基于防突指标下降视角的CO2 气相压裂增透技术应用分析

穆俊来

（山西省华阳集团七元煤业有限责任公司，山西 晋中 045400）

0 引言

煤矿资源属于不可再生资源，随着开采程度的加深，资源含量随之减少，因此需要引入提高开采效率的先进技术。结合大量实践资料来看，在开采过程中，会出现瓦斯难以抽放以及煤层透气性差的情况，容易带来开采事故，无益于防突指标下降。为此，实际作业中应当引入CO2气相压裂增透技术，拓展原生裂隙，提高透气程度，避免出现瓦斯突出产生瓦斯包的问题，降低危险性。

1 现场试验

1.1 测验点概况

本工程的地质条件为陆相湖泊型沉积，其巷道断面结构为6 m×3.7 m，长度为1 688 m，煤层容重为1.5 t/m3，总厚度为7.05 m。整体采取全锚支护形式，经过初始瓦斯基础参数测试，对应的结果，如表1 所示。

表1 采煤工程初始瓦斯基础参数测试结果

1.2 钻孔布置

运用边掘边抽的方式，设置双翼迈步钻场，沿着巷道两侧布置钻场，并将步距设置为40 m。利用钻孔将钻场均分为两排三列，钻孔倾角、孔径和孔深分别为1°、120 mm、120 m，并设置掘进头抽采钻孔，于工作面平行分布3 排孔，钻孔倾角、孔径和孔深分别为0°～2°、120 mm、120 m。针对钻孔设置符合两翼结构的工作面和钻场，以此保证在并网带抽的过程中能够对钻孔实施相应操作，使得单孔浓度、工作面抽采参数和各钻场的观测时间超过3 d[1]。

实施观测作业后，进入到并网预抽环节，就工作面和两翼钻场的CO2预裂钻孔作用约5 d，对比分析前后瓦斯抽采量，并分设压裂钻孔置于左右钻场。设定钻孔参数为：距外轮廓线1.2 m、倾角为1°、方位角1°、距煤层底板距离1.5 m、处于左钻场、钻孔深度120 m、孔径Φ120 mm，并保证与掘进面垂直。另一钻孔的参数为：距外轮廓线1.2 m、倾角为1°、方位角0°、距煤层底板距离1.5 m、处于右钻场、钻孔深度120 m、孔径Φ120 mm，并保证与掘进面垂直。利用麻花钻杆施工，运用自动排渣手法设置压裂钻孔，并保证施工速度维持等速状态，整体速度较缓，检查孔位是否光滑平直。试验中所钻压裂孔深度大于120 m，清除煤渣，保持孔内清洁[2]。此次试验中掘进面试验钻孔的布置情况，如图1 所示[3]。

图1 工程掘进面试验钻孔布置图

1.3 压裂工艺

此次掘进面施工前需对所使用的CO2预裂器型号予以确定，其中，对应参数为：压力70～270 MPa、反应时间20～45 ms、液态CO2膨胀体积1∶600、液态CO2质量1 400 g、长度200 mm、直径68 mm、型号C74。施工前需检查CO2预裂器是否处于正常工作状态，在打好钻孔中送入填装完毕的CO2预裂器。此次试验所使用的CO2预裂器为15 个，将其利用连接件连接过程中应当检查电阻数据，针对电阻数据异常情况需深入研究原因，以此确保在后续试验中能够提供正常作用。

通过读图可以发现，使用胶囊封孔器连接CO2预裂器的最后一端，连接前经过封孔引出杆依次放入钻孔中，并在连接管中穿出引线，置于封孔另一区域，外部与注液高压软管连接，在距离孔口约13 m 位置放置胶囊封孔器。整体连接方式从左至右为顶杆、打压泵、注液高压软管、封孔引出杆、封孔胶囊和CO2预裂器，当打压泵与注液高压管连接完毕，打压至5～9 MPa，将孔封闭[4]。

检查整体连接是否符合试验要求后，施工人员需转移场地，并张拉放炮引线，张拉长度应当超过350 m。精准检验测试数据，参照放炮标准，检查人员撤离情况，按照先连接爆发器后深孔预裂煤层的顺序，将CO2高压气体作用于煤层深孔中。实施预裂作业后，测定钻孔内压力，读取高低压力表读数。经过0.5 h，压力趋近于0，此时瓦斯处于安全状态，及时撤出封孔器，逐个取出CO2预裂器，而后接通抽采结构，完成抽采和数据记录工作。查看孔内压力，若压力值>0.5 MPa，应当泄压释放孔内压力，直至压力值符合要求，继续拆除封孔。

2 效果分析

2.1 瓦斯预警超限

经试验，明显减少工作面响煤炮问题，避免出现瓦斯包，在巷道掘进作业中均匀释放瓦斯。在此基础上，针对偏帮和高顶问题也在应用CO2气相压裂技术后有所改善，不易出现瓦斯预警超限问题，提高施工安全性。

2.2 防突指标

经试验，井下实测结果可以得到：预抽前的瓦斯含量最大值、瓦斯压力最大值和K1实测最大值分别为0.84 m3/t、0.53 MPa、0.63；抽测后的瓦斯含量、瓦斯压力和K1实测最大值分别为7.3 m3/t、0.29～0.44 MPa、0.3～0.4 间，对比抽测前后数据看出，应用CO2气相压裂技术能够有效降低防突指标，具备较为明显的消突成效，有效抑制突出问题，便于在煤层抽采中提供良好作业条件。

2.3 透气性

经试验，气相压裂前后的透气性系数分别为0.029 4 m2/（MPa2·d）、0.798 3 m2/（MPa2·d），处理后透气性增加27 倍，说明透气性明显提升，符合可抽采煤层结构特点。

2.4 割煤循环时间

经试验，气相压裂前后的割煤循环时间分别为50～55 min/排、40～45 min/排，说明应用CO2气相压裂技术能够有效缩短单排割煤时间，提高生产效能。

2.5 抽采效果

经试验，气相压裂后的预抽单孔抽采纯量最大值、单孔衰减、预抽单孔平均抽采纯量分别为0.4、0.05、0.125 m3/min，说明增透能力提高，抽采达标所需时间减少，抽采效果显著提高。

3 实践应用

以某煤矿为例，该煤矿是高瓦斯矿井，其设计生产能力为4 Mt/a。经过前探钻孔探测后，其主采煤层以亮煤为主，煤层厚度约5.81 m，下部结构为炭质泥岩，顶板为泥岩。经过实测，区域瓦斯的原始压力处于2.23～3.72 MPa 区间，瓦斯含量为20.14 m3/t，出现明显的瓦斯动力情况，应当采取防突和消突处理。

应用CO2气相压裂增透技术引入型号为C-47的气象压裂设备，其封孔长度、压力、反应时间、单根压裂杆长度、压裂杆直径分别为1 m、60～270 MPa、20～40 ms、2 m、67 mm。在距离煤层顶板法向距离约9 m 处开展扩区进风立井工作，设定气相压裂孔数量为32 个，且在各个压裂孔中设置压裂杆4 根，每个压裂杆间以串联方式相互作用，且将起爆装置安装于压裂杆头。装填压裂杆作业完毕后，运用气相压裂施工办法，布置钻孔位置，并按照表2 参数配置压裂钻孔。

表2 某煤矿扩区进风立井压裂钻孔参数

将2BE1335-1BD3型号的水环真空泵安装于距离进风立井井口约55 m 处，并就在井筒悬吊抽放干管，其内径为Φ160 mm，支管材料为PVC，内径为Φ60 mm，使用聚氨酯材料作为封孔材料。抽放管路于钻孔施工完毕后接入，避免运用自然排放方式，防止出现瓦斯超限问题。待钻孔作业完全结束后，实现并网。设置闸阀，放置于各个抽放支管上，便捷单孔抽放量的观察和控制工作。

将钻屑瓦斯解吸指标和瓦斯含量作为防突效果检验指标，分别为K1和Δh2，依照防突规定，设计效果检验试验。分别于施工时间最晚和施工密度最小的钻孔施工附近，选取4 个试验对象，测量钻孔内湿煤样的钻屑瓦斯解吸指标和瓦斯含量。经过测定，K1=0.2 mL/（g·min1/2），Δh2=120 Pa，残余瓦斯含量为6 m3/t。因此，可以得出距离煤层顶板法向5 m 为可掘进范围。由此说明，试验指标均可符合防突需要，煤层经CO2气相压裂增透技术应用并处理后，突出危险消失，可继续开采。

4 结语

基于防突指标下降视角的CO2气相压裂增透技术应用的现场试验布置和准备方法，并通过试验得到与防突指标相关的指标数值。经过前后气相压裂作用结果对比，以及实践应用，得到应用CO2气相压裂增透技术能够降低瓦斯预警超限事故率、提升透气性、缩短割煤循环时间、降低防突指标的结论，说明应用此技术能够有效提升抽采效果。