CO2預(yù)裂增透技術(shù)在區(qū)域消突的應(yīng)用

郭愛軍，令狐建設(shè)，孟秀峰，趙慶珍，溫兆翠，曹代勇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600；3.山西陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象。它是煤礦井下含瓦斯煤層被揭露時(shí)，由煤體向巷道或采場(chǎng)突然噴出大量的瓦斯及碎煤，在煤體中形成特殊形狀的空洞，并形成一定的動(dòng)力效應(yīng)[1]。煤與瓦斯突出嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，具有極大的破壞性，是煤礦井下最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。

通過在陽煤集團(tuán)試驗(yàn)礦井開展CO2煤層預(yù)裂增透現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析CO2煤層預(yù)裂增透技術(shù)對(duì)本煤層的預(yù)裂增透效果，制定CO2煤層預(yù)裂增透抽采瓦斯快速掘進(jìn)技術(shù)方案，形成適合于陽煤集團(tuán)試驗(yàn)礦井CO2煤層預(yù)裂增透技術(shù)工藝，為陽煤集團(tuán)高突礦井掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)提供技術(shù)支撐。

1 CO2預(yù)裂增透技術(shù)裝備

利用CO2預(yù)裂增透治理瓦斯技術(shù)主要通過液態(tài)CO2在密閉空間液-氣兩相轉(zhuǎn)變的過程中，釋放出的大量高能氣體，對(duì)煤體進(jìn)行預(yù)裂[2]。在31℃以下 ，7.2MPa壓力以上的物理狀態(tài)，CO2以液態(tài)存在。當(dāng)溫度高于31 ℃時(shí)，以液態(tài)狀態(tài)存在的CO2可在10～30ms內(nèi)氣化，同時(shí)產(chǎn)生60～200MPa的壓力對(duì)煤體造成“爆轟”沖擊 ，在30～60ms內(nèi)，氣化的CO2能產(chǎn)生高壓沖擊波從而對(duì)煤體沖擊致裂，增加煤體的透氣性。同時(shí)，CH4在煤中的吸附性能弱于CO2，氣化進(jìn)入煤體內(nèi)的高壓CO2可以起到置換和驅(qū)替煤中CH4的作用。在致裂增透和置換驅(qū)替的雙重作用下，煤層中CH4解析、擴(kuò)散、滲流能力提高，從而增加煤層瓦斯的抽采效率。

CO2預(yù)裂裝備組件由可調(diào)式頂桿、引出桿、水壓封孔器、連接件、預(yù)裂裝置組成。預(yù)裂裝置的工作原理：利用液體CO2在極短的時(shí)間內(nèi)受熱膨脹，釋放出高壓氣體，產(chǎn)生的高壓波破碎煤層產(chǎn)生預(yù)裂作用，最終達(dá)到增透的目的(圖1)。

圖1 預(yù)裂裝置

2 CO2預(yù)裂區(qū)域消突試驗(yàn)

2.1 瓦斯地質(zhì)概況

寺家莊公司礦井工業(yè)場(chǎng)地在昔陽縣城西南約7km處。井田位于沁水煤田的東北邊緣，總體上是呈東高西低的單斜，含煤地層由老到新依次為：本溪組、太原組、山西組、下石盒子組。其中，太原組、山西組為主采煤層，是主要勘探對(duì)象?？刹擅簩訛?，9，15號(hào)煤層。

試驗(yàn)地點(diǎn)選在15203工作面，試驗(yàn)工作面主采15號(hào)煤，該煤層一般含1～2層夾矸，多呈塊狀及粉狀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤巖以鏡煤為主，其次為暗煤，煤巖類型屬于光亮型煤，性質(zhì)較松軟。15號(hào)煤層透氣性系數(shù)為0.175(m2/MPa2·d)，工作面瓦斯含量14～17m3/t，瓦斯壓力1.0～1.3MPa，瓦斯涌出量18～20m3/t。寺家莊公司在礦建期間曾發(fā)生過2次壓出型煤與瓦斯突出，經(jīng)中煤科工集團(tuán)沈

陽研究院鑒定，寺家莊公司為煤與瓦斯突出礦井，15號(hào)煤層為煤與瓦斯突出煤層[3]。

工作面東部發(fā)育有DF17和DF3共2條正斷層。DF17產(chǎn)狀34°NW∠70°；DF3產(chǎn)狀297～225°NE～SE∠40°，落差6m。工作面中部發(fā)育有DF1正斷層，產(chǎn)狀328～216°NE～SE∠35～40°，落差19m。試驗(yàn)工作面內(nèi)發(fā)育有DX16，DX19，DX7共3個(gè)陷落柱，其范圍分別54m×54m，33m×24.3m，40m×11.8m[3]。

2.2 15203工作面CO2預(yù)裂增透試驗(yàn)

在15203回風(fēng)巷進(jìn)行工程試驗(yàn)，5月8日開始施工至5月22日結(jié)束，共施工1個(gè)CO2預(yù)裂孔，10個(gè)抽采孔。預(yù)裂孔位于巷道中線上，距底板1.6m。10個(gè)抽采孔位于預(yù)裂孔兩側(cè)，左1至左5孔位于左側(cè)，左1、左2孔位于同一縱向上，距離預(yù)裂孔5.6m，孔間距1.0m，左2孔距底板1.1m；左3、左4、左5位于同一縱向上，距離預(yù)裂孔4.8m，孔間距0.5m，左5孔距底板1.1m。右1至右5孔位于右側(cè)，右1、右2孔位于同一縱向上，距離預(yù)裂孔5.6m，孔間距1.0m，右2孔距底板1.1m；右3、右4、右5孔位于同一縱向上，距離預(yù)裂孔4.8m，孔間距0.5m，右5孔距離底板1.1m(圖2，表1)。

圖2 15203工作面預(yù)裂、抽采鉆孔布置剖面

孔號(hào)角度/(°)方位角/(°)鉆孔深度/m距底板/m預(yù)裂深度/m中1-11S0°901.6左1-12-17902.1左2-12-14901.1左3-10-11902.1左4-10-9751.6左5-11-6901.1右1-1017902.1右2-714741.1右3-1011902.1右4-109901.6右5-66901.120～50

施工完成后，5月25日8點(diǎn)班進(jìn)行了CO2預(yù)裂試驗(yàn)，共進(jìn)行了2次預(yù)裂，第1次預(yù)裂深度50m，第2次預(yù)裂深度29m。

3 預(yù)裂效果分析

3.1 區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及區(qū)域措施效果檢驗(yàn)

在15203工作面回風(fēng)巷試驗(yàn)區(qū)預(yù)裂試驗(yàn)前，在左4、中1、右4每個(gè)鉆孔分別取樣3個(gè)，共計(jì)取樣9個(gè)，測(cè)試預(yù)裂前的瓦斯參數(shù)，最大瓦斯含量12.2m3/t，最小瓦斯含量7.63m3/t，最大瓦斯壓力為0.35MPa(圖3，表2)。

預(yù)裂后在試驗(yàn)區(qū)施工3個(gè)效果檢驗(yàn)鉆孔，分別為測(cè)左4、測(cè)中2、測(cè)右4。其中，測(cè)左4位于左4右側(cè)，距離為0.5m，測(cè)中2位于中1右側(cè)，距離為0.5m，測(cè)右4位于右4左側(cè)，距離為0.5m(圖2)。6月5日效果檢驗(yàn)鉆孔施工完畢，取樣測(cè)試預(yù)裂11d后的瓦斯參數(shù)，共取樣11個(gè)，最大瓦斯含量6.92m3/t，最小瓦斯含量6.05m3/t，最大瓦斯壓力為0.193MPa(圖3，表2)。

圖3 二次預(yù)裂前、后瓦斯含量變化

深度/m瓦斯含量/(m3·t-1)瓦斯壓力/MPa瓦斯?jié)舛?%風(fēng)排瓦斯量/(m3·min-1)試驗(yàn)前9012.200.3350.221.76試驗(yàn)后856.920.1930.211.68

通過預(yù)裂前后的效果檢驗(yàn)，瓦斯含量由預(yù)裂前的平均9.46m3/t，降到預(yù)裂后6.53m3/t，瓦斯壓力從預(yù)裂前0.335MPa降到預(yù)裂后的0.193MPa(圖3，表2)。CO2預(yù)裂后，在預(yù)裂半徑范圍內(nèi)的壓力明顯減低，起到了卸壓增透的作用。同時(shí)，CO2置換和驅(qū)替了預(yù)裂孔周圍的CH4，在“置換、驅(qū)替”的作用下，煤層中的瓦斯迅速向周邊擴(kuò)散，使得在預(yù)裂范圍內(nèi)的瓦斯含量快速下降。

3.2 CO2預(yù)裂與常規(guī)措施掘進(jìn)效率分析

為了測(cè)試預(yù)裂與常規(guī)措施掘進(jìn)的效率，本次試驗(yàn)對(duì)CO2預(yù)裂與常規(guī)區(qū)域預(yù)抽措施(15203工作面回風(fēng)巷最后一個(gè)循環(huán))工程量及掘進(jìn)效率進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下(表3)：

表3 常規(guī)措施區(qū)域預(yù)抽與CO2預(yù)裂工程量對(duì)比

4 結(jié) 論

鉆孔工程量 常規(guī)區(qū)域預(yù)抽每一個(gè)循環(huán)施工預(yù)抽孔45個(gè)，設(shè)計(jì)平均每個(gè)鉆孔90m，共計(jì)4050m，施工時(shí)間65d；本次試驗(yàn)施工CO2預(yù)裂鉆孔1個(gè)，抽采鉆孔10個(gè)，平均每個(gè)鉆孔90m，共計(jì)990m。施工時(shí)間15d。

預(yù)抽時(shí)間 常規(guī)區(qū)域預(yù)抽每一個(gè)循環(huán)預(yù)抽時(shí)間108d；CO2預(yù)裂預(yù)抽時(shí)間為15d。

局部措施 常規(guī)區(qū)域預(yù)抽平均每一循環(huán)需采區(qū)的局部措施時(shí)間為2d(K1值不超標(biāo)仍采取局部措施)；CO2預(yù)裂局部措施平均每一循環(huán)也為2d。

掘進(jìn)效率對(duì)比 據(jù)表3統(tǒng)計(jì)分析，采用常規(guī)區(qū)域預(yù)抽消突與CO2預(yù)裂消突各項(xiàng)工程的工程量有較大幅度的較低。其中鉆孔施工時(shí)間由65d降低到15d；預(yù)抽時(shí)間由108d驟降到15d；局部措施時(shí)間由12d降到6d；掘進(jìn)由21d降到10d。常規(guī)區(qū)域預(yù)抽掘進(jìn)進(jìn)尺70m，月掘進(jìn)10.1m；CO2預(yù)裂掘進(jìn)進(jìn)尺40m，月掘進(jìn)26.1m，與常規(guī)措施相比，掘進(jìn)效率提高了1.6倍。

(1)CO2預(yù)裂后，受到外力擾動(dòng)作用，預(yù)裂半徑范圍內(nèi)壓力明顯較低，起到卸壓增透作用。同時(shí)，CO2置換和驅(qū)替了預(yù)裂孔周圍的CH4，在“置換、驅(qū)替”的作用下，瓦斯迅速向周邊擴(kuò)散，使得在預(yù)裂范圍內(nèi)的瓦斯含量快速下降。

(2)本次試驗(yàn)的CO2預(yù)裂消突效果與常規(guī)區(qū)域預(yù)抽措施工程量及掘進(jìn)效率進(jìn)行對(duì)比，CO2預(yù)裂鉆孔工程量比常規(guī)措施鉆孔工程量減少了4.1倍； 與常規(guī)措施相比，掘進(jìn)效率提高了1.6倍。

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