陳繼福

(山西大同大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，山西 大同 037003)

煤炭作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，在高?qiáng)度開(kāi)采條件下，淺部煤炭資源已趨于枯竭，深部開(kāi)采將成為煤炭工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。礦藏開(kāi)采深度的逐年增大，必然導(dǎo)致開(kāi)采條件的不斷惡化。其中，瓦斯災(zāi)害治理面臨的挑戰(zhàn)尤為嚴(yán)峻[1]。

目前，我國(guó)煤礦主要采用瓦斯抽采降低煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性，但限于我國(guó)煤層透氣性普遍較低的基本國(guó)情，傳統(tǒng)的鉆孔抽采方式依然難以達(dá)到理想效果[2]，煤與瓦斯突出事故時(shí)有發(fā)生。為此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在改善煤層透氣性的方法、技術(shù)和裝備等方面進(jìn)行了研究。深孔致裂爆破[3，4]、水力割縫[5，6]、水力沖孔[7，8]、注氣驅(qū)替[9]等技術(shù)，均應(yīng)用于煤礦的瓦斯治理。實(shí)踐證明：爆破技術(shù)在煤層致裂、增透、卸壓和消突中最為有效，但在施工中存在啞炮和拒爆等現(xiàn)象，另外在瓦斯集聚區(qū)也存在一定危險(xiǎn)性。

液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)主要通過(guò)致裂鉆孔內(nèi)CO2形態(tài)的瞬間改變來(lái)實(shí)現(xiàn)煤層增透[10-15]，因其安全、高效，且設(shè)備成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在煤礦中得到了良好的應(yīng)用，為治理礦井瓦斯災(zāi)害提供了新的思路。

1 工程背景

試驗(yàn)礦井為平煤十三礦。礦井主采煤層為己15-17煤層，該煤層的整體賦存狀態(tài)穩(wěn)定，但區(qū)域瓦斯賦存差異性明顯。其中，己一采區(qū)的突出危險(xiǎn)性最大，瓦斯含量為2.89～16.97m3/t，瓦斯壓力0.2～3.6MPa。為了降低礦井的突出危險(xiǎn)性，目前主要采用穿層鉆孔及本煤層鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。

試驗(yàn)工作面為已一采區(qū)11111工作面，該工作面標(biāo)高-470～-630m，位于突出危險(xiǎn)區(qū)以內(nèi)(-450m標(biāo)高以上為突出危險(xiǎn)區(qū))。在施工預(yù)抽瓦斯鉆孔期間，由于煤質(zhì)疏松，部分鉆孔出現(xiàn)塌孔、噴孔現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工作的安全高效回采。

2 底抽巷穿層鉆孔布置

鉆場(chǎng)位置為11111工作面運(yùn)輸巷底板巖巷220m處以東，采用穿層鉆孔對(duì)11111工作面煤層實(shí)施液態(tài)CO2相變致裂增透。本次試驗(yàn)共布置鉆場(chǎng)A、B、C三組鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距為10m，每個(gè)鉆場(chǎng)又分別布置致裂孔2個(gè)、抽采孔11個(gè)，13個(gè)鉆孔分兩列排布，列間距0.5m。底抽巷穿層鉆孔布置如圖1所示。

圖1 底抽巷穿層鉆孔布置圖

每一抽采鉆孔施工完畢后，應(yīng)立即封孔并連接到抽采管路，當(dāng)每組鉆場(chǎng)的所有抽采孔都完成施工及抽采管路連接時(shí)，間隔7d進(jìn)行致裂孔的施工和爆破，隨即進(jìn)行封孔和瓦斯抽采。第一次致裂后，鄰近的抽采鉆孔瓦斯?jié)舛然蛲咚辜兞髁肯陆捣冗_(dá)到50%以上時(shí)，進(jìn)行第二次致裂。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 致裂對(duì)鉆孔的影響

液態(tài)CO2致裂后，在高能氣體的作用下，致裂孔的形態(tài)會(huì)發(fā)生改變。為說(shuō)明CO2致裂對(duì)鉆孔的影響，采用鉆孔窺視儀對(duì)比觀測(cè)了同一深度致裂孔的孔壁形態(tài)，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出：致裂前的鉆孔壁光滑平整，致裂后鉆孔直徑明顯增大，并伴有大量的裂隙和孔洞，但鉆孔依然能夠保持較完整的形態(tài)，為瓦斯抽采創(chuàng)造了有利條件。

圖2 致裂前、后鉆孔孔壁對(duì)比

3.2 致裂對(duì)瓦斯抽采半徑的影響

距離致裂孔不同距離抽采孔瓦斯純流量隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，抽采孔與致裂孔之間的距離L是影響鉆孔瓦斯純流量的重要因素。由圖3(a)可以看出，當(dāng)兩者之間的距離小于7m時(shí)，致裂后抽采孔的瓦斯純流量急劇下降，且在4h內(nèi)都保持在較低的水平，4h后鉆孔純流量開(kāi)始呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。這是由于致裂瞬間儲(chǔ)液管釋放大量的高壓CO2氣體，使得致裂孔周圍的煤體被壓縮，煤層透氣性減小，隨時(shí)間推移，被壓縮煤體逐漸松弛并產(chǎn)生許多新的裂隙，使得鉆孔瓦斯純流量逐漸增大。根據(jù)3組觀測(cè)孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得出，CO2致裂后的平均壓縮半徑為5.6m，壓縮效應(yīng)持續(xù)時(shí)間約為4～5h。由圖3(b)可以看出，當(dāng)抽采鉆孔與致裂鉆孔間的距離超過(guò)10m時(shí)，前4h內(nèi)的鉆孔瓦斯純流量并未呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，即抽采鉆孔受壓縮效應(yīng)影響較小或未受影響。由此可知，液態(tài)CO2致裂對(duì)瓦斯抽采的影響范圍約為10m。

圖3 距離致裂孔不同距離抽采孔瓦斯純流量隨時(shí)間變化曲線

3.3 致裂對(duì)瓦斯抽采效率的影響

為分析液態(tài)CO2致裂對(duì)瓦斯抽采效率的影響，對(duì)抽采孔的瓦斯純流量和瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了連續(xù)的數(shù)據(jù)考察分析，得到了鉆孔瓦斯純流量及瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化曲線，如圖4、圖5所示(各鉆孔的變化特征具有相似性，限于篇幅，僅對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析)。

圖4 瓦斯純流量隨時(shí)間變化曲線

圖5 瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化曲線

從圖4可以看出：液態(tài)CO2致裂前，鉆孔瓦斯純流量相對(duì)較低，并且隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆孔瓦斯純流量表現(xiàn)出明顯的衰減趨勢(shì)。第一次致裂后，鉆孔瓦斯純流量逐漸上升，隨著抽采時(shí)間的增加，整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)；第二次致裂后，鉆孔瓦斯純流量進(jìn)一步增加，且增加幅度明顯大于第一次致裂。煤層經(jīng)歷兩次致裂后，鉆孔瓦斯純流量得到了顯著提升。

從圖5可以看出：液態(tài)CO2致裂使得鉆孔瓦斯?jié)舛日w呈現(xiàn)階梯狀上升趨勢(shì)。致裂前大部分鉆孔瓦斯?jié)舛仍?0%～40%之間波動(dòng)，第一次致裂后，鉆孔瓦斯瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)區(qū)間上升為30%～60%，第二次致裂后，鉆孔瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)區(qū)間進(jìn)一步上升為50%～80%。經(jīng)歷兩次預(yù)裂后的鉆孔瓦斯?jié)舛容^預(yù)裂前提升了一倍。

綜上所述，液態(tài)CO2致裂可以有效改善煤層的透氣性，提高鉆孔的瓦斯抽采效率。需要說(shuō)明的是：在每次致裂的后期，鉆孔瓦斯純流量和瓦斯?jié)舛染尸F(xiàn)出了一定程度的衰減，但與致裂前相比，依然保持在較高水平。這可能是裂隙隨時(shí)間的閉合效應(yīng)引起的。

3.4 與其他增透技術(shù)效果對(duì)比

煤層進(jìn)行不同增透措施后鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖6所示。由圖6可以看出：和普通鉆孔相比，無(wú)論采取哪種增透措施，都能夠有效提高瓦斯抽采效率，在一定時(shí)間內(nèi)使得瓦斯?jié)舛染S持在相對(duì)較高水平，有利于瓦斯抽采。在抽采前17d，CO2致裂后的瓦斯?jié)舛蕊@然高于水力沖孔，其平均瓦斯?jié)舛确謩e為56.9%和42.4%。在接下來(lái)的約30d時(shí)間內(nèi)，水力沖孔后瓦斯?jié)舛葎t比CO2致裂高，分別為21.4%和16.7%。這種現(xiàn)象表明，CO2致裂初期在煤層內(nèi)產(chǎn)生較多裂隙，使得煤層透氣性增大，瓦斯?jié)舛壬?；隨著時(shí)間的推移，在地應(yīng)力壓實(shí)作用下，致裂產(chǎn)生的裂隙、孔洞逐漸閉合，煤層透氣性逐漸降低，瓦斯?jié)舛入S之降低。

圖6 不同增透技術(shù)效果對(duì)比

3.5 液態(tài)CO2致裂治理瓦斯綜合效果評(píng)價(jià)

液態(tài)CO2致裂前、后相關(guān)參數(shù)變化情況見(jiàn)表1。從表1可以看出：液態(tài)CO2致裂后的煤層平均瓦斯含量和最大瓦斯涌出量分別降低了4.73m3/t、2.02m3/min，表明液態(tài)CO2致裂技術(shù)可以對(duì)煤層進(jìn)行有效增透，進(jìn)而降低煤層的突出危險(xiǎn)性。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)是評(píng)價(jià)礦井瓦斯突出傾向性的重要參數(shù)，由表1可見(jiàn)，致裂后該指標(biāo)降低了一個(gè)水平，能夠滿足礦井安全生產(chǎn)的要求。同時(shí)，致裂后礦井日掘進(jìn)進(jìn)尺提高了3.3m/d，大大縮短了掘進(jìn)工期?？梢?jiàn)：采用液態(tài)CO2致裂增透技術(shù)能夠?yàn)榈V井帶來(lái)顯著的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

表1 致裂前、后相關(guān)參數(shù)變化情況

4 結(jié) 論

1)液態(tài)CO2致裂對(duì)鉆孔周圍產(chǎn)生了壓縮效應(yīng)，平均壓縮半徑為5.6m，壓縮效應(yīng)的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約為4～5h，瓦斯抽采影響半徑約為10m。

2)煤層在經(jīng)過(guò)兩次液態(tài)CO2致裂后，瓦斯抽采效率顯著提升，雖然每次致裂后期的瓦斯抽采效率出現(xiàn)了一定程度的衰減，但依然維持在較高水平。

3)通過(guò)對(duì)比分析液態(tài)CO2致裂與水力沖孔技術(shù)的增透效果，得出液態(tài)CO2致裂在致裂初期的增透效果顯著，而水力沖孔則在后期占優(yōu)勢(shì)。

4)液態(tài)CO2致裂技術(shù)有效提升了瓦斯抽放效率，進(jìn)而提高了工作面掘進(jìn)速度，具有顯著的安全和經(jīng)濟(jì)效益。