突出煤层回采面CO2 致裂二次强化增透瓦斯抽采技术研究

李明LI Ming；甘路军GAN Lu-jun；徐金国XU Jin-guo；刘丽凯LIU Li-kai；倪学宁NI Xue-ning；郭帅房GUO Shuai-fang

（①山西和顺天池能源有限责任公司，晋中 032700；②河南理工大学资源环境学院，焦作 454000）

0 引言

我国高瓦斯突出矿井广泛分布，其瓦斯治理面临巨大的挑战[1-2]。近年来国内外开发出密集钻孔、多项水力化措施、驱替抽采、深孔爆破等技术[3-7]，在一定程度上解决了煤矿瓦斯治理技术难题，但不同技术适用于不同的瓦斯地质条件。CO2作为一种新型破煤岩手段，具有安全性能高、操作简便、威力巨大等特点域[8]。该技术引入中国后，经多次研究与试验[9-11]，其具有的造缝、卸压、增渗的特点在煤矿采掘工程中取得了显著效果[12-14]。

经研究发现，采用液态CO2致裂技术，可以降低瓦斯突出风险，提高瓦斯抽采效率，提高矿井的可持续开采能力。但在低渗难抽煤层密集钻孔区域实施CO2致裂技术，在国内外鲜有研究，本文对天池煤矿已抽采两年的15604工作面进行了二次强化增透瓦斯抽采试验，对比分析抽采钻孔参数，探究在煤矿安全生产中CO2致裂二次强化技术所起到的增渗、卸压、提高抽采速度的重要意义。

1 研究区概况

山西和顺天池公司主采15 号煤层，位于太原组下段中下部，采掘生产主要集中在六采区，全区划分为煤与瓦斯突出危险区。煤层埋深在83.78～602.96m，平均330.92m，厚度在0.45～5.71m 之间，平均4.18m。

15 号煤层在靠近顶板处煤层松软，瓦斯含量较高，下部煤层较为坚硬，瓦斯含量稍低，煤层中间分布的薄层夹矸阻碍了抽采过程中的瓦斯渗流。604 工作面实施了顺层密集钻孔预抽回采区域煤层瓦斯（抽采钻孔分别在运输顺槽和回风顺槽垂直巷壁平行布置，钻孔间距为1.5m，孔径94mm，钻孔长度110m）。但是，15 号煤层瓦斯含量高（瓦斯含量最大为16.64m3/t）、低渗透（0.02mD）、难抽采，抽采两年后，在回采割煤时，瓦斯仍异常涌出，安全状况严峻。并且随着采区向深部延伸，煤层瓦斯含量越来越大，在常规瓦斯抽采方法情况下需要抽采的时间越来越多。

现需在15604 回采面进行CO2致裂二次强化增透瓦斯抽采技术研究，在已经抽采两年的密集钻孔区域内中形成更加复杂的裂缝卸压圈，消除局部应力集中，降低瓦斯压力，提高瓦斯抽采效率，进而保障回采工作面的安全生产。

2 CO2 致裂试验方案

2.1 CO2 致裂工艺

CO2致裂装置由充气阀、储液管、喷气阀、加热器、剪切片、密封垫等组成，作为一种煤层致裂增渗防突技术；图1 为CO2致裂结构示意图。

图1 气相压裂装置结构示意图

①高压管，采用热处理的空心高强度钢管构成，管道的两端设有注液孔和排放孔。高压管坚固耐用，可重复使用超过15 年。

②充气阀，包括六角定位锥形螺钉阀门和两个连接引燃导线的电极等，该部分有充气、放气和接通电源功能。

③喷气阀，安装在高压管前端，上有8-16 个孔，用于高压气体喷出。

④剪切片，爆破片在气相压裂装置中主要用于控制爆破压力，一旦高压管内气相压力超过爆破片的强度，爆破片就发生破坏，气体从而得到释放。一般采用的是剪切型爆破片，这种爆破片结构简单、安装方便。爆破片使用前要进行标定，根据不同的爆破压力选用合适的爆破片。为保证密封效果，在爆破片和爆破筒主体之间加入起密封作用的铜垫片。

⑤加热器，内装化学物质，用于高压管内液态气体加热增压引爆；当电极接通电流时，增压器内化学物质发生快速反应放热增压，即刻引爆高压管，使气体喷出。

⑥启爆器，用于引爆增压器和高压管内气体。

采用煤矿井下钻孔施工钻机，配套工装，完成CO2致裂瓦斯治理设备的推进和退出工作，提高施工效率。

目前用于煤矿瓦斯治理的致裂器主要有以下几种设备，其中C-74 型主要用于煤矿井下瓦斯治理，主要参数见表1。

表1 CO2 致裂装置技术参数

2.2 试验方案

15604 工作面进风顺槽停采线往工作面方向100m 范围内的密集钻孔抽采区进行致裂强化增透工业试验。施工16 个气相致裂钻孔，孔间距为6m，孔深110～120m，钻孔布置图见图2。

图2 CO2 致裂技术方案

①试验地点：15604 工作面进风顺槽停采线往工作面方向100m 范围内。

②按照顺序依次施工气相致裂钻孔，施工完成后及时封孔并联网抽采，进行数据监测。

③施工致裂钻孔，施工深度为120m，倾角+4°，开孔高度距顶板1.8m，钻孔位于604 进风顺槽右帮，垂直于巷道。压裂过程中使用压裂杆30 根，通缆钻杆深度40m，钻孔成孔后，及时将致裂管、封孔器、推杆等推进钻孔，固定致裂设备，拉信号线到安全区域，撤人设警戒，启动致裂，30min 后检查工作面情况，确认无异常进入工作面，将设备退出钻孔。

④致裂后封孔严格按照“两堵一注”的方式进行，深度范围为10～18m，钻孔全程下Ф50mm 的筛管（特殊情况时，确保下管长度不小于钻孔长度的60%），Ф50mm 的封孔器，在8-18m 孔深进行囊袋封孔器封孔，管件采用Ф50mmPVC 材质胶管、与封孔管采用密封圈密封。Ф50mmPVC 阀门、连通管之间采用Ф50mm 螺旋管连接、确保无漏气现象后进行联网抽采。

⑤完毕后及时封孔并联网抽采，封孔使用“囊袋封孔”的方式进行封孔。

⑥加强抽采钻孔管理，对低浓度抽采钻孔进行堵漏处理，处理后浓度较低的抽采钻孔进行关闭处理或者水泥注浆封堵。

3 试验效果分析

3.1 钻孔瓦斯浓度

在天池煤矿15604 工作面进风巷道实施CO2致裂试验16 个钻孔，钻孔具体实施如图2，试验共使用CO2致裂器480 根次。

图3可以看出，原始钻孔经2 年抽采，瓦斯浓度相对稳定，原始钻孔的平均瓦斯抽采浓度为11.76%；11 月7 日开始瓦斯抽采浓度检测，其瓦斯抽采浓度随抽采时间的增加呈波动下降趋势，其致裂孔的瓦斯抽采浓度平均为51.36%，经CO2致裂后，煤层瓦斯浓度有大幅度提升，平均提升4.36 倍。

图3 瓦斯抽采浓度

从抽采数据来看，对现有的密集钻孔段而言，已抽采超过2 年的煤层在压裂过后仍具有较高的瓦斯抽采浓度，说明，该工作面瓦斯含量较大，抽采效果不明显。而从致裂前后的抽采数据来看，CO2致裂技术具有明显改善煤层内部裂隙结构的特性，致裂后平均瓦斯抽采浓度最大可达71.26%，且浓度较为稳定。煤层经过CO2致裂二次强化增透后，煤层内部裂隙更为发育，瓦斯经过CO2致裂产生的裂缝涌出煤层，增加了瓦斯抽采量及瓦斯浓度。

3.2 管道瓦斯抽采纯量效果考察

图4中反映了总抽采纯量、原抽采量计算值及致裂钻孔数量随时间的变化趋势。在致裂后的抽采过程中，总抽采量的变化趋势与气相致裂孔个数相一致。瓦斯抽采总纯量随着致裂孔数量的增加而增加，随着数量的减少而呈现下降趋势。这是由于原始煤层已进行了两年抽采，原始抽采孔对总抽采量贡献不大，随着CO2致裂技术的实施，总抽采量出现了波动上升，说明CO2致裂二次增透技术不仅能直接改善煤层抽采能力，还能对原始钻孔进行改造，促使并改造原始钻孔的抽采能力，进一步降低煤层瓦斯含量，极力避免了煤层回采过程的瓦斯超限问题。

图4 管道瓦斯抽采纯量及压裂孔数量曲线图

值得注意的是，CO2致裂后，11 月17 日至11 月22日，即第7 个至第10 个致裂孔致裂后瓦斯抽采纯量达到峰值，最大可达471.79m3/h，平均抽采纯量为274.93m3/h，相比于原始密集钻孔的瓦斯抽采纯量191.32m3/h，提高了44%。随着回采的进行，抽采钻孔数量逐渐减少，但总瓦斯抽采纯量有逐渐增大的趋势。这进一步证明了致裂技术具有明显的造缝能力，进一步改善了煤层内部裂隙结构及原始孔的抽采能力。

4 结论

①原始钻孔的平均瓦斯抽采浓度为11.76%，致裂孔的瓦斯抽采浓度平均为51.36%，经CO2致裂后，煤层瓦斯浓度有大幅度提升，平均提升4.36 倍。

②CO2致裂后，随着致裂孔数量的增加，瓦斯抽采总纯量也会随之增加，反之则会下降。致裂后的最大瓦斯抽采纯量为471.79m3/h。

③CO2致裂二次技术会在煤层中形成复杂的裂缝卸压圈，均化瓦斯涌出，进而提高瓦斯抽采效率。