簡述紅林煤礦二氧化碳致裂增透技術試驗

彭濤

摘 要 針對紅林煤礦9號煤層透氣性差、抽采難度大、掘進進度慢等現(xiàn)象，在39113掘進工作面采用深孔二氧化碳致裂增透技術進行試驗。試驗設計扇形布置的順層鉆孔，施工CO2致裂孔前先施工致裂孔臨近的抽采鉆孔作為增透時的控制抽采孔，鉆孔間距平均0.38m，采用?94mm鉆頭施工。試驗結果表明：增透措施后，煤層透氣性系數(shù)平均提高2.41倍，瓦斯涌出量衰減強度減小3.54倍;抽采15天內，增透鉆孔抽采瓦斯平均濃度提高2.46倍，平均純量提高2.74倍，顯著縮短抽采周期，為相似條件下二氧化碳致裂增透技術提供設計和實施依據(jù)。

關鍵詞 紅林煤礦;二氧化碳致裂;增透技術;瓦斯治理

紅林煤礦9號煤層透氣性差、煤層軟、抽采難度大，導致煤巷掘進速度非常慢，嚴重影響新工作面布置。紅林煤礦9號煤層目前所采取的措施主要是加密抽采鉆孔，加大抽采時間，經濟成本較高。因此，引進一種增加煤層的透氣性的技術，提高瓦斯抽采效率成為亟待煤礦當前的迫切需求。受技術條件和地質條件的影響，目前二氧化碳致裂深度一般在40～60m，超過80m的深孔致裂研究和應用相對不多[1-2]。筆者以貴州紅林煤礦主采9號煤層為研究對象，現(xiàn)場采用40～120m深度鉆孔試驗。

1二氧化碳致裂增透技術與裝備

二氧化碳致裂增透技術原理是在極短的時間內將液態(tài)二氧化碳轉化為氣態(tài)，其體積增大600倍以上，產生沖擊波向四周擴散，沖擊波與高能氣體使煤體形成新的裂隙，也能夠在原生裂隙的基礎上繼續(xù)發(fā)育和擴展，進而達到增加煤層透氣性，提高抽采濃度的效果。

二氧化碳致裂增透技術的工作流程包括致裂器組裝、液態(tài)CO2充裝、井下安裝及起爆致裂四個階段。

2二氧化碳致裂增透現(xiàn)場試驗

2.1 實施工作面概況

39113運巷工作面位于礦井一采區(qū)中部的西翼，39113運巷沿9號煤層掘進巷道，設計總長度為875m，巷道設計沿煤層走向掘進，傾斜長100m。該區(qū)域的原始瓦斯含量為11.4173m3/t，瓦斯壓力為0.74Mpa。本項目現(xiàn)場實施之前，實測9#煤層的煤層透氣性系數(shù)，測試結果為38.26m2/MPa2·d，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.0462d-1。工作面內煤厚1.9～2.3m，平均煤厚2.2m，偶含一層夾矸，夾矸厚度約0.2～0.8m，傾角平均7?。

頂板巖性以粉砂巖、細砂巖、泥質粉砂巖為主，少量泥巖、泥灰?guī)r及薄煤層組成。偽底一般為一層泥巖，厚度一般0.20m;直接底板以泥質粉砂巖、粉砂巖及細砂巖為主。頂?shù)追€(wěn)定性中等。

2.2 致裂增透方案設計

根據(jù)39113運巷工作面的現(xiàn)有瓦斯抽采情況，設計在39113運巷布置順層預抽條帶煤層瓦斯鉆孔，呈扇形布置，共設計26個抽采鉆孔，其中7個致裂孔，CO2致裂孔施工孔號4及致裂先后順序為4#、7#、11#、14#、17#、20#、23#，施工CO2致裂孔前先施工致裂孔臨近的抽采鉆孔作為增透時的控制抽采孔，即：先施工1#、2#、3#、6#鉆孔、再施工4#鉆孔并做CO2致裂;施工5#、8#、9#、10#鉆孔、再施工7#鉆孔并做CO2致裂;施工12#、13#鉆孔、再施工11#鉆孔并做CO2致裂;施工15#、16#鉆孔、再施工14#鉆孔并做CO2致裂;施工18#、19#鉆孔、再施工17#鉆孔并做CO2致裂;施工21#、22#鉆孔、再施工20#鉆孔并做CO2致裂;施工24#、25#、25#鉆孔、再施工23#鉆孔并做CO2致裂。

設計鉆孔間距平均0.38m，抽采半徑2.5m，采用?94mm鉆頭進行施工，邊孔控制在左、右?guī)洼喞€15m外。

2.3 現(xiàn)場實施

2017年12月6日夜班起在39113運巷內（控制范圍130～250m段）施工順層瓦斯超前預抽鉆孔，累計施工鉆孔11天，順層瓦斯超前預抽鉆孔呈平行或扇形布置，施工鉆孔27個，進尺2553m。

2.4 增透效果分析

（1）抽采效果分析

每個鉆孔封孔接抽放管后即開始記錄抽采時間，每日采用WGC-II瓦斯抽放管道參數(shù)測定儀進行鉆孔瓦斯抽采濃度、鉆孔瓦斯抽采純量的測定，鉆孔考察周期大于15天，并將致裂區(qū)域與未致裂區(qū)域所有鉆孔，在前15天相同抽采時間內的平均抽采濃度、瓦斯抽采純量進行對比，可知，試驗對比的前15天內，對比鉆孔（未致裂增透區(qū)域）煤層瓦斯抽采平均濃度為32.61%，致裂區(qū)域的煤層瓦斯抽采平均濃度為78.63%，是未致裂區(qū)域的2.41倍，且瓦斯抽采濃度基本維持在80%左右，衰減緩慢，抽采15天后依舊穩(wěn)定在70%以上;接抽15天內，未致裂增透區(qū)域煤層瓦斯抽采平均純量為0.085m3/min，致裂區(qū)域的煤層瓦斯抽采平均純量為0.25m3/min，是未致裂區(qū)域的2.94倍。

（2）透氣性系數(shù)考察

4#、14#、23#致裂孔作為致裂增透后煤層透氣性系數(shù)的測定孔。各測定孔封孔后，對鉆孔瓦斯自然流量進行數(shù)據(jù)測量，根據(jù)透氣性系數(shù)計算公式計算可得各孔測得煤層透氣性系數(shù)，得出4#、14#、23#三個測定孔的平均透氣性系數(shù)λ為92.148m2/MPa2·d，而9煤層在致裂增透技術應用之前其透氣性系數(shù)λ為38.25m2/MPa2·d，可得出煤層致裂后，其透氣性系數(shù)為原始煤層的2.41倍。

（3）自然流量衰減系數(shù)考察

根據(jù)所測鉆孔瓦斯自然流量，得出各鉆孔自然流量衰減系數(shù)，可得出，CO2致裂增透后，鉆孔瓦斯自然流量衰減系數(shù)β=0.010～0.016d-1，三個致裂孔平均瓦斯自然流量衰減系數(shù)為0.013d-1，致裂增透前鉆孔瓦斯自然流量衰減系數(shù)β=0.046d-1，即致裂增透后鉆孔瓦斯涌出量衰減強度減小了3.54倍。

3二氧化碳致裂增透技術效果評價

二氧化碳致裂效果主要用瓦斯含量指標來評價，39113運巷工作面原始煤層瓦斯含量為13.2887m3/t，具有煤與瓦斯突出危險性工作面，按具有煤與瓦斯突出危險進行管理。

鉆孔控制區(qū)域煤層總瓦斯含量Q=183129m3，經過14天抽采后，評價單元內的瓦斯抽采總量為99872m3，瓦斯抽采率為55%，計算得出抽采控制區(qū)域內殘余瓦斯含量Wcy=5.98m3/t。

計算鉆孔控制范圍內煤體殘余噸煤瓦斯含量為5.98m3/t，小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定的殘余噸煤瓦斯含量臨界值8m3/t。綜上所述，對39113運巷評價區(qū)域的各項指標評價結果均符合相關規(guī)定要求，因此判定該區(qū)域的抽采效果達標。

根據(jù)順層深孔預裂爆破后效果可得出，抽采14天后，控制范圍內煤體瓦斯含量均降到8m3/t以下，且施工鉆孔時沒有噴孔、頂鉆或其他動力現(xiàn)象，評判認為煤層評價范圍預抽瓦斯防突效果達標。

4結束語

（1）紅林煤礦9號煤層39113運巷CO2致裂增透后，瓦斯抽采濃度基本維持在80%上下，抽采純量保持在0.2m3/min以上;抽采期間，最大抽采濃度、純量分別達到了94.6%、0.4899m3/min。

（2）通過與對比鉆孔的考察，紅林煤礦9號煤層39113運巷CO2致裂增透后，煤層透氣性系數(shù)平均提高了2.41倍，鉆孔瓦斯自然涌出量衰減3.74倍;接抽15天內，鉆孔致裂增透后單孔平均濃度提高2.46倍，平均純量提高2.74倍;鉆孔瓦斯抽采率提高到55%以上，極其有效地提高了礦井瓦斯抽采效率。

（3）利用二氧化碳致裂增透技術能夠在深孔條件下提高紅林煤礦9號煤層的滲透性，有效提高瓦斯抽采濃度和效率，加快掘進速度，促進礦井高效、安全生產，為相似條件下二氧化碳致裂增透技術提供了設計和實施依據(jù)。

參考文獻

[1] 齊慶新，潘一山，舒龍勇，等.煤礦深部開采煤巖動力災害多尺度分源防控理論與技術架構[J].煤炭學報，2018，43（7）：1801-1810.

[2] 羅銘，劉公君.CO2深孔預裂增透前后鉆孔瓦斯抽采影響范圍測定[J].內蒙古煤炭經濟，2018（24）：139-140.