蔣志剛,成艷英,王小兵

(1.四川省煤炭產業(yè)集團有限責任公司技術中心,四川成都610091;2.重慶大學資源及環(huán)境科學學院,重慶400044)

0 前言

我國煤層瓦斯地質條件極其復雜,透氣性低、地應力高、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,比美國平均水平低3 ～4 個數(shù)量級;瓦斯的吸附性極高,90% 吸附于煤體中;煤層埋深800 ～1 200 m,地應力高達 20 ～40 MPa;煤層松軟,堅固性系數(shù) f 為 0.2 ～0.5;煤層瓦斯壓力高 3 ～14 MPa[1-3]。

對于低透氣性、高吸附難抽煤層,國外幾乎不開采,因而缺乏相關理論及技術研究,而我國這類煤層瓦斯抽采率很低,平均僅為23.5%?，F(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抽區(qū)段煤層瓦斯。為了解決單一低透氣性煤層中瓦斯預抽的難題,國內外研究人員提出了水壓預裂、水力軟化、深孔預裂爆破等措施來增加煤體的透氣性[4],這些措施在提高瓦斯抽采效果方面起到了一定作用,也是煤礦工程技術人員在探索瓦斯治理方面取得的寶貴經驗。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抽難題,將液態(tài)二氧化碳相變致裂技術引入低透氣性煤層增透,在川煤集團白皎煤礦2372 風巷進行了一系列的試驗,并分析其效果。得出該項技術既能達到瓦斯抽采增透措施的良好效果,同時在技術、裝備和操作層面能簡單、快速和安全高效實施,為解決礦井瓦斯問題提供了新的思路。

1 液態(tài)二氧化碳的理化性質及相變致裂技術路徑

二氧化碳(Carbon dioxide)是惰性氣體,來源廣泛,常溫、常壓下是無色無味的氣體。不同的壓力、溫度條件下有三種存在形態(tài),化學性質穩(wěn)定,在固液氣三態(tài)均不助燃,不燃燒。當空氣中二氧化碳體積分數(shù)超過3%時,人會產生呼吸困難頭痛等癥狀,當二氧化碳體積分數(shù)超過25%時,人體會產生中樞神經紊亂甚至窒息死亡。二氧化碳作為常用滅火劑,當空氣中二氧化碳體積分數(shù)超過29.2%時,就能使燃燒反應熄滅。二氧化碳具有升華特性,其三相圖如圖1 所示升華點為-78.5 ℃(0.1 MPa),熔點為-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

在井下實施液態(tài)二氧化碳相變致裂過程如圖2 所示。首先,利用鉆機將相變致裂裝置推入鉆孔中的預先設計的位置,在鉆孔外將推送桿的內置導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,產生的熱量使儲液管內液態(tài)二氧化碳在20 ms 時間內從液態(tài)轉化為氣態(tài),使得氣體壓力急劇升高,最高可達270 MPa[8]。當氣體二氧化碳壓力升到安全定壓泄能片的額定工作壓力時,會瞬間將泄能片沖破,并通過釋放筒上的定向孔向外釋放,體積增加600 ～700 倍,隨后,氣體二氧化碳通過定向管的導向作用,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)二氧化碳在鉆孔內相變致裂后,會產生劇烈的應力波和高壓氣體。二氧化碳相變致裂應力波以及高壓氣體作用下的煤巖破壞是復雜的動力學過程。首先液態(tài)二氧化碳受熱急劇膨脹轉變成高壓氣體,作用在鉆孔煤巖壁上,進而使得鉆孔周圍煤巖體壓縮變形。鉆孔周圍會形成一定區(qū)域的壓縮粉碎區(qū)。隨著時間的進行,氣體壓力進一步作用,煤巖體中的微小裂紋開始發(fā)育,在鉆孔周圍支段裂隙在一定區(qū)域內貫通,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;在應力波作用后期,其沖擊強度變小,只能產生一定范圍的震動。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,進而達到快速卸壓的目的。

2 液態(tài)二氧化碳相變致裂現(xiàn)場試驗情況

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相變裝置主要結構

2.2 白皎礦現(xiàn)場試驗情況

白皎煤礦是典型的瓦斯高突礦井,2372 掘進工作面,煤層位于宣威組第二段上部二號(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)場如圖4 所示。

圖4 引爆裝置和地面充裝現(xiàn)場

試驗工藝流程:設計兩個致裂鉆孔,鉆孔開孔圖如圖5 和圖6 所示?？咨?0 m,孔徑≥94 mm。鉆孔施工順序:先施工1#孔和2#孔,進行瓦斯抽采,20 d 后,再進行單管液態(tài)CO2相變致裂試驗,試驗24 h 后,再進行封孔抽采,測定致裂后的瓦斯參數(shù)值。鉆孔參數(shù)表見表1。

圖5 預裂鉆孔平面圖

圖6 預裂鉆孔開孔示意圖

表1 鉆孔參數(shù)表

在1#、2#鉆孔內實施雙管預裂,液態(tài)CO2的量為3.6 kg;兩次預裂的時間間隔為24 h。

3 液態(tài)二氧化碳相變致裂效果分析

通過考察白皎礦2372 工作面致裂鉆孔瓦斯抽采參數(shù)變化曲線,來分析液態(tài) CO2相變致裂的效果。經過50 余天的數(shù)據(jù)收集,致裂前后的瓦斯抽采濃度、抽采純量和抽采時間的關系如圖7 和圖8 所示?？梢缘贸?相變致裂后,抽采瓦斯的濃度(體積分數(shù),以下瓦斯?jié)舛染鶠轶w積分數(shù))提高明顯,且長時間保持在20% ～35%左右;單孔瓦斯日抽采混合量由相變實施前的不到3 m3/ d 升高為10 m3/ d,遠遠高于致裂前的平均水準。未進行相變致裂時,抽采 20 d 左右,瓦斯?jié)舛人p到12%以下;進行相變致裂后30 d 后,抽采濃度仍未見衰減趨勢,說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)隨時間變化曲線

圖8 2#相變致裂孔瓦斯抽采參數(shù)隨時間變化曲線

液態(tài)二氧化碳相變致裂工程技術在透氣性低、高瓦斯煤層的實施過程中,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,證明該項技術具有良好的增透效果[9]。

4 結論

1)液態(tài)二氧化碳在鉆孔內相變致裂后,產生劇烈的應力波和高壓氣體。沖擊煤巖體,產生大量裂隙,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,達到了強化增透的目的。

2)通過現(xiàn)場試驗,煤體經液態(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。實踐證明,這是一種安全高效的強化抽采瓦斯的方法。

3)液態(tài)二氧化碳相變致裂技術工藝簡單,安全可靠。同時,不會對煤層的頂?shù)装瀹a生破壞,不會產生火花,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。