唐安煤矿液态CO2相变致裂强化增透试验研究

朱 亮

(山西兰花科技创业股份有限公司 唐安煤矿分公司，山西 高平 048407)

液态CO2相变致裂增透技术作为一项新技术，在增加煤层渗透性的同时，通过CO2和瓦斯竞争吸附驱替出更多游离态瓦斯，使高效抽采瓦斯成为可能，尤其是在高瓦斯和具有煤与瓦斯突出危险性的矿井，可以有效降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，从而达到消除煤与瓦斯突出危险性的目的，是低渗透煤层瓦斯抽采过程中行之有效的预裂爆破高效增透和瓦斯驱替技术。

唐安煤矿采用密集平行钻孔预抽本煤层瓦斯，3号煤层原始瓦斯含量高达7.93 m3/t，且煤层透气性差，钻孔瓦斯流量衰减快，钻孔施工工程量大，瓦斯抽采难度较大。回采工作面采用一进一回U型通风方式，回采时瓦斯高，严重制约着矿井安全生产。为解决上述问题，现决定使用液态CO2相变致裂增透技术在3301回风顺槽进行试验，从而增加煤层的裂隙和煤层的透气性，提高瓦斯抽采纯流量。

1 工程概况

1.1 技术特点

液态二氧化碳相变致裂技术是一种物理爆破技术，具有爆破过程无火花外露、爆破威力大、无需验炮、操作简便、不属于民爆产品，其运输、储存和使用获豁免审批等优点，被广泛应用于采煤、清堵、建筑物拆除，是国际上一种理念先进、方法安全、效果显著的爆破技术。

1.2 试验目的

为保证考察结果的准确性和可靠性，采用“单孔串联致裂”的方式，在3301工作面顺层钻孔实施液态CO2相变致裂，对工作面煤体进行强化增透试验，增加煤层透气性系数和瓦斯抽采影响半径，提高瓦斯抽采效果。通过现场实测致裂孔和不同距离瓦斯抽采钻孔的瓦斯浓度、瓦斯流量，确定液态CO2相变致裂致裂方式、施工方式和钻孔布置参数。

2.3 施工方法

1) 在3301工作面停采线以北30 m至3301回风巷道停采线以北71 m范围内共布置2个致裂孔和6个抽采孔，相互平行。致裂孔和抽采孔钻孔长度均为80 m，钻孔直径为94 mm，钻孔倾角为5°，具体布置方式如图1所示。

为了对比“先抽采后致裂”和“先致裂后抽采”的效果，抽出两个抽采孔作为对比试验组，具体施工顺序为：首先施工1号抽采孔和2号抽采孔；然后分别施工1号致裂孔和2号致裂孔；最后施工其余抽采孔。

2) 致裂孔和抽采孔打好后，都要求必须用高压风管清洗钻孔10 min以上，确保排除钻孔内的积水和煤渣，防止影响钻孔抽采效果。

3) 致裂孔使用7个爆破单元。每个爆破单元由5根推杆、一个灵活接头、一个储液管和一个释放管组成。致裂开始位置距孔口25 m，具体致裂方式如图2所示。

4) 致裂孔和抽采孔施工完毕后，及时封孔。要求使用囊袋式“两堵一注”封孔方式进行封孔，封孔长度为18～20 m。确保封孔严密，不漏气。封孔注浆24 h后再接入瓦斯抽采系统。

5) 致裂孔和抽采孔均安装孔板流量计，设有瓦斯浓度取样口。孔板流量计的安装必须符合安装要求，即孔板前方直线段不低于10D，孔板后方直线段不低于5D。当测试结束时，孔板流量计可以拆除，节省成本。

2 效果分析

此次试验共布置两个致裂孔和六个抽采孔，其中1号致裂孔致裂压力为200 MPa,2号致裂孔致裂压力为270 MPa，抽采孔距离致裂孔间距分别为5 m和10 m。截止目前，各钻孔共连续抽采近两个月时间。

2.1 致裂孔抽采效果分析

致裂孔瓦斯浓度和瓦斯纯量变化曲线如图3～图6所示。

图4 1号致裂孔瓦斯纯量变化曲线

图5 2号致裂孔瓦斯浓度和负压变化曲线

图6 2号致裂孔瓦斯纯量变化曲线

由图3～图6可以看出：

1) 1号致裂孔瓦斯浓度平均值为30.2%，瓦斯纯量平均值为0.023 m3/min。2号致裂孔瓦斯浓度平均值为82.31%，瓦斯纯量平均值为0.099 6 m3/min。可见2号致裂孔瓦斯抽采效果明显高于1号致裂孔，则在一定压力范围内，致裂压力越大，致裂孔瓦斯抽采效果越好；

2) 致裂后，致裂孔的瓦斯浓度和瓦斯纯量衰减速度大幅度降低，特别是2号致裂孔，经过52 d的抽采后瓦斯浓度和瓦斯纯量基本不衰减。现2号致裂孔瓦斯浓度基本稳定在85%以上，瓦斯纯量基本稳定在0.1 m3/min左右；

3) 相对未经致裂的抽采钻孔：1号致裂孔瓦斯浓度平均提高6.04倍，瓦斯纯量平均提高10.45倍；2号致裂孔瓦斯浓度平均提高16.46倍，瓦斯纯量平均提高45.27倍；

4) 致裂后4～5 d左右，瓦斯浓度波动较大，之后瓦斯浓度基本稳定。这是由于致裂后产生的高能气体进入煤层裂隙，随着抽采缓慢释放，且存在CO2竞争吸附的现象。

2.2 不同距离抽采孔效果分析

2号抽采孔～5号抽采孔距离致裂孔为5 m，1号抽采孔和6抽采孔距离致裂孔为10 m。各钻孔瓦斯浓度和瓦斯纯量变化曲线如图7～图12所示。

图7 1号抽采孔瓦斯浓度和瓦斯纯量变化曲线

图8 2号抽采孔瓦斯浓度和瓦斯纯量变化曲线

图9 3号抽采孔瓦斯浓度和瓦斯纯量变化曲线

图10 4号抽采孔瓦斯浓度和瓦斯纯量变化曲线

图11 5号抽采孔瓦斯浓度和瓦斯纯量变化曲线

图12 6号抽采孔瓦斯浓度和瓦斯纯量变化曲线

从图7～图12可以看出：

1) 距离致裂孔10 m的1号抽采孔和6号抽采孔，瓦斯浓度平均值分别是23.03%和14.57%，瓦斯纯量平均值分别是0.017 4 m3/min和0.0139 m3/min。相对未经致裂的抽采钻孔：1号抽采孔瓦斯浓度平均提高了4.6倍，瓦斯纯量提高了7.9倍；6号抽采孔瓦斯浓度平均提高了2.9倍，瓦斯纯量提高了6.3倍。

2) 距离致裂孔5 m的2～5号抽采孔，除3号抽采孔(从整体浓度和混量开看，浓度很低，混和流量异常偏大，初步判断是封孔不严或抽采管路漏气，建议排查)外，其余3个抽采孔的瓦斯浓度平均值及瓦斯纯量平均值提高幅度显著，是未致裂抽采钻孔的8～23倍。

3) 距离致裂孔5 m的抽采孔抽采效果明显高于距离致裂孔10 m的抽采孔，因此致裂影响范围为10 m左右，最佳的影响半径为5 m。

4) 致裂后，各抽采孔的瓦斯浓度和瓦斯流量衰减速率大大降低，经过近两个月的抽采，目前基本稳定在平均值以上。

5) 由施工方法可知，1号抽采孔和2号抽采孔均是致裂前施工。而1号抽采孔抽采效果要好于同距离的6号抽采孔，2号抽采孔好于同距离的其余抽采孔，则“先抽采后致裂”的施工方法要好于“先致裂后抽采”。

4 结 语

1) 270 MPa致裂压力下的瓦斯抽采效果明显高于200 MPa致裂压力。其中，270 MPa致裂孔瓦斯浓度平均值为82.31%，瓦斯纯量平均值为0.099 6 m3/min，分别是未受致裂影响抽采钻孔的16.46倍和45.27倍，且经过近两个月的抽采瓦斯浓度和瓦斯纯量基本不衰减。因此，致裂选用270 MPa型号的致裂系统。

2) 距离致裂孔5 m的抽采孔瓦斯抽采效果明显好于距离致裂孔10 m的抽采孔。因此，致裂孔与抽采孔的最优间距确定为5 m。

3) 从现有数据分析，“先抽采后致裂”的施工方法要好于“先致裂后抽采”。这是由于，先打的抽采孔能起到控制孔的作用，使得致裂压力向抽采钻孔释放，同时也减小了对顶底板的破坏。因此，施工方法为“先抽采后致裂”较好。

4)相对工作面原设计的3 m×3 m的钻孔布置方式，采用液态二氧化碳相变致裂技术，钻孔工程量至少减少40%以上，且瓦斯抽采效果要远高于原有的抽采效果。