CO2增透預(yù)裂強(qiáng)化煤層瓦斯抽采的試驗(yàn)研究

李 鵬

(山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 030024)

煤層氣的開發(fā)利用能夠緩解我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中能源的供需矛盾，改善能源結(jié)構(gòu)狀況，保護(hù)大氣環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會的協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展[1-4]. 2015年全國煤層氣產(chǎn)量44.25億m3，采收率平均只有23%[5]，與美國等煤層氣利用先進(jìn)國家差距大，客觀在于我國煤儲層構(gòu)造復(fù)雜，滲透性普遍比美國低2～3個(gè)數(shù)量級[6]，因此煤儲層的增透技術(shù)亟需提高。通過水力壓裂、裸眼洞穴及高能氣體壓裂等物理增透方法[7-9]能夠改善煤層透氣性，其工藝技術(shù)的重點(diǎn)各有不同。采用液態(tài)CO2預(yù)裂技術(shù)預(yù)裂煤層并進(jìn)行強(qiáng)化抽采，既利用CO2相態(tài)改變導(dǎo)致體積變化引發(fā)沖擊效應(yīng)使煤層孔隙裂隙度增加，又兼顧C(jī)O2與瓦斯氣體相對煤骨架的競爭吸附優(yōu)勢，達(dá)到提高煤層氣抽采率的目的。結(jié)合西山煤電官地礦當(dāng)前抽采工藝，采用液態(tài)CO2預(yù)裂爆破技術(shù)強(qiáng)化煤層瓦斯的抽采效果，詳細(xì)論述試驗(yàn)過程，并與未預(yù)裂煤層進(jìn)行對比分析，技術(shù)的優(yōu)劣，為CO2增透預(yù)裂強(qiáng)化煤層瓦斯抽采提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工作面概況

官地礦地面位于廟前山東南側(cè)白石溝兩側(cè)與東溝西側(cè)山梁上，植被發(fā)育，灌木叢生，無重要建筑物。蓋山厚度594～792 m，平均厚度693 m. 井下22613為CO2預(yù)裂試驗(yàn)工作面，與其臨近的是22611工作面，二者相距32 m. 22613工作面標(biāo)高964～1 042 m，設(shè)計(jì)走向長1 390 m，可采走向長1 230 m，采長220 m. 煤層瓦斯壓力0.36 MPa，瓦斯含量5.71 m3/t，孔隙率2.14%～5.26%，煤層透氣性系數(shù)為0.615 27 m2/(MPa2·d)，屬于可以抽放煤層，22611工作面情況與之類似。

2 CO2增透預(yù)裂抽采鉆孔設(shè)計(jì)

預(yù)裂過程中，液態(tài)CO2相態(tài)改變，瞬間產(chǎn)生高速氣流沖擊煤體，形成新生裂隙，并在一定范圍內(nèi)對煤體造成破壞形成破碎區(qū)，煤體骨架的這種變化有利于瓦斯的流動及抽采。

現(xiàn)場鉆孔時(shí)，在工作面正巷密集平行布孔，沿傾向打順層水平鉆孔進(jìn)行本煤層瓦斯抽采。

1) 鉆孔角度。按照本煤層瓦斯預(yù)抽的方法，所有鉆孔均垂直于煤壁，采用密集平行布孔，開孔位置距巷道底板1.4 m. 根據(jù)煤層傾角以及工作面正、副巷標(biāo)高的變化，考慮到鉆桿施工過程中存在一定的下沉量，所以鉆孔傾角取0.2°～4.8°.

2) 鉆孔長度。按照本煤層布孔的要求，由于工作面傾向長220 m，設(shè)計(jì)鉆孔長度為180 m.

3) 鉆孔直徑。鉆孔直徑大，鉆孔暴露煤的面積亦大，鉆孔抽采量相應(yīng)增加。根據(jù)鉆機(jī)性能、施工速度與技術(shù)水平、抽采瓦斯量等因素確定鉆孔開孔直徑113 mm、終孔直徑為113 mm、擴(kuò)孔10 m.

4) 鉆孔間距。根據(jù)22613正巷CO2增透預(yù)裂孔1#—5#試驗(yàn)結(jié)果，確定22613正巷本煤層鉆孔間距為8 m時(shí)為抽采效果最佳(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見附表1)，停采線往里25 m內(nèi)鉆孔間距確定為5 m，剩余鉆孔間距均為8 m.

表1 不同鉆孔間距瓦斯抽采濃度表

3 CO2增透預(yù)裂煤層瓦斯抽采的效果及分析

分析預(yù)裂鉆孔的抽采效果，采用22613正巷支管路總抽采量除以總鉆孔數(shù)量得出單孔平均瓦斯抽采量，與鄰近22611正巷未預(yù)裂本煤層鉆孔單孔抽采量進(jìn)行對比分析。

22613工作面共150個(gè)鉆孔，待該工作面鉆孔全部施工完畢，分別進(jìn)行CO2增透預(yù)裂試驗(yàn)，預(yù)裂完畢，抽取4個(gè)進(jìn)行過增透預(yù)裂的代表性鉆孔與鄰近22611工作面4個(gè)未進(jìn)行過增透預(yù)裂的鉆孔進(jìn)行對比，從剛做完增透預(yù)裂帶入系統(tǒng)開始連續(xù)觀測一個(gè)月，每隔5天記錄抽采數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析。

3.1 22611正巷未預(yù)裂瓦斯抽采濃度

不同鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖見圖1.

圖1 不同鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖

從圖1可知，22611正巷鉆孔瓦斯抽采濃度在抽采初期比較大，平均在25%以上，抽采12天后抽采濃度明顯開始降低，抽采24天后，下降的趨勢更大，至抽采1個(gè)月后抽采濃度降至20%以下。

3.2 22613正巷CO2增透預(yù)裂后瓦斯抽采濃度

預(yù)裂本煤層后不同鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖見圖2.

圖2 預(yù)裂本煤層后不同鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖

22613正巷本煤層鉆孔剛預(yù)裂完立即帶入抽采系統(tǒng)單孔抽采濃度能達(dá)到50%以上，隨著抽采時(shí)間的延長，瓦斯抽采濃度能夠穩(wěn)定在28%～55%，而鄰近22611工作面未采用CO2增透預(yù)裂的本煤層鉆孔瓦斯抽采濃度在15%～28%，大部分預(yù)裂鉆孔的瓦斯抽采濃度較未預(yù)裂鉆孔均有大幅提高。隨著22613工作面預(yù)裂鉆孔抽采時(shí)間延長，鉆孔的抽采濃度、流量呈衰減趨勢，抽采現(xiàn)場需根據(jù)情況及時(shí)調(diào)節(jié)抽采負(fù)壓，確保抽采效果。

3.3 22611及22613正巷支管路瓦斯抽放量

22611及22613正巷高負(fù)壓支管瓦斯抽采對比情況見圖3. 從圖3可以看出，22613工作面經(jīng)過CO2預(yù)裂后瓦斯抽放量比未經(jīng)預(yù)裂的22611工作面明顯增大，最大值為1.501 m3/min，每日平均抽采量為1.297 m3/min，平均單孔抽采量為0.008 m3/min；而臨近22611工作面未預(yù)裂本煤層，抽放量最大值為1.119 m3/min，每日平均抽采量為0.852 m3/min，平均單孔抽采量為0.003 m3/min. 22613正巷預(yù)裂鉆孔單孔瓦斯抽采量較22611正巷未預(yù)裂鉆孔提高了1.67倍。

圖3 瓦斯抽放量對比圖

4 結(jié) 論

CO2本煤層增透預(yù)裂試驗(yàn)，抽采現(xiàn)場中未發(fā)現(xiàn)有積水、煤渣現(xiàn)象，瓦斯抽采濃度和抽放量均有明顯增高，抽采系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、管理方便、抽采效果明顯，具體表現(xiàn)在：

1) CO2增透預(yù)裂后各鉆孔瓦斯抽采濃度均明顯增大，單孔抽采濃度能達(dá)到50%以上，隨著抽采時(shí)間的延長，瓦斯抽采濃度穩(wěn)定在28%～55%，而鄰近22611工作面未采用CO2增透預(yù)裂的本煤層鉆孔瓦斯抽采濃度在15%～28%，大部分預(yù)裂鉆孔的瓦斯抽采濃度較未預(yù)裂鉆孔均有大幅提高。

2) CO2預(yù)裂后本煤層瓦斯抽放量比未經(jīng)預(yù)裂的22611工作面明顯增加，最大值為1.501 m3/min，日平均抽采量為1.297 m3/min，平均單孔抽采量為0.008 m3/min；而臨近22611工作面未預(yù)裂本煤層，抽放量最大值為1.119 m3/min，日平均抽采量為0.852 m3/min，平均單孔抽采量為0.003 m3/min. 22613正巷預(yù)裂鉆孔單孔瓦斯抽采量較22611正巷未預(yù)裂鉆孔提高了1.67倍。

3) 工作面預(yù)裂鉆孔抽采時(shí)間延長，鉆孔的抽采濃度、流量呈衰減趨勢，抽采現(xiàn)場需根據(jù)情況及時(shí)調(diào)節(jié)抽采負(fù)壓，確保抽采效果。

4) 個(gè)別鉆孔余渣不能很好地排出，影響抽采鉆孔封孔及鉆孔預(yù)裂工作，鉆孔預(yù)裂后瓦斯?jié)舛人p明顯，對抽采效果影響大，宜采用風(fēng)鉆進(jìn)行掃孔、捅孔等措施，減少煤渣積存量，增強(qiáng)抽采效果。