CO2气相压裂增透技术在王庄煤矿的应用

薛志兴

(山西潞安矿业(集团)有限责任公司王庄煤矿，山西省长治市，046031)

近年来，王庄煤矿随着开采深度的不断增加，煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量也随之增高，由于所采3#煤层为低渗难抽采煤层，瓦斯治理难度大，严重影响了矿井的瓦斯抽采效果[1-4]。目前，该矿为了提高煤层瓦斯抽采效果，主要采用密集深钻孔技术、延长抽采时间等瓦斯治理技术[5]，存在工程量大、成本高、封孔技术难度大、瓦斯抽采浓度低、抽采效果差、抽采周期长等不足，因此，增加钻孔密度、延长抽采时间不能从根本上解决煤层瓦斯问题。

针对王庄煤矿煤层坚固性系数较大、透气性较差、瓦斯难以抽放的特点，急需采取一种新的煤层增透方法对其工作面进行增透，从而提高煤层透气性，提升矿井煤层瓦斯抽采效率，降低瓦斯灾害，保证矿井安全高效生产。为从根本上解决煤层瓦斯治理难题，该矿专门引进近年来新提出的CO2气相压裂增透技术，该技术作为一种新型的煤层增透强抽技术[6]，能够使煤体松动，扩展煤层原生裂隙和次生裂隙，使煤体产生大量裂隙，大大增加了煤体的透气性，显著提高了煤层瓦斯抽放率[7]；与此同时气相压裂化解了工作面可能存在的“瓦斯包”[8]，降低生产过程中煤与瓦斯突出的危险性，提高了瓦斯涌出的均匀性，减少了瓦斯预警及超限事故发生的可能。

1 CO2气相压裂增透技术原理

CO2气相压裂增透技术是应用高压气体的膨胀功对煤层进行直接压裂，压裂钻孔孔壁的煤层在受到高压气体的作用下瞬间破坏产生裂隙和卸压作用，释放煤层原始地应力，消除可能存在于煤层的“瓦斯包”，从而降低煤与瓦斯突出风险，提高抽采效率。

气相压裂低渗煤层瓦斯综合治理的机理在于，气相压裂低渗煤层后，首先在压裂钻孔周边重启原生裂缝，从而造成增透和卸压双重效应，继而大幅度提高瓦斯抽采速度和抽采率。具体表现在：形成瓦斯泄流通道，大幅度增加煤层渗透率几倍到几十倍；形成钻孔周边局部卸压，消除局部地应力集中现象，缓解瓦斯突出威胁；大幅度增加煤体暴露面积，加速瓦斯解吸，大幅度提高瓦斯抽采速度和抽采效率[9]。该技术主要用于煤体增透、降低煤层瓦斯突出风险、强化瓦斯抽采等方面，是一项煤矿瓦斯综合治理的新技术，可在一定程度上解决和缓解该矿在瓦斯治理过程中面临的两大难题：一是降低高瓦斯工作面煤与瓦斯突出危险，二是解决回采工作面快速抽采，实现抽采达标和安全高效采煤，已在现场实际运用中取得了良好的效果。

2 现场工业试验

2.1 试验地点概况

本次试验地点选择在王庄煤矿540回风大巷一掘进面，该掘进面开采3#煤层，位于91采区。地面位于太长高速以西，北栗村以南；井下位置东、西、南均为实体煤，北接北栗风井总回风大巷三。地面标高929～934 m，工作面标高416～451 m。该掘进面开采3#的煤层赋存于二叠系山西组地层中下部，为陆相湖泊型沉积，煤层厚度稳定，煤层总厚度为7.03 m，容重为1.4 t/m3。该巷道设计长度为1660 m，巷道断面为6 m×3.5 m矩形断面，采用全锚支护。

540回风大巷一掘进面开口处经测定煤层原始瓦斯含量为8.14 m3/t，残存瓦斯含量为2.36 m3/t。2015年王庄煤矿委托华北科技学院对540回风大巷一掘进面进行了瓦斯基础参数测试：孔隙率4.23%,吸附常数a为34.68 m3/t，吸附常数b为0.89 MPa-1，瓦斯放散初速度1.946 kPa，坚固性系数0.51，瓦斯含量8.53 m3/t, 瓦斯压力0.50 MPa，透气性系数0.0288 m2/(MPa2·d)。该掘进面地质条件复杂，瓦斯含量大，煤层透气性差，现主要采用“掘进头预抽+双翼边掘边抽钻场抽采”瓦斯治理模式。

2.2 试验钻孔布置

在巷道两侧施工双翼迈步钻场，进行边掘边抽，迈步钻场按照步距40 m进行布置，钻场内呈两排三列平行布置6个钻孔，钻孔深120 m、孔径120 mm，倾角为1°；同时在工作面施工15个掘进头抽采钻孔，布置3排平行孔，钻孔深120 m，孔径120 mm，倾角0°～2°。钻孔施工完毕后，两翼钻场及工作面各安装1个孔板，对钻孔进行并网带抽，并网后对各钻场、工作面抽采参数及单孔浓度观测3～5 d。

CO2预裂钻孔在两翼钻场及工作面抽采孔并网预抽3～5 d后(便于预裂前后瓦斯抽采量的对比分析)在左右钻场各布置一个压裂钻孔，压裂钻孔孔径ø120 mm，钻孔深度120 m，1#预裂孔位于左钻场，距巷道轮廓线外1.0 m、距煤层底板1.4 m、方位角0°，为垂直掘进面，倾角为1°的直孔；2#预裂孔位于右钻场，距巷道轮廓线外1.0 m、距煤层底板1.4 m、方位角0°，为垂直掘进面，倾角为1°的直孔，如图1所示。压裂钻孔使用自动排渣的麻花钻杆施工，施工过程采用慢速推进，保证孔平直、光滑；压裂钻孔的深度尽可能的深(不少于120 m)，压裂钻孔施工完毕后，将孔内的煤渣清理干净。

2.3 压裂施工工艺

(1)施工前检查确保每根CO2预裂器完好并能正常使用，将充装好的CO2预裂器逐个用连接件送入打好的钻孔中，装入CO2预裂器15个，对CO2预裂器进行连接时做到边连接边测试电路电阻数据是否正常，若出现电阻数据异常，必须查找原因，数据正常后再继续往下进行，本次试验选用的CO2预裂器选用的型号为C74，直径67 mm，长度2000 mm，液态CO2质量1500 g，液态CO2膨胀体积1∶600，反应时间20～40 ms，压力60～270 MPa。

图1 540回风大巷一掘进面试验钻孔布置示意

(2)用封孔引出杆在CO2预裂器逐一放入钻孔后将胶囊封孔器与钻孔的最后一根CO2预裂器连接，同时将引线从胶囊封孔器中间的管内穿出封孔器另一端，封孔器外端接上注液高压软管，利用封孔引出杆将胶囊封孔器送到距孔口12 m的深度，封孔引出杆孔口外露0.5～1.0 m，将可伸缩螺纹顶杆一端将封孔引出杆顶住，另一端顶在对面的煤壁上，旋紧丝杆顶牢，如图2所示；将注液高压软管与打压泵连接可靠，打压到4～8 MPa后，孔即封好。

(3)人员撤离现场，将放炮引线拉直距离预裂点不小于300 m的地方，按预裂的要求测试数据正常后，按照放炮的相关规定、确认人员全部撤离到安全地点，连接发爆器—充电—激活CO2预裂增透器—释放出高压气体对煤层进行深孔预裂。

(4)预裂操作完毕，用高低压压力表观察钻孔内压力，30 min后若压力完全消失，确认安全后，观测瓦斯无异常，再拆除封孔器，将CO2预裂器逐一取出，完成后接入抽采系统，封口、抽采、记数。如果孔内压力较大(大于0.5 MPa)则应暂缓拆除封孔，对孔内压力逐步释放、泄压。

(5)压裂钻孔内的设备回收后，对压裂孔进行封孔(封孔深度20 m)并网带抽；观测、记录压裂后抽采孔瓦斯浓度、抽采量，并与压裂前的数据进行对比、分析。

图2 压裂钻孔CO2预裂器装入及封孔示意

3 效果分析

3.1 煤层透气性显著增加

煤层原始透气性系数为0.0288 m2/(MPa2·d)，气相压裂后煤层透气性系数为0.7482 m2/(MPa2·d)，增加了26倍，气相压裂后试验区域煤层由难抽采改造为可抽采煤层，煤层透气性显著增加。

3.2 防突指标快速下降

通过井下实测对比，气相压裂前K1值实测最大值为0.62、瓦斯压力最大值为0.52 MPa、瓦斯含量最大值为0.82 m3/t，气相压裂预抽后测得K1值为0.3～0.4，瓦斯压力稳定在0.28～0.42 MPa之间，瓦斯含量稳定在7 m3/t左右，消突效果明显，避免了突出事故的发生，为掘进创造了良好条件。

3.3 工作面响煤炮现象明显减少

气相压裂化解了巷道掘进头前方可能存在的瓦斯包，使瓦斯均匀释放，减少了掘进头揭露瓦斯包时，瓦斯突然大量涌出及高顶、偏帮现象发生的可能，降低了工作面瓦斯预警超限事故率。

3.4 抽采效果显著提高

未采取气相压裂时，钻场单孔最大抽采浓度为60%，平均为28%；掘进头预抽钻孔抽采15 d内的单孔平均抽采纯量为0.052 m3/min，最大值为0.068 m3/min，预抽30 d内抽采钻孔衰减不明显，单孔抽采量稳定在0.03 m3/min。

采取气相压裂后，压裂钻孔单孔平均抽采纯量为0.258 m3/min，相比普通预抽钻孔的0.052 m3/min，提高了4.9倍；钻场钻孔单孔浓度均有不同程度的提升，抽采纯量变大，单孔最大抽采浓度为98%，平均为50%，抽采浓度提高约1倍，抽采纯流量增加0.2～0.4 m3/min；掘进头预抽钻孔在预抽15 d内的单孔平均抽采纯量为0.126 m3/min，最大值为0.398 m3/min，但在压裂后第5天出现明显衰减，预抽15 d左右后，单孔衰减至0.03 m3/min，增透效果明显，抽采效率提高1倍，单孔平均抽采纯量提高2.4倍，单孔最大抽采纯量提高5.8倍，抽采达标时间明显缩减。

3.5 工作面割煤循环时间缩短

气相压裂前，割煤时间约为50～60 min/排，气相压裂后瓦斯涌出较均匀，单排割煤时间缩短为40～50 min，生产效率显著提高。

4 结论

从试验结果来看，CO2气相压裂对煤体裂隙发育作用明显，提升了抽采纯流量，降低了煤层瓦斯含量、瓦斯压力和K1值，消突效果显著，消除了工作面突出危险性，大大提高了掘进速度，保障工作面安全高效掘进。

由此可见，通过CO2气相压裂，工作面在压裂范围内应力得到了消除、煤层透气性系数大幅度提高，大幅度提高了瓦斯抽放量，实现安全快速抽采瓦斯，切实保障煤巷工作面快速安全掘进，提前对掘进面的瓦斯进行了超前治理，提高了掘进面瓦斯抽采效果，最终实现矿井安全快速抽采瓦斯。