高瓦斯煤層液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯工藝參數(shù)及效果

李文福，宋戰(zhàn)宏，馬小輝，何 偉，魏高明，劉名陽，劉 蔭

(1.陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭作為我國(guó)能源供應(yīng)領(lǐng)域的支柱型產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)社會(huì)發(fā)展中起到非常重要的作用[1，2]。隨著礦井開采深度的逐漸增加，礦壓劇烈顯現(xiàn)，導(dǎo)致原始煤儲(chǔ)層整體上呈現(xiàn)“高儲(chǔ)低滲”的特征，瓦斯抽采效率低，瓦斯災(zāi)害治理難度大，嚴(yán)重影響到礦井安全高效生產(chǎn)[3，4]。基于此，水力壓裂、水力割縫、高能暴轟波致裂等一系列人工應(yīng)力改造煤巖體的技術(shù)相繼涌現(xiàn)出來，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)都能夠達(dá)到改造煤巖體滲透性、提高瓦斯抽采效率的目的[5-7]。然而，上述技術(shù)不可避免的在應(yīng)用過程中都會(huì)存在其自身的局限性[8-10]。因此，探索新的技術(shù)途徑，提高煤層瓦斯抽采效率是解決深部開采煤層瓦斯災(zāi)害高效治理的前提。液態(tài)CO2作為一種低溫、低黏度、強(qiáng)滲流且易擴(kuò)散、相變自增壓的流體，將其帶壓注入煤層，在低溫凍脹力和液態(tài)CO2與煤體傳熱傳質(zhì)相變?cè)鰤簯?yīng)力雙重作用下，煤體產(chǎn)生疲勞損傷，提高滲透性[11，12]。而且，基于液態(tài)CO2壓注壓力和瞬時(shí)相變應(yīng)力，液態(tài)CO2與煤層熱交換產(chǎn)生的溫度梯度應(yīng)力以及氣態(tài)的CO2自身良好的吸附勢(shì)能的綜合作用，能夠?qū)γ簩又械耐咚箽怏w產(chǎn)生置換-驅(qū)替雙重作用，促進(jìn)單位時(shí)間內(nèi)煤層中瓦斯的產(chǎn)量[13-15]。孟村煤礦4號(hào)煤層為典型的深井開采高瓦斯強(qiáng)沖擊性煤層，采用普通鉆孔抽采為主，風(fēng)排為輔的方式進(jìn)行瓦斯災(zāi)害治理時(shí)，存在瓦斯抽采效率低，災(zāi)害治理難度大的問題。因此，在4號(hào)煤層401盤區(qū)401101工作面回風(fēng)巷預(yù)留煤柱處開展液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)研究，總結(jié)并分析現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)關(guān)鍵性參數(shù)和瓦斯抽采效果，以期為工藝優(yōu)化和技術(shù)推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)域概況

孟村煤礦礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量為151.76m3/min，為高瓦斯礦井。本次工業(yè)試驗(yàn)選擇在孟村煤礦目前可采的4號(hào)煤層401盤區(qū)開展，煤層平均厚度為16.25m，屬于易自燃煤層。經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)鑒定，礦井目前開采的4號(hào)煤層整體破壞類型為I～I(xiàn)I類，煤質(zhì)堅(jiān)硬(普氏系數(shù)1.48～2.46)，瓦斯含量高且地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯流量衰減系數(shù)α平均值為0.0382d-1，局部區(qū)域存在強(qiáng)沖擊性，整體判定開采煤層為高瓦斯強(qiáng)沖擊煤層。4號(hào)煤層回采前采用以抽采為主，風(fēng)排為輔的方法預(yù)抽瓦斯，存在瓦斯抽采壓力大、抽采鉆孔施工密度大、工序復(fù)雜、瓦斯治理成本高、瓦斯災(zāi)害治理效率低等問題。本次煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在401盤區(qū)401101工作面回風(fēng)巷預(yù)留煤柱處進(jìn)行，煤柱區(qū)域瓦斯抽采時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2年之久，瓦斯抽采效果已經(jīng)達(dá)標(biāo)。因此，選擇在該位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的在于對(duì)液態(tài)CO2壓注過程中動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析、有效影響半徑及瓦斯抽采效果的考察。

2 液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)及工作面布置

2.1 液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)

液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)主要由液態(tài)CO2槽車、柱塞泵、T3數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)設(shè)備、壓力變送器、耐壓輸送管路、截止閥及泄壓閥等組成，如圖1所示。柱塞泵額定功率12kW，流量1000L/h，最大工作壓力12MPa。T3數(shù)據(jù)采集儀能實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)，本次試驗(yàn)主要采集孔口壓力、鉆孔內(nèi)部溫度、壓注流量、泵壓等關(guān)鍵參數(shù)。壓力變送器量程0～30MPa，主要監(jiān)測(cè)壓注過程中孔口壓力變化情況；輸送管路為耐壓0～40MPa的高壓膠管，具有耐高壓耐低溫特性；截止閥、泄壓閥主要用于壓注過程中倒流、泄壓及壓注結(jié)束的管路放空。

2.2 工作面布置

孟村煤礦401101工作面回風(fēng)巷試驗(yàn)區(qū)域鉆孔布置及具體參數(shù)如圖2所示。為了判定液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯有效影響半徑，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)壓注鉆孔(Y-1#、Y-2#)和13個(gè)效果檢驗(yàn)孔(J-1#—J-13#)，試驗(yàn)鉆孔按照3m、5m、7m、10m、15m、20m、25m的間距布置，鉆孔沿工作面傾向垂直布置，上行孔，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為140m，孔徑113mm。采用膨脹水泥砂漿反復(fù)灌注，“兩堵一注”式封孔，鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖2 試驗(yàn)區(qū)鉆孔布置

表1 鉆孔布置參數(shù)

3 液態(tài)CO2壓注關(guān)鍵參數(shù)及影響半徑

3.1 煤層注液態(tài)CO2關(guān)鍵參數(shù)分析

煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯關(guān)鍵參數(shù)見表2。由表2可知，401101回風(fēng)巷試驗(yàn)區(qū)域Y-1#孔液態(tài)CO2累計(jì)壓注時(shí)長(zhǎng)為220min，平均流量保持在0.028～0.038m3/min，最大孔口壓力為1.72MPa，液態(tài)CO2壓注累計(jì)量為5.0m3。Y-2#孔液態(tài)CO2累計(jì)壓注時(shí)長(zhǎng)為156min，平均流量維持在0.035m3/min，最大孔口壓力為1.5MPa，液態(tài)CO2壓注累計(jì)量為4.0m3，試驗(yàn)區(qū)域累計(jì)壓注液態(tài)CO2總量為9.0m3。

表2 煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯關(guān)鍵參數(shù)

401101回風(fēng)巷煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯試驗(yàn)過程中Y-1#孔、Y-2#孔壓注壓力曲線如圖3所示。煤層注液態(tài)CO2壓力整體變化趨勢(shì)為：初始注液升壓→壓力波動(dòng)→壓力衰減→二次升壓→停止注液降壓。通過分析整個(gè)試驗(yàn)過程中升壓時(shí)間、壓力波動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、波動(dòng)段壓力峰值以及最大壓力值可知：升壓時(shí)間規(guī)律性增長(zhǎng)至30min左右時(shí)，壓注壓力呈動(dòng)力學(xué)波動(dòng)，且波動(dòng)壓力、最大壓力值與波動(dòng)時(shí)間呈反比關(guān)系。隨著波動(dòng)壓力的逐漸增加，對(duì)應(yīng)的波動(dòng)時(shí)間減小，最大壓注壓力相應(yīng)增大。

圖3 液態(tài)CO2壓注過程中鉆孔壓力曲線

可以看出初始注入液態(tài)CO2充滿鉆孔過程中，液態(tài)CO2與煤體迅速對(duì)流換熱，升溫體積膨脹，壓力明顯升高[4]。隨著注液量的增加，壓注壓力保持穩(wěn)定，這是氣、液混合態(tài)CO2向煤體原始裂隙通道運(yùn)移，CO2沿著有效影響范圍穩(wěn)定輸出的過程[8]。當(dāng)液態(tài)CO2輸出流量小于CO2在煤層中的滲流、擴(kuò)散量時(shí)，注入壓力呈現(xiàn)短時(shí)間衰減。調(diào)節(jié)槽車以最大功率輸出液態(tài)CO2時(shí)，液態(tài)CO2輸出流量大于CO2沿著煤層運(yùn)移流量，試驗(yàn)區(qū)域出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，孔口壓力二次升高。當(dāng)槽車液態(tài)CO2停止輸出時(shí)，CO2在泵注動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作用下，迅速滲流、擴(kuò)散，壓力快速下降。如圖3所示，煤層注液態(tài)CO2試驗(yàn)保壓期間的降壓速率平均值為0.04 MPa/min，大于壓注過程中的升壓速率。表明停止壓注，煤層自身壓力釋放速率較快，驅(qū)動(dòng)CO2的運(yùn)移速率也相應(yīng)增大。

煤層溫度變化規(guī)律如圖4所示，由圖4可知：煤層平均原始溫度為37 ℃，液態(tài)CO2壓注至30 min時(shí)，距Y-2#孔5m處的J-9#鉆孔溫度衰減，在130min時(shí)溫度快速降至0 ℃并出現(xiàn)負(fù)溫(-20℃)。同時(shí)，距離Y-2#孔7m位置處的J-10#鉆孔也出現(xiàn)溫度驟減現(xiàn)象，最大降溫幅度為32℃。隨著液態(tài)CO2壓注過程中與煤層熱交換的迅速進(jìn)行，煤層溫度快速恢復(fù)至原始水平。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著液態(tài)CO2壓注量的增大，由于液態(tài)CO2的低溫屬性，使得J-9#鉆孔(距離Y-2#孔5m)、J-10#鉆孔(距離Y-2#孔7m)附近煤層區(qū)域溫度快速降低，表明低壓注液態(tài)CO2能夠降低煤層溫度。

圖4 煤層溫度變化規(guī)律

結(jié)合煤層注液態(tài)CO2關(guān)鍵參數(shù)與煤層地質(zhì)狀況，對(duì)煤層中CO2運(yùn)移速率較快的原因做如下分析：①終采線以外煤體破碎帶集中分布，表層裂縫顯見；②試驗(yàn)區(qū)域瓦斯抽采時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2a，抽采區(qū)域瓦斯壓力大大降低，氣、液混合態(tài)CO2沿著煤層滲流、擴(kuò)散阻力小；③煤層平均溫度在40 ℃左右，較高的煤層溫度縮短了注入的液態(tài)CO2向氣態(tài)相變時(shí)間，而相變后的氣態(tài)CO2在相變驅(qū)動(dòng)力作用下在煤體中的運(yùn)移速率加快。

3.2 煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑

為了測(cè)定煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑，工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試液態(tài)CO2壓注過程中煤層CO2濃度與溫度變化規(guī)律，判定煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑，結(jié)果見表3。液態(tài)CO2滲流-擴(kuò)散半徑如圖5所示。

圖5 液態(tài)CO2滲流-擴(kuò)散半徑

表3 煤層液態(tài)CO2過程中鉆孔CO2濃度

當(dāng)Y-1#孔液態(tài)CO2累計(jì)壓注量達(dá)到4.0m3時(shí)，利用工業(yè)用CO2檢定管測(cè)得J-6#孔20m位置處的CO2濃度值達(dá)到11.6%(其余20m以內(nèi)鉆孔CO2濃度均大于20%)，遠(yuǎn)高于煤層CO2濃度原始值，表明Y-1#孔注液態(tài)CO2時(shí)的有效影響半徑可能達(dá)到20m。并且，觀測(cè)距離Y-1#孔25m處的J-5#孔內(nèi)部CO2濃度為1.6%，低于煤層原始CO2濃度。同樣，當(dāng)Y-2#孔累計(jì)壓注量達(dá)到5.0m3時(shí)，距離其20m處的J-13#鉆孔CO2濃度超過20%。結(jié)合圖5可知：距離Y-2#孔5m的J-9#鉆孔和7m位置處的J-10#鉆孔溫度變化情況，確認(rèn)本次試驗(yàn)煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑為20m，其中CO2的液相滲流半徑為5～7m，氣相擴(kuò)散半徑為20m。

3.3 瓦斯抽采效果分析

瓦斯抽采效果對(duì)比如圖6所示，由圖6可以看出，當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域液態(tài)CO2累計(jì)壓注量為9.0m3時(shí)，試驗(yàn)區(qū)域瓦斯抽采濃度和流量均明顯大于原始區(qū)域瓦斯抽采濃度和流量?？梢?，液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯的抽采濃度是原始濃度的3.61倍，抽采流量是原始流量的6.79倍。相比原始瓦斯抽采效果，采用液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯后，工藝效果明顯。

圖6 瓦斯抽采效果對(duì)比

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

孟村煤礦4#煤層為高瓦斯煤層，采用綜放開采方式，按照工作面年回采1800m，采前預(yù)抽煤層瓦斯需布置鉆孔720個(gè)(間距2.5m/個(gè))，孔深140m/個(gè)，鉆孔施工成本按70元/m計(jì)算，每年使用在采前瓦斯預(yù)抽施工成本為：720個(gè)×140m/個(gè)×70元/m=705.6萬元。

采用液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)，鉆孔布置間距10m/個(gè)，鉆孔數(shù)量為180個(gè)，孔深140m/個(gè)，鉆孔施工成本按150元/m計(jì)算，其成本為：180個(gè)×140m/個(gè)×150元/m=378.0萬元。由此可知，采用液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)可節(jié)支：705.6-378=327.6萬元。此外，液態(tài)CO2相變?cè)鐾讣膀?qū)替煤層瓦斯技術(shù)有效縮短煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，有效緩解了瓦斯災(zāi)害對(duì)礦井安全生產(chǎn)的影響，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié) 語

高瓦斯煤層液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯工業(yè)試驗(yàn)是在孟村礦4#煤層401盤區(qū)401101工作面回風(fēng)巷開展，主要對(duì)煤層壓注液態(tài)CO2過程中壓力-流量等動(dòng)力參數(shù)和CO2在煤層中運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：煤層注液態(tài)CO2過程中壓力-流量等關(guān)鍵參數(shù)呈波動(dòng)特性，而動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化反映出CO2在煤層中的運(yùn)移力學(xué)特征。根據(jù)液態(tài)CO2壓注過程中煤層內(nèi)部CO2濃度和溫度變化規(guī)律，判定孟村礦4#煤層注液態(tài)CO2液相滲流半徑5～7m，氣相擴(kuò)散半徑為20m。液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯后，抽采濃度提升3.61倍，抽采流量提升6.79倍。相比瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間明顯縮短，工藝技術(shù)降低，說明液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯抽采效果明顯。