閆建浩,張 益

(1.山西保利平山煤業(yè)股份有限公司,山西 沁水 048205;2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083)

煤炭是一種重要的石化能源,雖然在環(huán)境壓力和煤炭儲量的影響下,煤炭在我國能源中所占的比例逐漸減少,但是我國能源對煤炭仍然具有很強的依賴性,其還會作為我國主要的一種能源[1]。在煤炭開采過程中往往會遇到其伴生產(chǎn)物——瓦斯,瓦斯能夠引發(fā)火災(zāi)爆炸、人員窒息和瓦斯突出等事故,所以對瓦斯的治理十分重要[2]。對瓦斯進行抽采是治理瓦斯災(zāi)害的有效措施,利用瓦斯抽采技術(shù)可以有效降低瓦斯含量和壓力,從而實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)工作的順利進行[3]。

山西保利平山煤業(yè)有限公司(以下簡稱“平山煤礦”)礦井設(shè)計規(guī)模為90萬t/a。平山煤礦由于3#煤層透氣性較差、瓦斯含量大,成為掘進的瓶頸,制約了煤礦地順利建設(shè),從而影響了該礦的正常銜接和生產(chǎn)進度。

1 CO2預(yù)裂增透技術(shù)

1.1 技術(shù)簡介

為了提高低滲煤層的透氣性,在生產(chǎn)過程中常用到水力壓裂、深孔預(yù)裂爆破和CO2預(yù)裂增透等技術(shù)[4-6]。CO2預(yù)裂增透技術(shù)是先對低滲透煤層鉆孔,然后將液態(tài)CO2注入鉆孔中,利用其汽化后體積快速膨脹的特性對煤體進行壓裂,從而實現(xiàn)了煤體透氣性的增加[7]。與傳統(tǒng)的深孔預(yù)裂爆破比,CO2預(yù)裂增透技術(shù)的安全性高,而且具有工藝簡單易行,成本低的優(yōu)勢[8-9]。

1.2 技術(shù)機理

當外界溫度達到一定值時,液態(tài)CO2能夠在短時間內(nèi)吸熱膨脹。如圖1中CO2實驗等溫線圖所示,當溫度處于31 ℃以下、壓力小于7.2 MPa時,CO2以液態(tài)方式存在;但是當溫度超過31 ℃時,液態(tài)CO2能夠吸收熱量并在短時間內(nèi)瞬間汽化,汽化后體積膨脹高達600倍[10]。

圖1 CO2實驗等溫線圖Fig.1 Experimental isotherm of CO2

CO2具有比瓦斯較強的親煤特性。瓦斯的成分主要是CH4,由于分子極性關(guān)系,煤炭對CO2比對以CH4成分為主的瓦斯有更大的吸附力,利用吸附性的強弱,CO2可以將煤體中吸附態(tài)的瓦斯變?yōu)橛坞x態(tài)[11]。

CO2預(yù)裂增透技術(shù)充分利用液態(tài)CO2具有吸熱后瞬間汽化產(chǎn)生高壓氣體的特性和其具有比瓦斯較強的親煤特性,能夠增加煤層透氣性和減少瓦斯吸附,解決低滲高瓦斯煤層的瓦斯抽采難題,實現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)[12]。

2 CO2預(yù)裂增透技術(shù)的應(yīng)用

2.1 11009工作面的基本情況

平山礦煤3#煤層瓦斯含量為10.54 ml/g ～15.75 ml/g,瓦斯壓力為1.15 MPa,煤層的透氣性較差,透氣系數(shù)為1.269 m2/(MPa·d)。11009工作面軌道順槽、回風順槽煤層順層瓦斯鉆孔衰減系數(shù)為α=0.019 5 d-1,百米鉆孔極限瓦斯流量Qj=33 000 m3,煤層堅固性系數(shù)f=1.26～1.43,瓦斯放散初速度P=22～26,屬于高瓦斯煤層。吸附性常數(shù)α=39.84 m3/t，b=0.966 MPa-1。

2.2 技術(shù)實施情況

1)鉆孔布置。平山礦煤在3#煤層11009軌道順槽迎頭和左右鉆場進行抽采鉆孔與預(yù)裂鉆孔的施工,共施工抽采鉆孔6個(1#、2#、3#、7#、8#、9#),預(yù)裂鉆孔3個(4#、5#、6#)。抽采鉆孔和預(yù)裂鉆孔孔徑分別為113 mm和94 mm。抽采鉆孔中:1#、2#、3#鉆孔的孔深為106 m,7#、8#、9#鉆孔的孔深為101 m,預(yù)裂鉆孔4#、5#、6#鉆孔的孔深均為100 m。在迎頭均勻布置施工3個預(yù)裂鉆孔,距頂板高度2.4 m,巷道中線布置5#預(yù)裂孔,4#孔與6#孔距離5#孔1 m。鉆孔的詳細布置圖如圖2所示。

2-a 鉆孔布置側(cè)視圖

2-b 鉆孔布置正視圖圖2 工作面鉆孔布置圖Fig.2 Borehole layout of working face

2)試驗過程。CO2預(yù)裂增透技術(shù)實的流程:首先按設(shè)計進行鉆孔,之后對除預(yù)裂孔外的抽采鉆孔進行封孔連管,然后在預(yù)裂孔進行二氧化碳預(yù)裂,最后經(jīng)過效果檢驗合格后就可以進行掘進工作。

平山礦煤在11009軌道順槽第二循環(huán)進行了CO2預(yù)裂增透,預(yù)裂增透共采用鉆桿60根,每根充裝液態(tài)CO21.5 kg。首先預(yù)裂了4#預(yù)裂鉆孔,裝入鉆桿15根,預(yù)裂完成后隔30 min取出鉆桿與封孔器預(yù)裂6#預(yù)裂鉆孔,同樣裝入鉆桿15根,最后預(yù)裂中間5#預(yù)裂鉆孔,預(yù)裂兩次,中間間隔1 h(含取鉆桿、裝鉆桿)。

3)試驗結(jié)果。CO2預(yù)裂增透技術(shù)實施完成后,連續(xù)11 d對鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗M行檢測,以判斷技術(shù)的效果。其中1#、2#、3#、4#鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓闆r如表1和圖3所示。

表1 1#～4#鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓闆rTable 1 Gas concentration variation from No.1 to No.4 borehole

續(xù)表1：

時間/d1#鉆孔瓦斯?jié)舛?%2#鉆孔瓦斯?jié)舛?%3#鉆孔瓦斯?jié)舛?%4#鉆孔瓦斯?jié)舛?% 86168503 96885543 116166523

圖3 1#～4#鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓闆rFig.3 Gas concentration variation from No.1 to No.4 borehole

5#、6#、7#、8#、9#鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓闆r如表2和圖4所示。

表2 5#～9#鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓闆rTable 2 Gas concentration variation from No.5 to No.9 borehole

圖4 5#～9#鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓闆rFig.4 Gas concentration variation from No.5 to No.9 borehole

由鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r可知,在實施CO2預(yù)裂增透技術(shù)后1#、2#、3#、9#抽采孔與5#、6#預(yù)裂孔瓦斯?jié)舛染?0%以上,且較穩(wěn)定,抽采效果較好。5#、6#預(yù)裂孔瓦斯抽采濃度最大90%,尤其迎頭預(yù)裂孔5#瓦斯抽采濃度基本維持在75%以上。7#、8#抽采孔在第7 d重新封孔后瓦斯?jié)舛嚷杂性龃?。預(yù)裂孔4#瓦斯抽采濃度一直低于11%,分析其發(fā)生了鉆孔坍塌,在預(yù)裂時4#預(yù)裂孔鉆桿只能裝8根,后經(jīng)處理裝進15根。

抽采純量分析:實施CO2預(yù)裂增透技術(shù)后,11009軌道順槽迎頭抽采鉆孔抽采瓦斯純量0.79 m3/min,百米鉆孔流量0.083 m3/min,是其他順層鉆孔抽采區(qū)域的1.5～5倍。該技術(shù)取得了良好的瓦斯抽采效果。

3 CO2預(yù)裂增透技術(shù)效果

3.1 局部防突效果檢驗

在實施CO2預(yù)裂增透技術(shù)后,在煤層掘進過程中利用鉆屑瓦斯解吸指標K1和鉆屑量S對煤層的局部防突效果進行檢驗,檢驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 K1值和S值變化趨勢Fig.5 Variation of K1 and S value

在平山煤礦3#煤層11009軌道順槽掘進至80 m的過程中,鉆屑瓦斯解吸指標K1值超標4次,其中最大值1.13。實施CO2預(yù)裂增透技術(shù)后,當K1值超標后,對11009工作面采取局部防突措施,K1值下降迅速,再次檢驗均合格。未采用該技術(shù)時,出現(xiàn)K1值超標時,排放3 h以上才能效果檢驗合格,采用預(yù)裂技術(shù)具有排放速度快,時間短的優(yōu)點。

3.2 采掘過程中風量和瓦斯情況

11009軌道順槽采用局扇供風,平均風速為0.75 m/s,風量為630 m3/min。掘進至150 m時,割煤期間回風流瓦斯?jié)舛茸畲?.70 %,根據(jù)11009軌道順槽每100 m巷幫瓦斯涌出量導(dǎo)致巷道瓦斯?jié)舛仍黾?.30 %,經(jīng)過計算可得工作面割煤期間瓦斯涌出量為2.52 m3/min,相比未采用該技術(shù)時瓦斯涌出量增大1 m3/min。

根據(jù)K1值超標后局部防突措施效果檢驗結(jié)果和掘進過程中瓦斯涌出量變大兩現(xiàn)象分析,采用CO2預(yù)裂增透技術(shù)后,煤體中大量的瓦斯由原來的吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱擞坞x態(tài)。

4 結(jié)論

1)CO2預(yù)裂增透技術(shù)充分利用液態(tài)CO2具有吸熱后瞬間汽化產(chǎn)生高壓氣體的特性，以及其具有比瓦斯較強的親煤特性,因而能夠增加煤層透氣性和減少瓦斯吸附,能夠解決低滲高瓦斯煤層的瓦斯抽采難題,實現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)。

2)在平山煤礦11009工作面實施CO2預(yù)裂技術(shù)后,1#、2#、3#、9#抽采孔與預(yù)裂孔5#、6#瓦斯?jié)舛染?0%以上,且較穩(wěn)定,抽采效果較好。因為發(fā)生了塌孔現(xiàn)象,所以4#預(yù)裂孔的瓦斯抽采濃度一直低于11%。

3)實施CO2預(yù)裂增透技術(shù),當工作面K1值超標后,采取局部防突措施,K1值下降迅速,再次檢驗均合格。工作面割煤期間瓦斯涌出量為2.52 m3/min,相比未采用該技術(shù)時瓦斯涌出量增大1 m3/min。根據(jù)K1值超標后局部防突措施效果檢驗結(jié)果和掘進過程中瓦斯涌出量變大兩現(xiàn)象分析,采用CO2預(yù)裂增透技術(shù)后,煤體中大量的瓦斯由原來的吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱擞坞x態(tài)。