煤层液态CO2 增渗技术研究

崔瑞清 高宏烨

（1.山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046002；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

我国煤层中瓦斯储存方式以吸附为主，绝大多数高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井的煤层渗透率在2×10-8～1.617×10-14m2，传统的顶底板穿层、顺层钻孔及巷道、卸压抽采等技术对低透气性煤层效果不大。为克服瓦斯积聚、瓦斯超限、瓦斯突出以及瓦斯爆炸给煤炭企业带来的困难，解除煤层开采时的瓦斯威胁，必须先将煤层中高浓度瓦斯降到可采浓度以下。为此，国内外许多专家、学者在提高煤层透气性系数、改进低透煤层抽采瓦斯技术方面进行了探索和尝试。液态CO2相变致裂技术本身属于物理致裂的一种，其作为新兴的增透技术，具有安全、成本低、无污染、威力强大、操作简单等优点。该技术通过对液态CO2进行化学加热，使其体积急剧膨胀，瞬间释放气体膨胀从而压裂钻孔周围岩体，以此提高渗透性[1-2]。同时，CO2比甲烷吸附能力更强，可以通过对吸附在煤体上的甲烷进行置换从而实现改善瓦斯抽采效果的目的[3]。鉴于此，本文通过模拟软件优化液态CO2爆破参数，从而为改善瓦斯抽采效果提供相关的技术支持和理论支撑。

1 液态CO2 相变致裂模拟分析

1.1 模型构建

通过利用流- 固耦合算法，建立15 m×15 m×0.1 m 尺寸相应的三维数值分析模型，如图1 所示。模型构建参数取自三元煤业3#煤层工作面煤岩物理力学参数，具体参数见表1。为所构建模型的前后表面及左右边界设置相应的边界条件，分别为Z 轴方向约束和X 轴方向约束，将3#煤层上方900 m 处的煤岩自重通过在模型顶部添加12 MPa 的均匀分布载荷来替代。

表1 煤岩物理力学参数

图1 液态CO2 相变气爆几何模型（m）

1.2 致裂器间距的影响分析

分别对致裂器间隔为1 m、2 m、3 m 处的气爆情况进行数值模拟分析，结果如图2 所示。图2（a）和（c）分别为致裂器间距为1 m 和2 m 的工况下，观察其气爆损伤区，发现在其250 步和280 步时首次出现损伤区域的接触，在这两种情况下气爆损伤范围不再发生扩大时的步数均为各自的第402 步，此时的时间是1.2 ms。因此在上述条件下继续对3 m工况条件下进行模拟，直到爆炸持续到第402 步时，观察液态CO2对致裂器周围的煤岩体的相变气爆[4]。

图2 不同致裂器间距的煤岩损伤演变云图

通过观察云图能够了解到：在致裂器间距为1 m 的情况下，液态CO2致裂器相变气爆后的图（a）和（b）均出现煤岩压碎区域（即Dlin∈[0.8-1.0]），说明致裂器附近的煤岩存在有较大损伤的情况。而且，致裂器之间的煤岩损伤系数主要集中于0.4～1.0 的范围内，证明煤岩裂隙在历经相变气爆之后的发展较好，这对瓦斯的预裂抽采有较好的效果。但是由于存在破碎区采煤不方便的情况，1 m 的致裂器间距布置方式没有达到理想的效果。

在致裂器间距为2 m 的条件下，煤岩在发生相变气爆后的图（c）和图（d）中出现了裂隙扩展区域（即Dlin∈[0.3-0.4]），煤岩损伤系数（致裂器）主要集中于0.2～0.6 范围内。与致裂器间距为1 m 时相比，随着致裂器间距的增大，前后致裂器相变瓦斯爆炸区域的首次接触时间推迟。在气爆损伤区域不再继续扩大的情况下，经过实地测量得到在y 轴方向上煤岩裂隙扩展区的净长度为6.86 m，在间距为1 m的情况下，净长度为5.84 m，也就是在轴向上煤岩裂隙扩展范围增大了0.17 倍，致裂器之间的裂隙在该情况下能够顺利发展。

在致裂器间距为3 m 的情况下，致裂器之间Dlin∈[0.4-0.6]的裂隙延伸区不再处于完全贯通连通的状态，且Dlin∈[0.2-0.4]的裂隙扩展区域的一小部分出现在Dlin∈[0-0.2]的煤岩扰动震荡区。在裂缝贯通区发生变窄的情况下，与前两组相比贯通效果较差，但依然能够产生效果较好的裂隙，裂隙周围的煤岩破坏区并不是彼此相对独立的，主裂隙之间没有渗透空白区。同时，通过对距离为2 m 和3 m 的煤岩损伤演变云图进行观察可以了解到，裂隙附近受相变瓦斯爆炸能量影响的煤岩破碎区域发生了改变，x 轴和y 轴上受能量影响区域的净长度较大，两者之差较小，该结果证实相变瓦斯爆炸后煤岩的损伤分布在压裂装置间距为2 m 和3 m 时更为均匀。

对三种情境下的气爆损伤范围进行了研究并通过实际测量得到了在不同致裂器间距下煤岩损伤演变云图中的最大有效致裂半径，具体结果见表2。

表2 不同致裂器间距的有效致裂半径 m

由表2 可以看出，液态CO2相变气爆后，在致裂器间距为3 m 时相较于间距为1 m 的情况下煤岩损伤半径同比增大了35%。考虑单一情况下的最大裂缝效应，图中最大有效裂缝半径在三种情况下取平均值，实测有效裂缝半径取前后压裂装置间距1 m 时半径最大的地方。因此，表2 中的数据表明，有效致裂半径与压裂装置间距无线性关系。忽略掉这一因素，通过对比压裂装置间距为2 m 和3 m 时的半径和损伤云图，可以发现压裂装置布置间距的增大直接增加了爆生能量影响范围的轴向净长度。同时，伴随着爆生冲击波超覆面积的不断减小，能量更加有效地向压裂装置周围的煤岩扩散，减少过碎煤岩的破碎面积。基于以上方面，通过合理地增加压裂装置布置间距可以对煤岩致裂半径起到积极的促进作用。通过对致裂器间距在3 m 情况下的有效致裂半径值进行观察可以发现，在致裂器间距为4 m 的情况下，前后的致裂器之间无法形成贯通。

2 液态CO2 相变气爆致裂技术工业试验

2.1 钻孔参数设计

在4301 工作面回风巷道距离切眼550 m 的位置钻出1 个致裂钻孔，并在钻孔右侧与其间隔为1.25 m、2.25 m、3.25 m 处再钻3 个观测钻孔，如图3所示的抽采效果测点钻孔施工布置图。在施工过程中随时会有气爆冲击波的干扰，为避免该干扰的发生，需要在与3#观测钻孔相距30 m 的右向位置继续增加一个钻制抽放孔记为5#自然抽放孔，该钻孔的设计详细的参数见表3。采用3 m 作为轴向间距，本次抽采的时长为35 d，经过对前后两次钻孔位置得到的自然瓦斯涌出量进行对比，探究致裂器爆破优化主要参数之后气爆的增透效果。

表3 钻孔布置参数表

图3 抽采效果测点钻孔施工布置图（m）

2.2 钻孔自然瓦斯涌出特征

由钻孔涌出的瓦斯量受到多种因素的影响，其中最主要的是最开始前的自然瓦斯涌出强度q0和瓦斯涌出流量的衰减系数α。α是随着时间改变的，每个不同时间的钻孔自然瓦斯流量测定出的数据根据式（1）进行非线性拟合回归分析[5]。

式中：qt表示在t天时的钻孔瓦斯流量，m3/min；q0表示起始的钻孔瓦斯流量，m3/（min·100 m）；αl表示钻孔瓦斯抽采的衰减系数与时间成反比，d-1；t表示钻孔自排瓦斯时间，d。

选取布置图3 中的4#位置的观测孔和5#位置的自然抽采孔进行测定，测定好数据绘制出其瓦斯涌出量随时间变化的趋势图，如图4，用式（1）对数据进行非线性拟合最终获得表4 中数据。

表4 4301 工作面煤层百米钻孔瓦斯自然涌出结果

图4 钻孔百米瓦斯自然涌出特征图

根据位置点4#观测孔和位置点5#自然抽采孔百米钻孔瓦斯涌出量衰减的变化，可以得出：在进行完试验将液态CO2相变气爆时，瓦斯涌出量的最大最小值都变大了，各个观测钻孔起始瓦斯涌出强度是无气爆时的自然抽采孔的4.42 倍，说明气爆对卸压有重大的影响。由上述还可以得出气爆之后自然瓦斯流量衰减系数也发生了极大的变化，由之前的0.038 6 d-1降低至0.009 12 d-1，瓦斯的流量衰减到76.37%，说明气爆可以加长瓦斯抽采的时间。

3 结论

1）通过模拟得到液态CO2致裂器布置间距的增大对煤岩致裂效果起到了正向促进作用，并且致裂器间距为3 m 时致裂效果最佳。

2）液态CO2气爆观测钻孔的起始瓦斯涌出强度是没有气爆能量的自然抽采孔的4.42 倍，瓦斯流量衰减降幅达到76.37%。