楊 鵬,薛 傲,王 杰,潘 輝,陳嘉慧,任旭朗,程志恒,陳 亮

(1.山西華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 臨汾 041000;2.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201;3.招金礦業(yè)股份有限公司,山東 煙臺(tái) 265400)

0 引言

隨著我國(guó)煤層開采深度和強(qiáng)度的增加,瓦斯災(zāi)害逐漸成為制約我國(guó)高突礦井安全高效生產(chǎn)的首要問題,傳統(tǒng)的抽采方法[1-3]在瓦斯含量高的單一低滲厚煤層中效果不佳,瓦斯抽采效率低且成本高。為了解決單一低滲厚煤層瓦斯抽采的難題,國(guó)內(nèi)學(xué)者經(jīng)過多年的探索與實(shí)踐,以傳統(tǒng)鉆孔卸壓為基礎(chǔ),改良多種瓦斯抽采方法,形成保護(hù)層開采、水力壓裂、水力割縫、可控沖擊波、深孔預(yù)裂爆破、CO2氣相壓裂等增透措施[4-7],這些措施從不同角度以不同方式解決瓦斯抽采和泄壓防突方面的問題,有效地提高煤層瓦斯抽采效率。

山西華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司2號(hào)煤層屬于較難抽放煤層,工作面煤層存在著“采前難抽,采中涌出大”的特點(diǎn),它的滲透性較低,煤層內(nèi)瓦斯釋放困難,同時(shí)煤與煤之間粘結(jié)性較差,導(dǎo)致開采難度相對(duì)較大。常規(guī)的采礦方法往往無法充分釋放瓦斯和提高采煤效率,因此需要采用其他技術(shù)手段進(jìn)行增透增產(chǎn)。

為解決吉寧礦2號(hào)煤層的瓦斯抽采問題,吉寧礦引入了CO2氣相壓裂增透技術(shù),其通過利用液體CO2在加熱條件下瞬間膨脹為高壓氣體對(duì)煤層做功并壓裂煤層,煤層產(chǎn)生復(fù)雜裂隙系統(tǒng),地應(yīng)力集中現(xiàn)象大幅度緩解和均化,增加煤層裂隙,CO2驅(qū)替煤層中的瓦斯,大幅度提高煤層透氣性,最終提高煤層瓦斯抽采效率。該項(xiàng)技術(shù)最初應(yīng)用于油田增產(chǎn)作業(yè),效果顯著,90年代初,我國(guó)引入該項(xiàng)技術(shù),先后應(yīng)用于天然氣、頁(yè)巖氣開采等領(lǐng)域,2008年,首次在國(guó)內(nèi)煤礦領(lǐng)域應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù),取得重大突破。張東明、白鑫等[8-10]建立了液態(tài)CO2相變氣體射流壓力模型,為CO2氣相壓裂增透技術(shù)提供了理論依據(jù);王兆豐[11-13]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),證明CO2氣相壓裂技術(shù)可以有效提高煤層透氣性,改善瓦斯抽采效果;前人對(duì)CO2氣相壓裂技術(shù)的研究大多重點(diǎn)在該技術(shù)的原理上,對(duì)CO2氣相壓裂條件下瓦斯抽采半徑的研究較少,為了驗(yàn)證該技術(shù)的有效性,通過實(shí)驗(yàn)研究構(gòu)造本構(gòu)模型并運(yùn)用COMSOL軟件對(duì)吉寧礦2號(hào)煤層CO2氣相壓裂增透技術(shù)增透前后的鉆孔瓦斯抽采半徑進(jìn)行了研究,同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)三種鉆孔直徑下CO2氣相壓裂增透技術(shù)增透前后的鉆孔瓦斯抽采半徑,將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,確定CO2氣相壓裂技術(shù)的增透效果[14-15]。

1 CO2氣相壓裂增透技術(shù)原理

CO2氣相壓裂增透技術(shù)[27]是利用液態(tài)CO2吸熱氣化膨脹的原理實(shí)現(xiàn)的。該技術(shù)通過瞬間加熱液態(tài)CO2,液態(tài)CO2膨脹產(chǎn)生高壓力,迅速氣化并產(chǎn)生高壓沖擊波,壓力迅速升高,超過容器額定壓力擊穿安全膜,高壓沖擊波通過排氣管,沖擊排氣管方向煤層,煤體發(fā)生松動(dòng)和破裂,產(chǎn)生大量裂隙,煤體內(nèi)部裂隙被貫通,促使煤體內(nèi)處于吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài),CO2氣體驅(qū)替瓦斯占據(jù)煤體內(nèi)部的裂隙,游離態(tài)瓦斯通過裂隙被釋放出來,降低了煤體內(nèi)部的瓦斯含量。這是一種相對(duì)安全的爆破方式。該技術(shù)具備工藝簡(jiǎn)單,成本較低,可有效降低煤層瓦斯含量和壓力,提高單一低滲厚煤層的瓦斯抽采效率和抽采速度,且CO2氣相壓裂技術(shù)具有造縫、卸壓、增透和防突的綜合效果[16]。

在煤層中應(yīng)用CO2氣相壓裂技術(shù),可以強(qiáng)化增透,提高煤層的透氣性,進(jìn)而提高瓦斯抽采濃度和抽采量,縮短抽采時(shí)間。實(shí)施CO2氣相壓裂增透技術(shù),通過對(duì)煤層進(jìn)行改造,增加其透氣性,提高瓦斯抽采濃度和純量,并減少達(dá)標(biāo)抽采所需時(shí)間。氣相壓裂可以解除煤層局部應(yīng)力集中,均衡瓦斯壓力場(chǎng),降低瓦斯壓力,從而降低瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

2 CO2氣相壓裂有效抽采半徑變化規(guī)律

2.1 2203工作面概況

2203工作面順槽沿煤層走向布置,工作面后退式回采,順槽采用雙巷布置,工作面采用“W”型通風(fēng)同時(shí),采用順采接續(xù)方式,便于工作面正常接替和回采安全,煤層平均6.29m,ΔP為11.1,堅(jiān)固性系數(shù)f為0.52,孔隙率為3.08%,煤層原始瓦斯含量為8.17～9.74m3/t,屬于低滲厚煤層,隨著開采深度的逐年增加,煤層透氣性進(jìn)一步變差,滲透性較低,煤層內(nèi)瓦斯釋放困難,同時(shí)煤與煤之間的連接性較差,導(dǎo)致開采難度相對(duì)較大。

2.2 構(gòu)建煤體致裂本構(gòu)模型

(1) 瓦斯擴(kuò)散方程

(1)

式中,C為瓦斯?jié)舛?D為擴(kuò)散系數(shù),m2/s;為匯源項(xiàng),體現(xiàn)吸附態(tài)瓦斯和游離態(tài)瓦斯質(zhì)量轉(zhuǎn)換。

(2) 瓦斯?jié)B流方程

(2)

式中,Wy為游離瓦斯含量,m3/t;q為瓦斯?jié)B流速度,m/s;Wy為游離瓦斯含量密度,kg/m3。

(3) 瓦斯含量方程

W=Wx+Wy

(3)

式中,W為煤層瓦斯含量,m3/t;Wx為吸附瓦斯含量,m3/t;Wy為游離瓦斯含量,m3/t。

(4) 氣體狀態(tài)方程

(4)

式中,mg為氣體分子量;R為一般氣體常數(shù);pb=0.101325MPa;Tb=273K。

(5) 滲流速度方程

(5)

式中,k為煤體的滲透率,m2;μ為瓦斯的動(dòng)力粘度系數(shù),Pa/s;

(6) 質(zhì)量交換方程

Q=(Wx-Wy)τ

(6)

式中,Q為匯源項(xiàng),kg·m-3·s-1。

2.3 相似模擬模型建立

本文對(duì)CO2壓裂增透前后的抽采半徑分別進(jìn)行模擬,增透前的模擬孔隙率采用對(duì)2203正巷煤樣掃描分析得出的孔隙率8.93%。增透后的裂隙完全破壞區(qū)域的面積為增透前預(yù)制裂隙面積的21.5倍,而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的煤層條件中,裂隙并非像預(yù)制裂隙那樣平整,有完整的角度,邊緣有凸起或者凹陷。煤層中的裂隙也并非只有一條,并且在擴(kuò)展過程中,裂隙與裂隙之間也會(huì)相互作用。所以這里采用保守的策略對(duì)該倍數(shù)進(jìn)行折減,以求貼近現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,折減率為90%。所以模擬增透后的抽采半徑采用的孔隙率為19.2%,其余條件保持一致。具體參數(shù)見表1。

表1 相關(guān)參數(shù)圖

本文建立的幾何模型長(zhǎng)度為100m,高度為6m,鉆孔在模型中心,直徑為105mm,如圖2所示。

2.4 CO2增透前后不同抽采時(shí)間抽采半徑時(shí)變規(guī)律

現(xiàn)以煤層瓦斯壓力 0.74MPa 為基準(zhǔn)值,當(dāng)抽采鉆孔周圍某點(diǎn)的瓦斯壓力達(dá)到 0.74MPa 時(shí),該點(diǎn)距抽采孔的距離就是抽采鉆孔在一定的抽采時(shí)間內(nèi)的抽采影響半徑分別繪制增透前后抽采時(shí)間5d、10d、15d、20d、25d、30d的瓦斯壓力云圖和等值線圖。分別選取距離鉆孔L=1.5m、2m、2.5m、3m的點(diǎn)來觀測(cè)增透前后瓦斯壓力變化。

由圖3～圖8可以看出,以鉆孔為中心,隨著抽采時(shí)間的增加,瓦斯壓力變化的區(qū)域范圍越來越大,說明抽采半徑隨著抽采時(shí)間的增加而增加。由圖3(a)～圖8(a)可以看出當(dāng)抽采時(shí)間為18d時(shí)的抽采半徑為1.5m,抽采時(shí)間為23d時(shí)的抽采半徑為2m,抽采時(shí)間為27d時(shí)的抽采半徑為2.5m。由圖9(d)可以看出,當(dāng)抽采到30d時(shí),距離鉆孔3m的位置的瓦斯壓力并未下降到0.74MPa以下。為了得出抽采時(shí)間為30d時(shí)的抽采半徑,再次選取距離鉆孔2.7m的位置繪制壓力變化曲線圖,如圖9(e)所示,由圖中可以看出抽采時(shí)間為30d時(shí)的抽采半徑為2.7m,綜上所述,原始煤體抽采30d時(shí)的抽采半徑為2.7m。

由圖10～圖15可以看出,相對(duì)比圖3～圖8,在同樣的抽采時(shí)間內(nèi)瓦斯壓力變化的范圍大,說明CO2氣相壓裂增透煤體抽采半徑隨著時(shí)間的增長(zhǎng)比原始煤體抽采半徑隨著時(shí)間的增長(zhǎng)的增速快,說明煤體在CO2氣相壓裂增透以后,在相同的抽采時(shí)間內(nèi),抽采半徑比原始煤體的抽采半徑更大。由圖16可以看出當(dāng)抽采時(shí)間為22d時(shí)的抽采半徑為4m,抽采時(shí)間為24d時(shí)的抽采半徑為4.5m,抽采時(shí)間為26d時(shí)的抽采半徑為5m,抽采時(shí)間為28d時(shí)的抽采半徑為5.5m。為了得出抽采時(shí)間為30d時(shí)的抽采半徑,再次選取距離鉆孔5.8m的位置繪制壓力變化曲線圖,如圖16(e)所示,由圖中可以看出抽采時(shí)間為30d時(shí)的抽采半徑為5.8m,綜上所述,CO2氣相壓裂增透煤體抽采30d時(shí)的抽采半徑為5.8m。

圖1 氣相壓裂設(shè)備及工藝流程

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖4 抽采10d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

圖5 抽采15d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

圖6 抽采20d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

圖8 抽采30d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

圖9 CO2壓裂增透前瓦斯壓力變化圖

圖10 抽采5d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

圖11 抽采10d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

圖12 抽采15d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

圖13 抽采20d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

圖14 抽采25d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

圖15 抽采30d時(shí)的瓦斯壓力云圖和等值線圖

CO2氣相壓裂增透煤體的抽采半徑5.8m對(duì)比原始煤體的抽采半徑2.7m提升了3.1m,是原始煤體抽采半徑的約2.1倍。從模擬結(jié)果可以看出,CO2氣相壓裂技術(shù)對(duì)煤體增透的效果顯著,這對(duì)提升抽采效果,節(jié)約抽采成本具有重要意義。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試地點(diǎn)概況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在華晉吉寧煤礦2203正巷以里500m和700m處,分別測(cè)試原始煤體的抽采半徑和CO2氣相壓裂增透后的抽采半徑,利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆孔周圍煤體瓦斯壓力和流量指標(biāo)方法,考察鉆孔抽采半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律。

3.2 原始煤體抽采鉆孔設(shè)計(jì)

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)施工方案

(1) 試驗(yàn)地點(diǎn):2203正巷以里700～730m;

(2) 抽采鉆孔布置:根據(jù)直徑為Φ105mm、Φ113mm和Φ120mm的鉆孔孔徑布置3組考察單元,每組考察單元內(nèi)布置3個(gè)鉆孔,每組考察單元內(nèi)鉆孔間距設(shè)置為2m、3m、4m,參數(shù)及布置方式如表2和圖17。

表2 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 2203正巷鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖17 鉆孔布置

3.2.2 原始煤體抽采半徑數(shù)據(jù)分析

在2203正巷里程697～730m使用流量法測(cè)試鉆孔有效抽采半徑,完成鉆孔的同時(shí)基于瓦斯流量法,以單孔瓦斯流量為考察指標(biāo),不同間距鉆孔分組計(jì)量的方式進(jìn)行鉆孔有效抽采半徑的測(cè)定,記錄相關(guān)流量繪制如圖18所示。

圖18 原始煤體2203正巷抽采數(shù)據(jù)效果分析

圖19 2203鉆孔布置示意圖

由圖18分析可知,在抽采負(fù)壓為13.4kPa不變的情況下,隨著抽采時(shí)間的增加,其瓦斯流量逐漸減小,說明在抽采過程中煤層瓦斯得到有效的治理。由三組數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,105mm、113mm和120mm的抽采半徑范圍基本相似,均在2～3m之間;觀看數(shù)據(jù)的變化可知,105mm的鉆孔其抽采半徑要微小于另外兩種孔徑,另外兩種孔徑中120mm孔徑的抽采半徑又略大于113mm孔徑的抽采半徑,表現(xiàn)為:R(120)>R(113)>R(105),瓦斯流量變化范圍較大,最終確定原始煤體的瓦斯抽采有效半徑為2.5m。

3.3 CO2氣相壓裂增透煤體抽采鉆孔設(shè)計(jì)

3.3.1 原始煤體鉆孔瓦斯有效半徑現(xiàn)場(chǎng)施工方案

(1) 試驗(yàn)地點(diǎn):2203正巷以里510～560m;

(2) 抽采鉆孔布置:在2203正巷根據(jù)直徑為Φ105mm鉆孔孔徑,鉆孔間距設(shè)置為3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m,每小組之間相距5m間距。

3.3.2 CO2氣相壓裂增透煤體抽采半徑數(shù)據(jù)分析

在2203正巷里程500～600m使用流量法測(cè)試鉆孔有效抽采半徑,完成鉆孔的同時(shí)根據(jù)基于瓦斯流量法,以單孔瓦斯流量為考察指標(biāo),不同間距鉆孔分組計(jì)量的方式進(jìn)行鉆孔有效抽采半徑的測(cè)定,記錄相關(guān)流量繪制如圖20所示。

由圖20分析可知,在抽采負(fù)壓為13.4kPa不變的情況下,隨著抽采時(shí)間的增加,其瓦斯流量逐漸減小,說明在抽采過程中煤層瓦斯得到有效的治理。

由四組數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,煤層經(jīng)由從CO2氣相壓裂增透后105mm孔徑的有效抽采半徑范圍在5～6m之間;觀看數(shù)據(jù)的變化可知,當(dāng)經(jīng)過CO2氣相壓裂增透后,增透后的鉆孔流量要比無增透的多,但其變化情況大致相同,其流量數(shù)據(jù)變化量相差不大,除增透孔的抽采流量增大外,在有效半徑內(nèi)的考察孔瓦斯流量也相對(duì)增大,當(dāng)考察孔逐漸遠(yuǎn)離增透孔的影響范圍后,其考察孔的瓦斯流量逐漸趨近于原始煤體的流量數(shù)值。因此,可以判斷在抽采負(fù)壓為13.4kPa不變的情況下,抽采30天的CO2氣相壓裂增透后105mm孔徑的有效抽采半徑范圍為5.5m。

3.4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

由數(shù)值模擬得出的原始煤體的瓦斯抽采有效半徑為2.7m,CO2氣相壓裂增透后的瓦斯抽采有效半徑為5.8m。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出的原始煤體瓦斯抽采有效半徑為2.5m,CO2氣相壓裂增透后的瓦斯抽采有效半徑為5.5m。對(duì)比可以看出,數(shù)值模擬結(jié)果得出的抽采有效半徑均比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的大,原始煤體的瓦斯抽采有效半徑模擬結(jié)果比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大0.2m,CO2氣相壓裂增透后的瓦斯抽采有效半徑數(shù)值模擬結(jié)果比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大0.3m,這是由于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際煤層條件更為復(fù)雜,實(shí)際瓦斯抽采過程中的影響因素也更多,并且數(shù)值模擬的是基于各種假設(shè),簡(jiǎn)化了煤層條件。雖然數(shù)值模擬的結(jié)果相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的抽采半徑偏大,但是誤差均在10%以內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的難度大,影響因素多,數(shù)值模擬的結(jié)果仍可作為參考。

無論是數(shù)值模擬的結(jié)果還是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果,都可以看出CO2氣相壓裂增透效果顯著,CO2氣相壓裂增透后瓦斯抽采有效半徑達(dá)到了原始煤體瓦斯抽采有效半徑的2.1倍,這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯實(shí)際抽采工作,有著重要的參考價(jià)值,有利于提升瓦斯抽采效率,節(jié)省成本。

4 結(jié)論

(1) 建立了煤層致裂本構(gòu)模型,模擬了原始煤體和CO2氣相壓裂增透煤體的抽采半徑,模擬結(jié)果表明:有效抽采半徑隨著時(shí)間的增加而增大,原始煤體抽采30d的瓦斯抽采半徑為2.7m,CO2氣相壓裂增透煤體的瓦斯抽采半徑為5.8m。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了原始煤體和CO2氣相壓裂增透煤體的瓦斯抽采半徑,實(shí)測(cè)結(jié)果為:原始煤體的瓦斯抽采有效半徑為2.5m,CO2氣相壓裂增透煤體的瓦斯抽采半徑為5.5m,針對(duì)吉寧礦低滲煤層情況,CO2氣相壓裂抽采量提高了2.1倍,CO2氣相壓裂增透技術(shù)可以針對(duì)吉寧礦具有良好的瓦斯抽采效果。

(3)經(jīng)過實(shí)測(cè)瓦斯抽采半徑并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者的誤差在10%以內(nèi)。這表明本文所建立的本構(gòu)模型能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程的需要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),表明該煤層的抽采時(shí)間至少要達(dá)到60天。