction time

4 分区增透高效抽采技术应用

不同布孔工艺参数条件下的CO2致裂增透作用规律研究表明：CO2相变致裂技术对煤层增透具有良好的应用效果，CO2相变致裂爆生气体破坏煤层生成大量裂隙，大幅提升煤层透气性，CO2对CH4的竞争吸附作用驱替置换出大量游离瓦斯，抽采体积分数和抽采纯量显著提高；致裂孔布孔间距越小，煤层增透的影响作用越强，在设计钻孔直径113 mm的情况下,与未致裂抽采相比，采用间距20,10,5 m致裂孔致裂条件下进行抽采时煤层透气性系数分别提高1.8,2.6,5.8倍，平均抽采体积分数分别提高1.9,3.5,4.2倍，平均抽采纯量分别提高2.4,4.2,6.2倍。

利用上述作用规律，将试验工作面划分为A,B,C,D 4个预抽单元(见图4)，随着工作面巷道的不断推进，对A，B，C，D 4个预抽单元逐步采取不致裂抽采、布置间距20 m、布置间距10 m和布置间距5 m致裂孔致裂后抽采的不同程度增透的强化抽采措施，在不增加钻孔工程量的基础上，实现越靠近切眼的单元抽采效率越高，有效压缩试验工作面形成后的预抽时间。

试验工作面在未致裂抽采条件下采用普通抽采方法时抽采达标时间为540 d，采用分区增透高效抽采技术后，实现各单元抽采达标所需时间分别为225，129，87 d，整个工作面形成后仅需抽采87 d即可达标进行回采，抽采周期大幅缩短，保证试验工作面安全高效投入生产，避免因预抽时间较长而导致采掘接替紧张。

图4 工作面分区高效抽采布置示意Fig.4 Schematic diagram of partitioned high-efficiency extraction arrangement in working face

5 结论

1)针对超长工作面抽采时间不均衡导致抽采达标时间长的问题，提出了基于CO2相变致裂的分区增透高效抽采技术，利用不同布孔工艺参数条件下CO2相变致裂增透对低透煤层瓦斯抽采的作用规律，针对工作面不同区域采取不同程度的强化增透措施，大幅缩短了整个工作面的抽采达标周期，实现低透工作面高效抽采。

2)不同布孔工艺参数条件下的CO2致裂增透作用规律研究表明，CO2相变致裂技术对煤层增透具有良好的应用效果，在设计钻孔直径113 mm的情况下，与未致裂抽采相比，采用间距20，10，5 m致裂孔致裂条件下进行抽采时煤层透气性系数分别提高1.8，2.6，5.8倍，平均抽采体积分数分别提高1.9，3.5，4.2倍，平均抽采纯量分别提高2.4，4.2，6.2倍。

3)试验工作面应用分区增透高效抽采技术后，整个工作面形成后仅需抽采87 d即可达标进行回采，表明CO2相变致裂技术对低透煤层增透促抽效果良好，显著缩短了抽采周期，对于促进矿井安全高效生产具有重要作用。