液態(tài)二氧化碳相變致裂在煤礦瓦斯災(zāi)害中的試驗(yàn)研究

蔣志剛,成艷英,王小兵

(1.四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,四川成都610091;2.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院,重慶400044)

0 前言

我國(guó)煤層瓦斯地質(zhì)條件極其復(fù)雜,透氣性低、地應(yīng)力高、煤層松軟、瓦斯壓力大、含量高,其特征如下:煤層透氣性系數(shù)極低,一般為10-5～10-2mD,比美國(guó)平均水平低3 ～4 個(gè)數(shù)量級(jí);瓦斯的吸附性極高,90% 吸附于煤體中;煤層埋深800 ～1 200 m,地應(yīng)力高達(dá) 20 ～40 MPa;煤層松軟,堅(jiān)固性系數(shù) f 為 0.2 ～0.5;煤層瓦斯壓力高 3 ～14 MPa[1-3]。

對(duì)于低透氣性、高吸附難抽煤層,國(guó)外幾乎不開(kāi)采,因而缺乏相關(guān)理論及技術(shù)研究,而我國(guó)這類煤層瓦斯抽采率很低,平均僅為23.5%。現(xiàn)有的高瓦斯和突出礦井通常采取的辦法是穿層鉆孔或順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯。為了解決單一低透氣性煤層中瓦斯預(yù)抽的難題,國(guó)內(nèi)外研究人員提出了水壓預(yù)裂、水力軟化、深孔預(yù)裂爆破等措施來(lái)增加煤體的透氣性[4],這些措施在提高瓦斯抽采效果方面起到了一定作用,也是煤礦工程技術(shù)人員在探索瓦斯治理方面取得的寶貴經(jīng)驗(yàn)。然而,這些措施還存在著或多或少的不足之處[5-7]。

為了解決單一低透氣性煤層的瓦斯預(yù)抽難題,將液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)引入低透氣性煤層增透,在川煤集團(tuán)白皎煤礦2372 風(fēng)巷進(jìn)行了一系列的試驗(yàn),并分析其效果。得出該項(xiàng)技術(shù)既能達(dá)到瓦斯抽采增透措施的良好效果,同時(shí)在技術(shù)、裝備和操作層面能簡(jiǎn)單、快速和安全高效實(shí)施,為解決礦井瓦斯問(wèn)題提供了新的思路。

1 液態(tài)二氧化碳的理化性質(zhì)及相變致裂技術(shù)路徑

二氧化碳(Carbon dioxide)是惰性氣體,來(lái)源廣泛,常溫、常壓下是無(wú)色無(wú)味的氣體。不同的壓力、溫度條件下有三種存在形態(tài),化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在固液氣三態(tài)均不助燃,不燃燒。當(dāng)空氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)超過(guò)3%時(shí),人會(huì)產(chǎn)生呼吸困難頭痛等癥狀,當(dāng)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)超過(guò)25%時(shí),人體會(huì)產(chǎn)生中樞神經(jīng)紊亂甚至窒息死亡。二氧化碳作為常用滅火劑,當(dāng)空氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)超過(guò)29.2%時(shí),就能使燃燒反應(yīng)熄滅。二氧化碳具有升華特性,其三相圖如圖1 所示升華點(diǎn)為-78.5 ℃(0.1 MPa),熔點(diǎn)為-56.6 ℃(0.52 MPa),臨界溫度為 31.3 ℃,臨界壓力為 7.28 MPa。在低溫加壓條件下CO2氣體可變?yōu)橐簯B(tài),可利用蒸發(fā)潛熱做成雪片狀固體,繼續(xù)冷卻加壓可成干冰(固體碳酸)。

圖1 二氧化碳三相圖

在井下實(shí)施液態(tài)二氧化碳相變致裂過(guò)程如圖2 所示。首先,利用鉆機(jī)將相變致裂裝置推入鉆孔中的預(yù)先設(shè)計(jì)的位置,在鉆孔外將推送桿的內(nèi)置導(dǎo)線與起爆器用起爆線相連。然后,采用礦用本安型起爆器,引發(fā)專用發(fā)熱管迅速反應(yīng),產(chǎn)生的熱量使儲(chǔ)液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳在20 ms 時(shí)間內(nèi)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài),使得氣體壓力急劇升高,最高可達(dá)270 MPa[8]。當(dāng)氣體二氧化碳?jí)毫ι桨踩▔盒鼓芷念~定工作壓力時(shí),會(huì)瞬間將泄能片沖破,并通過(guò)釋放筒上的定向孔向外釋放,體積增加600 ～700 倍,隨后,氣體二氧化碳通過(guò)定向管的導(dǎo)向作用,定向沖擊煤巖壁。

圖2 液態(tài)CO2裝置在井下使用示意圖

液態(tài)二氧化碳在鉆孔內(nèi)相變致裂后,會(huì)產(chǎn)生劇烈的應(yīng)力波和高壓氣體。二氧化碳相變致裂應(yīng)力波以及高壓氣體作用下的煤巖破壞是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。首先液態(tài)二氧化碳受熱急劇膨脹轉(zhuǎn)變成高壓氣體,作用在鉆孔煤巖壁上,進(jìn)而使得鉆孔周圍煤巖體壓縮變形。鉆孔周圍會(huì)形成一定區(qū)域的壓縮粉碎區(qū)。隨著時(shí)間的進(jìn)行,氣體壓力進(jìn)一步作用,煤巖體中的微小裂紋開(kāi)始發(fā)育,在鉆孔周圍支段裂隙在一定區(qū)域內(nèi)貫通,與爆破初期形成的主裂隙相互貫通;液態(tài)二氧化碳爆破產(chǎn)生的壓縮粉碎區(qū)的主裂隙以及后期造成的環(huán)狀裂紋貫通;在應(yīng)力波作用后期,其沖擊強(qiáng)度變小,只能產(chǎn)生一定范圍的震動(dòng)。裂隙的增加,使得瓦斯由吸附態(tài)解吸為游離態(tài),可以提高瓦斯抽采的效率,進(jìn)而達(dá)到快速卸壓的目的。

2 液態(tài)二氧化碳相變致裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

2.1 CO2相變致裂裝置

CO2相變致裂裝置主要由釋放管、CO2儲(chǔ)液管、加熱器、灌液閥、接頭、定壓剪切片、輸送桿和支撐桿、電線、本安電源等組成,具體連接如圖3 所示。

圖3 液態(tài)CO2相變裝置主要結(jié)構(gòu)

2.2 白皎礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

白皎煤礦是典型的瓦斯高突礦井,2372 掘進(jìn)工作面,煤層位于宣威組第二段上部二號(hào)(B4)煤層中,瓦斯含量在 15 m3/t 左右,壓力在 1.4 ～1.6 MPa之間,煤層厚度為1.5 ～2 m,為近水平煤層。引爆裝置和地面充裝現(xiàn)場(chǎng)如圖4 所示。

圖4 引爆裝置和地面充裝現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)工藝流程:設(shè)計(jì)兩個(gè)致裂鉆孔,鉆孔開(kāi)孔圖如圖5 和圖6 所示。孔深30 m,孔徑≥94 mm。鉆孔施工順序:先施工1#孔和2#孔,進(jìn)行瓦斯抽采,20 d 后,再進(jìn)行單管液態(tài)CO2相變致裂試驗(yàn),試驗(yàn)24 h 后,再進(jìn)行封孔抽采,測(cè)定致裂后的瓦斯參數(shù)值。鉆孔參數(shù)表見(jiàn)表1。

圖5 預(yù)裂鉆孔平面圖

圖6 預(yù)裂鉆孔開(kāi)孔示意圖

表1 鉆孔參數(shù)表

在1#、2#鉆孔內(nèi)實(shí)施雙管預(yù)裂,液態(tài)CO2的量為3.6 kg;兩次預(yù)裂的時(shí)間間隔為24 h。

3 液態(tài)二氧化碳相變致裂效果分析

通過(guò)考察白皎礦2372 工作面致裂鉆孔瓦斯抽采參數(shù)變化曲線,來(lái)分析液態(tài) CO2相變致裂的效果。經(jīng)過(guò)50 余天的數(shù)據(jù)收集,致裂前后的瓦斯抽采濃度、抽采純量和抽采時(shí)間的關(guān)系如圖7 和圖8 所示?？梢缘贸?相變致裂后,抽采瓦斯的濃度(體積分?jǐn)?shù),以下瓦斯?jié)舛染鶠轶w積分?jǐn)?shù))提高明顯,且長(zhǎng)時(shí)間保持在20% ～35%左右;單孔瓦斯日抽采混合量由相變實(shí)施前的不到3 m3/ d 升高為10 m3/ d,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于致裂前的平均水準(zhǔn)。未進(jìn)行相變致裂時(shí),抽采 20 d 左右,瓦斯?jié)舛人p到12%以下;進(jìn)行相變致裂后30 d 后,抽采濃度仍未見(jiàn)衰減趨勢(shì),說(shuō)明瓦斯抽采濃度衰減周期至少提高2 倍以上。

圖7 1#相變致裂孔瓦斯抽采參數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖8 2#相變致裂孔瓦斯抽采參數(shù)隨時(shí)間變化曲線

液態(tài)二氧化碳相變致裂工程技術(shù)在透氣性低、高瓦斯煤層的實(shí)施過(guò)程中,能顯著增加煤層瓦斯抽采濃度和抽采純量,并且使抽采的衰減期延長(zhǎng),證明該項(xiàng)技術(shù)具有良好的增透效果[9]。

4 結(jié)論

1)液態(tài)二氧化碳在鉆孔內(nèi)相變致裂后,產(chǎn)生劇烈的應(yīng)力波和高壓氣體。沖擊煤巖體,產(chǎn)生大量裂隙,并在鉆孔周圍形成裂隙發(fā)育、透氣性好、壓力低的抽采區(qū)域,達(dá)到了強(qiáng)化增透的目的。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),煤體經(jīng)液態(tài)二氧化碳相變致裂后,鉆孔的瓦斯抽采濃度和抽采時(shí)間比傳統(tǒng)鉆孔法提高2 倍以上,煤層快速卸壓,降低了瓦斯含量。實(shí)踐證明,這是一種安全高效的強(qiáng)化抽采瓦斯的方法。

3)液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)工藝簡(jiǎn)單,安全可靠。同時(shí),不會(huì)對(duì)煤層的頂?shù)装瀹a(chǎn)生破壞,不會(huì)產(chǎn)生火花,在易自燃以及軟煤中也有良好的增透效果,為礦井瓦斯治理工作提供了新的參考。