田新亮
(潞安集團 通風處,山西 長治 046204)
CO2氣相壓裂卸壓增透技術是利用高能氣體瞬間作用于煤層,使煤體松動,化解可能存在的“瓦斯包”,使應力集中區(qū)向煤體深部移動,在迎頭前方造成較長的卸壓帶,均化壓力場,平衡應力場;壓裂瞬間能使煤體產(chǎn)生大量裂隙,煤體內(nèi)被填充或壓實的裂隙被重新打開,從而提高煤層透氣性、滲透率,促使大量吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài);由于煤體對CO2的吸附能力大于CH4,壓裂后部分CH4氣體被置換出來,通過導通裂隙與釋放孔排至回風流,降低煤體瓦斯含量。
該技術利用迎頭超前探孔進行氣相壓裂卸壓增透,并在巷道兩幫邁步鉆場內(nèi)施工鉆孔,對迎頭前方煤層瓦斯進行抽采,氣相壓裂施工技術參數(shù)如表1所示,鉆孔布置如圖1所示。
表1 氣相壓裂施工技術參數(shù)
氣相壓裂技術的相關設備及連接順序如圖2所示,主要由壓裂桿、封孔器、推桿、引線、發(fā)爆器及加壓泵等組成。壓裂桿在壓裂孔內(nèi)安裝到位后,由發(fā)爆器進行遠程起爆,裝在壓裂桿內(nèi)的加熱器在低壓電流作用下反應,釋放熱能促使液態(tài)CO2瞬間轉(zhuǎn)化為氣態(tài),由壓裂桿的釋放頭釋放沖擊波,作用于鉆孔周圍煤體,達到卸壓、增透、促排的作用。
圖1 壓裂孔及護幫鉆孔布置(m)
圖2 氣相壓裂施工設備布置
余吾煤業(yè)S2108膠帶巷在西翼膠帶大巷開口,沿3號煤層底板掘進,巷道平均坡度+3°,煤層厚度5.32~6.15 m,掘進過程實測煤層最大瓦斯含量為9.748 2 m3∕t,煤層普氏系數(shù)f=0.47。巷道設計長度為1 351 m,截止2015年2月5日,巷道累計掘進395 m,并從此時開始循環(huán)使用CO2氣相壓裂技術。
N1101膠帶巷在西翼膠帶大巷開口,沿3號煤層底板掘進,傾角為0~-5°,煤層厚度6.34 m,掘進過程實測煤層最大瓦斯含量為9.912 8 m3∕t,煤層普氏系數(shù)f=0.49。巷道設計長度為2 487 m,截止 2014年11月20日,巷道累計掘進385 m,并從此時開始循環(huán)使用CO2氣相壓裂技術。
N2103工作面膠帶巷沿3號煤底板掘進,傾角為-6~+5°,煤層厚度6.65 m,掘進過程實測煤層最大瓦斯含量為10.101 4 m3∕t,煤層普氏系數(shù)f=0.53。巷道設計長度為3 148 m,截止 2015年12月16日,巷道累計掘進2 115 m,并從此時開始循環(huán)使用CO2氣相壓裂技術。
CO2氣相壓裂能夠消除掘進前方可能存在的“瓦斯包”,使迎頭前方煤體瓦斯均勻分布并勻速涌出,減少工作面瓦斯涌出強度忽大忽小的現(xiàn)象,提高工作面瓦斯涌出的均勻性。
工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€能夠直觀地反映出一段時間內(nèi)工作面瓦斯涌出強度的變化情況,瓦斯涌出不均衡系數(shù)是表征工作面瓦斯涌出的不均勻性的物理量,故可通過對比分析氣相壓裂前后工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓闆r及瓦斯涌出不均衡系數(shù),評價氣相壓裂效果。
3.1.1 回風流瓦斯?jié)舛茸兓€
S2108膠帶巷氣相壓裂前后各選取1個月回風流瓦斯?jié)舛茸兓€,分別如圖3、圖4所示。由圖可知,未采用氣相壓裂技術時,回風流瓦斯?jié)舛?天內(nèi)最大達0.52%,最小至0.18%,其變化幅度相對較大,且基本在0.2%以上;循環(huán)采用氣相壓裂技術后,瓦斯?jié)舛茸兓仍?.1%以內(nèi),瓦斯?jié)舛茸兓认鄬p少了50%。
圖3 S2108膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂前)
圖4 S2108膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂后)
N1101膠帶巷氣相壓裂前后各選取1個月回風流瓦斯?jié)舛茸兓€,分別如圖5、圖6所示。由圖可知,未采用氣相壓裂技術時,回風流瓦斯?jié)舛?天內(nèi)最大達0.65%,最小至0.25%,其變化幅度相對較大,且基本在0.25%以上;循環(huán)采用氣相壓裂技術后,瓦斯?jié)舛茸兓然驹?.1%以內(nèi),瓦斯?jié)舛茸兓认鄬p少了60%。
圖5 N1101膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂前)
圖6 N1101膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂后)
N2103膠帶巷氣相壓裂前后各選取1個月回風流瓦斯?jié)舛茸兓€,分別如圖7、圖8所示。由圖可知,未采用氣相壓裂技術時,回風流瓦斯?jié)舛?天內(nèi)最大達0.65%,最小至0.35%,其變化幅度相對較大,且基本在0.15%以上;循環(huán)采用氣相壓裂技術后,瓦斯?jié)舛茸兓然驹?.1%以內(nèi),瓦斯?jié)舛茸兓认鄬p少了33%。
圖7 N2103膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂前)
圖8 N2103膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€圖(壓裂后)
3.1.2 工作面瓦斯涌出不均衡性系數(shù)分析
S2108膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化曲線如圖9所示,由圖可知,未采用氣相壓裂技術時,工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)波動較大,且基本在1.65左右,整體相對較大;循環(huán)采用氣相壓裂技術后,涌出不均衡系數(shù)呈緩慢下降趨勢,并逐步穩(wěn)定到1.25左右,瓦斯涌出不均衡系數(shù)相對降低了24%。
圖9 S2108膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化
N1101膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化曲線如圖10所示,由圖可知,未采用氣相壓裂技術時,工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)波動較大,最大達2.7,平均為1.6,整體相對較大;循環(huán)采用氣相壓裂技術后,涌出不均衡系數(shù)呈緩慢下降趨勢,并逐步穩(wěn)定到1.35上下,瓦斯涌出不均衡系數(shù)相對降低了17%。
圖10 N1101膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化
N2103膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化曲線如圖11所示,由圖可知,未采用氣相壓裂技術時,工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)基本在1.35左右,部分時段急劇增大;循環(huán)采用氣相壓裂技術后,涌出不均衡系數(shù)呈緩慢下降趨勢,但下降的幅度相對較小,并逐步穩(wěn)定到1.2左右,瓦斯涌出不均衡系數(shù)相對降低了11%。
圖11 N2103膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化
迎頭CO2氣相壓裂一定程度上提高了工作面瓦斯涌出均勻性,S2108膠帶巷、N1101膠帶巷及N2103膠帶巷的回風流瓦斯?jié)舛茸兓葔毫褏^(qū)域較非壓裂區(qū)域分別減少了50%、60%、33%;瓦斯涌出不均衡系數(shù)壓裂區(qū)域較非壓裂區(qū)域分別降低了24%、17%、11%。
在掘進工作面迎頭進行氣相壓裂后,會使迎頭煤體松動,煤體透氣性系數(shù)短時間內(nèi)大大增加,使得迎頭瓦斯在工作面迎頭不生產(chǎn)期間也得到充分快速釋放,從而降低迎頭煤體殘余瓦斯含量,緩解迎頭快速割煤期間瓦斯大量涌出而導致瓦斯預警的壓力,縮短單排割煤時間,提高掘進速度。
通過統(tǒng)計余吾煤業(yè)壓裂前后一段時間內(nèi)工作面掘進月進尺,計算平均日進尺來評價氣相壓裂對掘進速度的影響。然而工作面的掘進速度與諸多因素有關,如煤層原始瓦斯含量、生產(chǎn)組織、機械故障等,且眾多因素無法一一考究,現(xiàn)僅將掘進工作面迎頭超前探施工、檢修放假因素考慮在內(nèi)以計算月掘進平均速度,以輔助分析。
S2108膠帶巷工作面掘進情況:其中2014年11月至2015年1月工作面未采取壓裂措施,且未在迎頭施工超前探孔,2015年2月至11月開始采取迎頭超前探及氣相壓裂措施,平均日進尺及掘進速度逐月變化曲線如圖12所示。
圖12 S2108膠帶巷掘進月平均日進尺及掘進速度變化曲線
由圖12可知,非氣相壓裂區(qū)域和氣相壓裂區(qū)域相比較,平均日進尺及月掘進平均速度均呈上升趨勢。
N1101膠帶巷工作面逐月掘進情況:其中2014年7月至11月工作面未采取壓裂措施,且未在迎頭施工超前探孔,2014年12月至2015年11月開始采取迎頭超前探及氣相壓裂措施,平均日進尺及掘進速度逐月變化曲線如圖13所示。
圖13 N1101膠帶巷掘進月平均日進尺及掘進速度變化曲線
由圖13可知,非氣相壓裂區(qū)域和氣相壓裂區(qū)域相比較,雖然工作面受迎頭施工超前探及生產(chǎn)組織影響,平均日進尺呈減少趨勢,但工作面掘進速度整體上小幅度提升。
N2103膠帶巷工作面逐月掘進情況:其中2014年4月至12月工作面未采取壓裂措施,且未在迎頭施工超前探孔,2015年1月至11月開始采取迎頭超前探及氣相壓裂措施,期間生產(chǎn)組織不正常,平均日進尺及掘進速度逐月變化曲線如圖14所示。
圖14 N2103膠帶巷掘進月平均日進尺及掘進速度變化曲線
由圖14可知,非氣相壓裂區(qū)域和氣相壓裂區(qū)域相比較,工作面受區(qū)域瓦斯含量升高及迎頭施工超前探及生產(chǎn)組織影響,平均日進尺有所減少,但工作面掘進速度有小幅度提升,但掘進的安全性得到充分保障。
S2108膠帶巷、N1101膠帶巷、N2103膠帶巷氣相壓裂區(qū)域與非壓裂區(qū)域,巷道平均每掘進100 m的瓦斯預警次數(shù)對比分析,如圖15所示。
圖15 百米瓦斯預警次數(shù)對比分析
由圖15可知,非壓裂區(qū)域3個地點的百米瓦斯預警次數(shù)分別為0.81、0.6、0.57次,壓裂區(qū)域分別為0、0.08、0.73次,除N2103膠帶巷因掘進區(qū)域供風距離較長,巷道煤壁瓦斯涌出量增高而導致瓦斯預警次數(shù)約有增加外,其余兩地點瓦斯預警次數(shù)均明顯下降。
CO2氣相壓裂能夠在一定程度上提高工作面瓦斯涌出均勻性,減少瓦斯異常涌出,大幅度降低瓦斯預警次數(shù),保障了掘進工作的安全開展。