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        高瓦斯煤層液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯工藝參數(shù)及效果

        2021-06-21 01:29:34李文福宋戰(zhàn)宏馬小輝魏高明劉名陽
        煤炭工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:液態(tài)瓦斯半徑

        李文福,宋戰(zhàn)宏,馬小輝,何 偉,魏高明,劉名陽,劉 蔭

        (1.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽 713600;2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

        煤炭作為我國能源供應(yīng)領(lǐng)域的支柱型產(chǎn)業(yè),在我國社會發(fā)展中起到非常重要的作用[1,2]。隨著礦井開采深度的逐漸增加,礦壓劇烈顯現(xiàn),導(dǎo)致原始煤儲層整體上呈現(xiàn)“高儲低滲”的特征,瓦斯抽采效率低,瓦斯災(zāi)害治理難度大,嚴(yán)重影響到礦井安全高效生產(chǎn)[3,4]。基于此,水力壓裂、水力割縫、高能暴轟波致裂等一系列人工應(yīng)力改造煤巖體的技術(shù)相繼涌現(xiàn)出來,通過現(xiàn)場應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)都能夠達(dá)到改造煤巖體滲透性、提高瓦斯抽采效率的目的[5-7]。然而,上述技術(shù)不可避免的在應(yīng)用過程中都會存在其自身的局限性[8-10]。因此,探索新的技術(shù)途徑,提高煤層瓦斯抽采效率是解決深部開采煤層瓦斯災(zāi)害高效治理的前提。液態(tài)CO2作為一種低溫、低黏度、強(qiáng)滲流且易擴(kuò)散、相變自增壓的流體,將其帶壓注入煤層,在低溫凍脹力和液態(tài)CO2與煤體傳熱傳質(zhì)相變增壓應(yīng)力雙重作用下,煤體產(chǎn)生疲勞損傷,提高滲透性[11,12]。而且,基于液態(tài)CO2壓注壓力和瞬時相變應(yīng)力,液態(tài)CO2與煤層熱交換產(chǎn)生的溫度梯度應(yīng)力以及氣態(tài)的CO2自身良好的吸附勢能的綜合作用,能夠?qū)γ簩又械耐咚箽怏w產(chǎn)生置換-驅(qū)替雙重作用,促進(jìn)單位時間內(nèi)煤層中瓦斯的產(chǎn)量[13-15]。孟村煤礦4號煤層為典型的深井開采高瓦斯強(qiáng)沖擊性煤層,采用普通鉆孔抽采為主,風(fēng)排為輔的方式進(jìn)行瓦斯災(zāi)害治理時,存在瓦斯抽采效率低,災(zāi)害治理難度大的問題。因此,在4號煤層401盤區(qū)401101工作面回風(fēng)巷預(yù)留煤柱處開展液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)研究,總結(jié)并分析現(xiàn)場試驗(yàn)關(guān)鍵性參數(shù)和瓦斯抽采效果,以期為工藝優(yōu)化和技術(shù)推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

        1 試驗(yàn)區(qū)域概況

        孟村煤礦礦井最大絕對瓦斯涌出量為151.76m3/min,為高瓦斯礦井。本次工業(yè)試驗(yàn)選擇在孟村煤礦目前可采的4號煤層401盤區(qū)開展,煤層平均厚度為16.25m,屬于易自燃煤層。經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)鑒定,礦井目前開采的4號煤層整體破壞類型為I~I(xiàn)I類,煤質(zhì)堅硬(普氏系數(shù)1.48~2.46),瓦斯含量高且地質(zhì)條件復(fù)雜,瓦斯流量衰減系數(shù)α平均值為0.0382d-1,局部區(qū)域存在強(qiáng)沖擊性,整體判定開采煤層為高瓦斯強(qiáng)沖擊煤層。4號煤層回采前采用以抽采為主,風(fēng)排為輔的方法預(yù)抽瓦斯,存在瓦斯抽采壓力大、抽采鉆孔施工密度大、工序復(fù)雜、瓦斯治理成本高、瓦斯災(zāi)害治理效率低等問題。本次煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯現(xiàn)場試驗(yàn)選擇在401盤區(qū)401101工作面回風(fēng)巷預(yù)留煤柱處進(jìn)行,煤柱區(qū)域瓦斯抽采時間長達(dá)2年之久,瓦斯抽采效果已經(jīng)達(dá)標(biāo)。因此,選擇在該位置進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)的目的在于對液態(tài)CO2壓注過程中動力學(xué)參數(shù)分析、有效影響半徑及瓦斯抽采效果的考察。

        2 液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)及工作面布置

        2.1 液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)

        液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)主要由液態(tài)CO2槽車、柱塞泵、T3數(shù)據(jù)采集監(jiān)測設(shè)備、壓力變送器、耐壓輸送管路、截止閥及泄壓閥等組成,如圖1所示。柱塞泵額定功率12kW,流量1000L/h,最大工作壓力12MPa。T3數(shù)據(jù)采集儀能實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測,本次試驗(yàn)主要采集孔口壓力、鉆孔內(nèi)部溫度、壓注流量、泵壓等關(guān)鍵參數(shù)。壓力變送器量程0~30MPa,主要監(jiān)測壓注過程中孔口壓力變化情況;輸送管路為耐壓0~40MPa的高壓膠管,具有耐高壓耐低溫特性;截止閥、泄壓閥主要用于壓注過程中倒流、泄壓及壓注結(jié)束的管路放空。

        2.2 工作面布置

        孟村煤礦401101工作面回風(fēng)巷試驗(yàn)區(qū)域鉆孔布置及具體參數(shù)如圖2所示。為了判定液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯有效影響半徑,試驗(yàn)設(shè)計2個壓注鉆孔(Y-1#、Y-2#)和13個效果檢驗(yàn)孔(J-1#—J-13#),試驗(yàn)鉆孔按照3m、5m、7m、10m、15m、20m、25m的間距布置,鉆孔沿工作面傾向垂直布置,上行孔,設(shè)計長度為140m,孔徑113mm。采用膨脹水泥砂漿反復(fù)灌注,“兩堵一注”式封孔,鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

        圖2 試驗(yàn)區(qū)鉆孔布置

        表1 鉆孔布置參數(shù)

        3 液態(tài)CO2壓注關(guān)鍵參數(shù)及影響半徑

        3.1 煤層注液態(tài)CO2關(guān)鍵參數(shù)分析

        煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯關(guān)鍵參數(shù)見表2。由表2可知,401101回風(fēng)巷試驗(yàn)區(qū)域Y-1#孔液態(tài)CO2累計壓注時長為220min,平均流量保持在0.028~0.038m3/min,最大孔口壓力為1.72MPa,液態(tài)CO2壓注累計量為5.0m3。Y-2#孔液態(tài)CO2累計壓注時長為156min,平均流量維持在0.035m3/min,最大孔口壓力為1.5MPa,液態(tài)CO2壓注累計量為4.0m3,試驗(yàn)區(qū)域累計壓注液態(tài)CO2總量為9.0m3。

        表2 煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯關(guān)鍵參數(shù)

        401101回風(fēng)巷煤層注液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯試驗(yàn)過程中Y-1#孔、Y-2#孔壓注壓力曲線如圖3所示。煤層注液態(tài)CO2壓力整體變化趨勢為:初始注液升壓→壓力波動→壓力衰減→二次升壓→停止注液降壓。通過分析整個試驗(yàn)過程中升壓時間、壓力波動時長、波動段壓力峰值以及最大壓力值可知:升壓時間規(guī)律性增長至30min左右時,壓注壓力呈動力學(xué)波動,且波動壓力、最大壓力值與波動時間呈反比關(guān)系。隨著波動壓力的逐漸增加,對應(yīng)的波動時間減小,最大壓注壓力相應(yīng)增大。

        圖3 液態(tài)CO2壓注過程中鉆孔壓力曲線

        可以看出初始注入液態(tài)CO2充滿鉆孔過程中,液態(tài)CO2與煤體迅速對流換熱,升溫體積膨脹,壓力明顯升高[4]。隨著注液量的增加,壓注壓力保持穩(wěn)定,這是氣、液混合態(tài)CO2向煤體原始裂隙通道運(yùn)移,CO2沿著有效影響范圍穩(wěn)定輸出的過程[8]。當(dāng)液態(tài)CO2輸出流量小于CO2在煤層中的滲流、擴(kuò)散量時,注入壓力呈現(xiàn)短時間衰減。調(diào)節(jié)槽車以最大功率輸出液態(tài)CO2時,液態(tài)CO2輸出流量大于CO2沿著煤層運(yùn)移流量,試驗(yàn)區(qū)域出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象,孔口壓力二次升高。當(dāng)槽車液態(tài)CO2停止輸出時,CO2在泵注動力驅(qū)動作用下,迅速滲流、擴(kuò)散,壓力快速下降。如圖3所示,煤層注液態(tài)CO2試驗(yàn)保壓期間的降壓速率平均值為0.04 MPa/min,大于壓注過程中的升壓速率。表明停止壓注,煤層自身壓力釋放速率較快,驅(qū)動CO2的運(yùn)移速率也相應(yīng)增大。

        煤層溫度變化規(guī)律如圖4所示,由圖4可知:煤層平均原始溫度為37 ℃,液態(tài)CO2壓注至30 min時,距Y-2#孔5m處的J-9#鉆孔溫度衰減,在130min時溫度快速降至0 ℃并出現(xiàn)負(fù)溫(-20℃)。同時,距離Y-2#孔7m位置處的J-10#鉆孔也出現(xiàn)溫度驟減現(xiàn)象,最大降溫幅度為32℃。隨著液態(tài)CO2壓注過程中與煤層熱交換的迅速進(jìn)行,煤層溫度快速恢復(fù)至原始水平。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著液態(tài)CO2壓注量的增大,由于液態(tài)CO2的低溫屬性,使得J-9#鉆孔(距離Y-2#孔5m)、J-10#鉆孔(距離Y-2#孔7m)附近煤層區(qū)域溫度快速降低,表明低壓注液態(tài)CO2能夠降低煤層溫度。

        圖4 煤層溫度變化規(guī)律

        結(jié)合煤層注液態(tài)CO2關(guān)鍵參數(shù)與煤層地質(zhì)狀況,對煤層中CO2運(yùn)移速率較快的原因做如下分析:①終采線以外煤體破碎帶集中分布,表層裂縫顯見;②試驗(yàn)區(qū)域瓦斯抽采時間長達(dá)2a,抽采區(qū)域瓦斯壓力大大降低,氣、液混合態(tài)CO2沿著煤層滲流、擴(kuò)散阻力??;③煤層平均溫度在40 ℃左右,較高的煤層溫度縮短了注入的液態(tài)CO2向氣態(tài)相變時間,而相變后的氣態(tài)CO2在相變驅(qū)動力作用下在煤體中的運(yùn)移速率加快。

        3.2 煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑

        為了測定煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑,工業(yè)試驗(yàn)測試液態(tài)CO2壓注過程中煤層CO2濃度與溫度變化規(guī)律,判定煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑,結(jié)果見表3。液態(tài)CO2滲流-擴(kuò)散半徑如圖5所示。

        圖5 液態(tài)CO2滲流-擴(kuò)散半徑

        表3 煤層液態(tài)CO2過程中鉆孔CO2濃度

        當(dāng)Y-1#孔液態(tài)CO2累計壓注量達(dá)到4.0m3時,利用工業(yè)用CO2檢定管測得J-6#孔20m位置處的CO2濃度值達(dá)到11.6%(其余20m以內(nèi)鉆孔CO2濃度均大于20%),遠(yuǎn)高于煤層CO2濃度原始值,表明Y-1#孔注液態(tài)CO2時的有效影響半徑可能達(dá)到20m。并且,觀測距離Y-1#孔25m處的J-5#孔內(nèi)部CO2濃度為1.6%,低于煤層原始CO2濃度。同樣,當(dāng)Y-2#孔累計壓注量達(dá)到5.0m3時,距離其20m處的J-13#鉆孔CO2濃度超過20%。結(jié)合圖5可知:距離Y-2#孔5m的J-9#鉆孔和7m位置處的J-10#鉆孔溫度變化情況,確認(rèn)本次試驗(yàn)煤層注液態(tài)CO2有效影響半徑為20m,其中CO2的液相滲流半徑為5~7m,氣相擴(kuò)散半徑為20m。

        3.3 瓦斯抽采效果分析

        瓦斯抽采效果對比如圖6所示,由圖6可以看出,當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域液態(tài)CO2累計壓注量為9.0m3時,試驗(yàn)區(qū)域瓦斯抽采濃度和流量均明顯大于原始區(qū)域瓦斯抽采濃度和流量??梢?,液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯的抽采濃度是原始濃度的3.61倍,抽采流量是原始流量的6.79倍。相比原始瓦斯抽采效果,采用液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯后,工藝效果明顯。

        圖6 瓦斯抽采效果對比

        3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

        孟村煤礦4#煤層為高瓦斯煤層,采用綜放開采方式,按照工作面年回采1800m,采前預(yù)抽煤層瓦斯需布置鉆孔720個(間距2.5m/個),孔深140m/個,鉆孔施工成本按70元/m計算,每年使用在采前瓦斯預(yù)抽施工成本為:720個×140m/個×70元/m=705.6萬元。

        采用液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù),鉆孔布置間距10m/個,鉆孔數(shù)量為180個,孔深140m/個,鉆孔施工成本按150元/m計算,其成本為:180個×140m/個×150元/m=378.0萬元。由此可知,采用液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)可節(jié)支:705.6-378=327.6萬元。此外,液態(tài)CO2相變增透及驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)有效縮短煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時間,有效緩解了瓦斯災(zāi)害對礦井安全生產(chǎn)的影響,技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

        4 結(jié) 語

        高瓦斯煤層液態(tài)CO2驅(qū)替瓦斯工業(yè)試驗(yàn)是在孟村礦4#煤層401盤區(qū)401101工作面回風(fēng)巷開展,主要對煤層壓注液態(tài)CO2過程中壓力-流量等動力參數(shù)和CO2在煤層中運(yùn)移的動力學(xué)特征進(jìn)行分析。結(jié)果顯示:煤層注液態(tài)CO2過程中壓力-流量等關(guān)鍵參數(shù)呈波動特性,而動力學(xué)參數(shù)的變化反映出CO2在煤層中的運(yùn)移力學(xué)特征。根據(jù)液態(tài)CO2壓注過程中煤層內(nèi)部CO2濃度和溫度變化規(guī)律,判定孟村礦4#煤層注液態(tài)CO2液相滲流半徑5~7m,氣相擴(kuò)散半徑為20m。液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯后,抽采濃度提升3.61倍,抽采流量提升6.79倍。相比瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時間明顯縮短,工藝技術(shù)降低,說明液態(tài)CO2驅(qū)替煤層瓦斯抽采效果明顯。

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