CO2预裂增透瓦斯抽采技术研究

郭爱军 孟秀峰 令狐建设 赵庆珍 陈凤杰 曹代勇

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083；2.山西能源学院，山西省晋中市，030600；3.山西阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西省阳泉市，045000)

阳泉矿区是我国瓦斯灾害较为严重的矿区之一。阳泉煤业(集团)股份有限公司所属矿井随着开采深度的增加，煤与瓦斯突出问题日益严重。目前，有寺家庄公司、新景公司、石港公司、新元公司、平舒公司、开元公司六对突出矿井。据统计，阳泉煤业平均每年发生煤与瓦斯突出(瓦斯异常涌出)问题66余次，最大突出强度295 t，最大瓦斯涌出量27334 m3，严重影响了矿井的安全高效开采。因此，防治煤与瓦斯突出是阳泉矿区瓦斯治理需要攻克的主要技术难题之一。

近几年，阳泉煤业所属矿井在煤层增透技术方面先后开展了水力挤出、水力割缝、水力压裂、水砂压裂以及深孔预裂爆破等试验研究，在提高煤层透气性方面取得了重要进展，但也存在一定的问题，比如水力挤出消突范围窄，达不到区域消突的目的；水力压裂、水砂压裂装备庞大，封孔较难，推广应用受到一定限制；水力割缝在掘进工作面的消突试验还未得到确切验证；导爆索深孔预裂爆破也仅处于小规模的试验阶段。到目前为止，阳泉煤业的煤层增透技术仍然未形成固化的技术措施和技术体系。

通过CO2预裂增透现场试验，研究CO2高压致裂诱发瓦斯抽采浓度、瓦斯含量变化规律，分析CO2煤层预裂增透技术对本煤层的预裂增透效果，形成适合于阳煤集团试验矿井CO2煤层预裂增透技术工艺，为阳煤集团高、突矿井掘进工作面快速掘进提供技术支撑。

1 CO2预裂增透技术装备

利用CO2预裂增透治理瓦斯技术主要通过液态CO2在密闭空间液-气两相转变的过程中，释放出大量高能气体对煤体进行预裂。在31℃以下、7.2 MPa压力以上的物理状态，CO2以液态存在。当温度高于31℃时，以液态状态存在的CO2可在100～300 mms内气化，同时产生60～200 MPa的压力对煤体造成“爆轰”冲击 ，其产生的高压冲击波能够在30～60 mms内对煤体冲击致裂，增加煤体的透气性。由于煤对CO2的吸附性能高于CH4，气化的CO2可置换和驱替煤中的CH4，使煤层中的瓦斯在致裂增透和置换驱替双重作用下，提高煤层瓦斯抽采效率。

CO2预裂装备组件由可调式顶杆、引出杆、水压封孔器、连接件、预裂装置组成。预裂装置的工作原理：预先安设并固定化学发热材料装置在预裂装置管腔，将液态的CO2注入管腔内，存在于装置内的化学发热材料通过矿用发炮器进行激活，对腔内的液态CO2进行加热，使其在短时间内受热汽化膨胀，使管腔内产生高压，待压力达到预设值后，卸压片自动打开，高压CO2气体瞬间释放，产生的高压波对煤体产生预裂作用，最终达到增透的目的。预裂装置如图1所示。

图1 预裂装置图

2 寺家庄公司CO2预裂增透试验

2.1 瓦斯地质概况

寺家庄公司井田位于沁水煤田的东北边缘，总体呈东高西低的单斜构造，含煤地层由老到新依次为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组。其中，太原组、山西组为主采煤层，是主要勘探对象。可采煤层为8#、9#、15#煤层。

矿井采用斜立井多水平混合开拓，设有主斜井、副立井、中央进风立井、中央回风立井、北翼进风井和北翼回风井共6个井筒。寺家庄公司在矿建期间曾发生过2次压出型煤与瓦斯突出，经中煤科工集团沈阳研究院鉴定，寺家庄公司为煤与瓦斯突出矿井，15#煤层为煤与瓦斯突出煤层。现阶段采用的瓦斯治理技术措施有：回采工作面采用顺层钻孔双侧布孔方式预抽；掘进工作面采用顺层钻孔预抽、顶底板岩巷超前掩护煤巷预抽；千米钻机施工顺层钻孔区域预抽。

2.2 15205工作面CO2预裂增透试验

15205工作面开采15#煤层，该煤层结构较简单，一般含矸2～3层，块状及粉状，以镜煤为主，其次为暗煤，属煤光亮型煤，煤质较松软，总体为一南北高中间低的向斜形态，煤层有波状起伏，倾角一般为5°～7°。

试验地点选在15205工作面进风巷，施工1个CO2预裂孔和12个抽采孔。15205工作面预裂、抽采钻孔布置如图2所示。预裂孔位于巷道中线上，距底板2.3 m。12个抽采孔位于预裂孔两侧，1#、2#、3#、4#、5#抽采孔位于左侧，1#、2#、3#抽采孔位于同一纵向上，孔间距1.2 m，距离预裂孔4.6 m，3#抽采孔距底板1 m；4#、5#位于同一纵向上，孔间距1.2 m，距离预裂孔4.1 m，5#抽采孔距底板1.6 m。6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#抽采孔位于右侧，6#、11#、7#、12#抽采孔位于同一纵向上，孔间距0.5 m，距离预裂孔4.6 m，12#抽采孔距底板1 m；8#、9#、10#抽采孔位于同一纵向上，距离预裂孔4.1 m，孔间距1.2 m，10#抽采孔距离底板1 m。15205工作面预裂、抽采钻孔布置参数见表1。

1#、2#、3#抽采孔终孔位置距右帮轮廓线20 m， 4#、5#抽采孔终孔位置距右帮轮廓线17 m；6#、7#、11#、12#抽采孔终孔位置距左帮轮廓线20 m，8#、9#、10#抽采孔终孔位置距左帮轮廓线17 m。

预裂孔和抽采孔施工完成后，进行了两次预裂，时间间隔24 h，第一次预裂使用14个预裂管，预裂深度27～55 m，第二次预裂使用12个预裂管，预裂深度24～48 m。

图2 15205工作面预裂、抽采钻孔布置剖面图

孔号角度/(°)方位角/(°)钻孔深度/m距底板/m预裂深度/m预裂器支数/支预裂孔1S0°862.320～60二次预裂1#抽采孔2SE15°903.4--2#抽采孔2SE15°902.2--3#抽采孔0SE15°901.0--4#抽采孔2SE12°882.8--5#抽采孔2SE12°881.6--6#抽采孔-5SW15°902.5--7#抽采孔-7SW15°901.5--8#抽采孔0SW12°883.4--9#抽采孔-9SW12°882.2--10#抽采孔-5SW12°881.0--11#抽采孔-8SW28°482.0--12#抽采孔-8SW28°481.0--

3 结果分析

15205工作面预裂钻孔实施“一孔两爆”试验。第一次预裂前，巷道最大瓦斯浓度为0.15%，孔口最大瓦斯浓度为30%；试验后，巷道最大瓦斯浓度为0.16%，在预裂16 h后测量的孔口最大瓦斯浓度为68%。第二次预裂前，巷道最大瓦斯浓度为0.16%，孔口最大瓦斯浓度为68%；试验后，巷道最大瓦斯浓度为0.16%，在预裂16 h后测量的孔口最大瓦斯浓度为73%，随后瓦斯浓度逐渐衰减。

二次预裂后各抽采孔及预裂孔瓦斯浓度变化见表2和图3。由表2可以看出，有8个钻孔瓦斯浓度升高，5个钻孔瓦斯浓度降低，左侧钻孔平均瓦斯浓度增加3.28%，右侧钻孔平均瓦斯浓度增加1.72%，整体瓦斯浓度升高1.4%。总体以预裂孔为圆心，瓦斯形成“置换、驱替环”，在预裂孔周围的4#、5#、9#抽采孔瓦斯浓度迅速下降，比预裂前的瓦斯浓度平均下降了27.6%。而远离预裂孔的1#、2#、3#、12#抽采孔平均瓦斯浓度比预裂前升高了20.95%。

图3 CO2预裂形成的“置换、驱替环”

表2 二次预裂后各抽采孔及预裂孔瓦斯浓度变化

4 结论

(1)采用“一孔两爆”的方式进行CO2预裂试验，CO2置换和驱替了预裂孔周围的CH4，瓦斯迅速向周边扩散，形成以预裂孔为圆心的瓦斯“置换、驱替环”，在预裂孔周围的4#、5#、9#抽采孔瓦斯浓度迅速下降，比预裂前的瓦斯浓度平均下降了27.6%。而远离预裂孔的1#、2#、3#、12#抽采孔，平均瓦斯浓度比预裂前升高了20.95%。

(2)通过第一次预裂前后巷道瓦斯浓度和第二次预裂前后巷道瓦斯浓度的对比，表明CO2预裂强度提高后，未对巷道风排瓦斯造成影响，证明“一孔两爆”CO2预裂方法安全有效，可在高瓦斯矿井中使用。

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