崔 凱

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

0 引 言

礦井瓦斯抽采率低下導(dǎo)致礦井單產(chǎn)單進(jìn)很難明顯提高，而且還嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。近年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦井開(kāi)采深度越來(lái)越深，地應(yīng)力也越來(lái)越大，使得煤層透氣性系數(shù)變小[1-4]，最終導(dǎo)致瓦斯抽采效果不佳，所以增大煤層的透氣性系數(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前最迫切任務(wù)。

科研工作者為此開(kāi)展了大量研究，李丹瓊[5]等應(yīng)用大尺寸真三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天然巖樣制得的試件進(jìn)行了水平井壓裂模擬試驗(yàn)，研究了地應(yīng)力、天然裂縫及彈性模量對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律；周西華[6]等采用水力壓裂技術(shù)促進(jìn)煤層瓦斯抽采，得到高能壓裂液能使煤層破裂,滲透率急劇升高，加快瓦斯向抽采鉆孔運(yùn)移；王海東[7]等通過(guò)研究CO2可控相變致裂防突技術(shù)的有效性、適應(yīng)性和安全性，得到掘進(jìn)工作面采用CO2可控相變致裂防突技術(shù)后，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2較采用常規(guī)密集排放鉆孔消突技術(shù)時(shí)下降近50%，瓦斯抽采量提高近2 倍，巷道安全掘進(jìn)速度提高1.5 倍以上。

很少有科研工作者將水力壓裂與液態(tài)CO2爆破致裂2 種增透技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展試驗(yàn)研究，本文根據(jù)18205 工作面實(shí)際條件，通過(guò)實(shí)施CO2與水交替充裝壓裂技術(shù)[8-10]，分析煤層的卸壓增透效果，為低透煤層提高瓦斯抽采率提高一種新方法。

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣縣城北直距20 km 處，行政區(qū)劃隸屬于興縣魏家灘鎮(zhèn)和保德縣南河溝鎮(zhèn)管轄，該區(qū)位于河?xùn)|煤田北部的中南部，為河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)。主采煤層為8 號(hào)和13 號(hào)煤，井田南北長(zhǎng)約22 km，東西寬約4.5 km，面積為82.647 7 km2。8 號(hào)煤層厚度為3.80～5.50 m，平均厚度為4.70 m，傾角為7.5°～11.4°，平均9.4°。8 號(hào)煤為自燃煤層，煤塵具有爆炸性。頂板主要為泥巖，底板主要為泥巖和中細(xì)粒砂巖。8 號(hào)煤透氣性系數(shù)為0.014 16 m2（/MPa2·d），為低透性煤層；煤層原始瓦斯含量為3.937 9 m3/t，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.023 d-1。

本次試驗(yàn)地點(diǎn)定為18205 綜采工作面，工作面位于12 采區(qū)輔助運(yùn)輸下山南側(cè)，東部、南部、西部均為實(shí)煤區(qū)。工作面標(biāo)高為+520～+584 m，可采走向長(zhǎng)度為2 800 m，傾斜長(zhǎng)為264 m，采用綜合機(jī)械化采煤工藝進(jìn)行回采，長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板；由于工作面瓦斯涌出量為31.3 m3/min，風(fēng)排瓦斯為8.54 m3/min，回風(fēng)流最高瓦斯體積分?jǐn)?shù)一般為0.9%左右，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.7%，瓦斯治理壓力大，嚴(yán)重影響工作面的推進(jìn)速度。

2 CO2 與水交替充裝壓裂技術(shù)原理

利用乳化液泵將高壓水注入鉆孔中，壓裂煤體使其產(chǎn)生大量裂隙裂縫，并不斷發(fā)育延伸，以擴(kuò)大裂隙之間的體積，產(chǎn)生一個(gè)互相連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，也為之后液態(tài)CO2的注入提供相對(duì)封閉的條件。當(dāng)煤體中注入一定量的高壓水之后，將液態(tài)CO2注入壓裂孔中，在孔內(nèi)的高壓環(huán)境中，注入孔內(nèi)的液態(tài)CO2快速融入至水體中，隨著高壓水運(yùn)移到孔內(nèi)深處。在距爆破筒出口20 m 處，伴隨著筒內(nèi)壓力不斷減少，大量的液態(tài)CO2瞬間氣化成高溫高壓氣體作用于水體和煤壁，在爆破筒內(nèi)瞬間產(chǎn)生巨大的作用力，形成的反作用力再次沖擊CO2氣體，最終形成瞬間的收縮-膨脹-收縮的交替作用力。這個(gè)變化過(guò)程，大量的CO2再次與水反應(yīng)形成不穩(wěn)定的碳酸或溶于水中[11-12]。在水體的紊流影響下，煤體發(fā)生疲勞損傷和不均衡的受力，導(dǎo)致煤體產(chǎn)生一系列的破裂損傷，將新形成的微裂隙與原始宏觀裂隙相互貫通與舒展，與此同時(shí)在水體的驅(qū)動(dòng)下引起煤體內(nèi)部的游離瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散。壓到煤體內(nèi)部的CO2氣體在水壓的作用下滲流至煤體深部裂隙中，導(dǎo)致局部壓力下降，又有大量CO2氣體在煤體裂隙中的壓力下降地點(diǎn)解析出來(lái)，擴(kuò)散至裂隙之中和吸附狀態(tài)瓦斯發(fā)生競(jìng)相吸附作用，將吸附狀態(tài)瓦斯置換出來(lái)。在這個(gè)氣體置換階段，氣體體積發(fā)生變化，置換CH4氣體與吸附CO2氣體體積之比為1∶2~10，煤層內(nèi)部體積發(fā)生變化導(dǎo)致孔隙裂隙的應(yīng)力發(fā)生改變，最終提高了煤層的透氣性系數(shù)。此外伴隨著氣體體積改變導(dǎo)致應(yīng)力變化，CO2氣體驅(qū)替CH4氣體時(shí)，在煤體中CO2氣體的滲透率會(huì)產(chǎn)生很大變化，一定程度影響著驅(qū)替效果。根據(jù)相關(guān)理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究表明：CO2與水交替充裝壓裂技術(shù)的增透效果明顯好于水力壓裂技術(shù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

1）水力壓裂系統(tǒng)共包括流量計(jì)、壓力表、壓裂泵和液箱等附件組成，選擇300 L/min 最大流量、31.5 MPa 額定壓力的乳化液泵，在壓裂泵安設(shè)60 MPa 量程的直感耐震壓力表、流量計(jì)和水表等附件。壓裂裝置如圖1 所示。

圖1 水力壓裂裝置

2）注CO2氣體系統(tǒng)共包括罐裝液態(tài)CO2、壓力表、氣體增壓泵等附件組成，選擇60 MPa 額定壓力的氣體增壓泵作為注CO2氣體的裝置，在增壓泵安設(shè)60 MPa 的壓力表和流量表等附件。

3.2 鉆孔布置情況

結(jié)合18205 綜采工作面實(shí)際情況，在18205 回風(fēng)巷1 350 m 里程點(diǎn)施工1 號(hào)壓裂孔，2 號(hào)檢驗(yàn)孔與1 號(hào)壓裂孔間距10 m，即在1 360 m 處施工，之后每間隔 5 m 施工剩下 3 個(gè)檢驗(yàn)孔（3、4、5 號(hào)檢驗(yàn)孔），即在 1 365、1 370 和 1 375 m 處施工 3、4、5 號(hào)檢驗(yàn)孔，鉆孔長(zhǎng)度為50 m，傾角為8°，方位角為90°，開(kāi)孔高度為1m，鉆孔直徑為113 mm。鉆孔布置情況如圖2 所示。

圖2 鉆孔布置

3.3 鉆孔封孔及壓裂過(guò)程

鉆孔施工完畢后立即對(duì)其進(jìn)行封孔，壓裂鉆孔封孔20 m，先用馬麗散在孔口封2 m 長(zhǎng)度，接著借助專用封孔器把配置好的水泥砂漿泵入鉆孔中密封剩下的18 m。檢驗(yàn)孔封孔8 m。24 h 后，安排抽放工進(jìn)行連接管路，在每個(gè)鉆孔的管路上安裝流量計(jì)，以測(cè)定抽采流量和濃度。

CO2與水交替充裝壓裂增透試驗(yàn)過(guò)程：第一步對(duì)1 號(hào)壓裂孔開(kāi)展注水壓裂，注水壓力最高為24 MPa，當(dāng)注水60 min 時(shí)，2 號(hào)檢驗(yàn)孔內(nèi)流出水，此時(shí)共計(jì)注水18 m3，將水壓降至6 MPa，把注水閥門(mén)關(guān)停，停止注水，并把2 號(hào)檢驗(yàn)孔閥門(mén)關(guān)閉；第二步在1 號(hào)壓裂孔上使用CO2注入設(shè)備，向孔內(nèi)注入高壓CO2氣體，CO2氣體壓力快速升高到30 MPa，5 min 之后壓力降至23 MPa，并保持平穩(wěn)，在第70 min 3 號(hào)檢驗(yàn)孔出現(xiàn)水流，但是水流不穩(wěn)定、忽大忽小，立即關(guān)停CO2氣體增壓泵，并將3 號(hào)鉆孔閥門(mén)關(guān)閉；第三步再次對(duì)1號(hào)壓裂孔開(kāi)展注水，壓力瞬間升到25 MPa，之后保持在23 MPa；在第85 min 時(shí)4 號(hào)檢驗(yàn)孔內(nèi)流出水流，立即調(diào)整壓力至6 MPa，并將1 號(hào)壓裂孔與4 號(hào)檢驗(yàn)孔閥門(mén)關(guān)閉；最后在115 min 時(shí)5 號(hào)檢驗(yàn)孔才產(chǎn)生水流，此次試驗(yàn)累計(jì)注入36 m3的水量，表面CO2與水交替充裝壓裂煤層之后最大壓裂半徑可達(dá)到25 m。壓裂時(shí)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖3 所示。

圖3 壓力隨時(shí)間的變化曲線

從圖1 得到水壓突然上升到23 MPa，接著穩(wěn)定在23 MPa，表明煤層的起裂壓力為23 MPa，最高的水力壓裂壓力為24 MPa，原因是水力壓裂地點(diǎn)煤層內(nèi)部有矸石導(dǎo)致壓力升高；向煤層中注入CO2氣體時(shí)，因CO2擴(kuò)散運(yùn)移膨脹速度快，注入流量波動(dòng)起伏較大，壓裂壓力快速升到30 MPa，當(dāng)將注氣流量控制穩(wěn)定之后壓力逐漸達(dá)到破煤壓力23 MPa。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了給CO2與CH42 種氣體提供充分的競(jìng)相吸附時(shí)間，決定在鉆孔封孔完成24 h 后將鉆孔閥門(mén)打開(kāi)放水，發(fā)現(xiàn)1 號(hào)鉆孔水流速度明顯超過(guò)4、5 號(hào)鉆孔，且1 號(hào)鉆孔放水時(shí)間也明顯比4、5 號(hào)鉆孔時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)放 4 h 水后，4 、5 號(hào)鉆孔已經(jīng)無(wú)水，當(dāng)放 6 h 水后，1 號(hào)鉆孔才出現(xiàn)無(wú)水狀態(tài)，當(dāng)放8 h 水后，把這些鉆孔聯(lián)網(wǎng)抽采，安裝調(diào)試好流量計(jì)，每班指派專人測(cè)定抽采濃度和流量。各鉆孔瓦斯抽采濃度和流量變化如圖4、5 所示。

從圖4、圖5 發(fā)現(xiàn)，實(shí)施CO2與水交替充裝壓裂增透工藝后，1 號(hào)壓裂鉆孔的瓦斯抽采濃度較低，原因是驅(qū)替不充分的CO2氣體通過(guò)1 號(hào)壓裂鉆孔擴(kuò)散，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度較低，但抽采流量較大。

圖4 各鉆孔瓦斯抽采濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖5 各鉆孔瓦斯抽采純量隨時(shí)間變化規(guī)律

1 號(hào)壓裂鉆孔最大瓦斯抽采濃度為59%，最大瓦斯抽采純量為0.079 8 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.045 7 m3/min，共抽采瓦斯體積為997.86 m3。

2 號(hào)檢驗(yàn)鉆孔最大瓦斯抽采濃度為54%，最大瓦斯抽采純量為0.068 1 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.036 2 m3/min，共抽采瓦斯體積為793.95 m3；

3 號(hào)檢驗(yàn)鉆孔最大瓦斯抽采濃度為46%，最大瓦斯抽采純量為0.054 6 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.030 7 m3/min，共抽采瓦斯體積為679.48 m3；

4 號(hào)檢驗(yàn)鉆孔最大瓦斯抽采濃度為20.8%，最大瓦斯抽采純量為0.042 6 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.021 6 m3/min，共抽采瓦斯體積為465.17 m3；

5 號(hào)檢驗(yàn)鉆孔最大瓦斯抽采濃度為16%，最大瓦斯抽采純量為0.081 4 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.016 8 m3/min，共抽采瓦斯體積為385.72 m3。

5 個(gè)鉆孔共抽采瓦斯3 322.18 m3，瓦斯抽采效果得到明顯提高。

5 結(jié) 論

1）CO2與水交替充裝壓裂技術(shù)是一種操作便利、工藝安全可靠、成本較低、效果可觀的增透手段。

2）在CO2、水和煤體三者相互作用時(shí)，水體發(fā)生不穩(wěn)定的的水壓波動(dòng)，迫使煤體形成疲勞損傷，最終在煤體中擴(kuò)展了原生裂隙、形成大量的新生裂隙。

3）對(duì)于煤體而言，煤吸附CO2氣體的能力明顯超過(guò)吸附CH4氣體的能力，實(shí)施CO2與水交替充裝壓裂技術(shù)后，伴隨CO2氣體運(yùn)移擴(kuò)散到裂隙深部，并在裂隙內(nèi)部擴(kuò)散形成驅(qū)替效果，加之高壓水的作用，導(dǎo)致煤體的內(nèi)部應(yīng)力降低。煤體應(yīng)力降低后，煤基質(zhì)產(chǎn)生新的孔隙裂縫，有效抽采半徑擴(kuò)大到25 m。