高瓦斯煤矿CO2 增透技术

李斌华

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山县店坪煤矿，山西 吕梁 033100）

0 引 言

随着煤矿开采巷道向深部掘进，煤层逐渐呈现瓦斯含量高、透气性差等安全隐患，在瓦斯抽采的过程中，势必会造成钻孔抽采浓度不达标、瓦斯持续涌出时间不足、瓦斯解吸量低、瓦斯抽采总量小、瓦斯含量高等一系列问题，常规瓦斯的预抽和顺层抽采的技术无法满足煤层透气性差的现场，这严重的制约巷道掘进速率和危害到工人的施工安全，严重影响了煤矿的正常生产，虽然可以通过增加 瓦斯钻孔数、增加抽采时间，但均无法大幅度的降低瓦斯含量。

为了解决这个难题，文章以高瓦斯矿井常村煤矿3 号煤层为研究对象，应用CO2致裂增透技术，增大了煤层裂隙区域，增加了煤层透气性。

1 煤层透气性的分析

1.1 巷道概况

自上而下常村煤矿的岩层属性如表1 所示，3 号煤层为主采煤层，均厚6.05 m，煤深489~548 m。3 号煤层中在+470 位置为23 采区胶带运输下山巷道，巷道断面为矩形，尺寸5.04 m×3.42 m，总长2 150 m，煤层中有6 个砂岩含水层，其中7、8 号弱含水层离3 号煤层较近，但对巷道的掘进影响不大。依据3 号煤层瓦斯地质图显示，其普氏系数f 为0.47 ~ 0.49，地温地压正常。3 号煤层23 采区的瓦斯最大压力为0.9 MPa，最高含量为15 m3/t，在巷道开口处实测瓦斯含量为6.756 4 m3/ min，可解吸量为5.153 8 m3/t，初始透气系数为 0.003 237 ~ 0.241 9 m2/ MPa2·d，衰减系数为0.172 6 ~ 0.302 5d-1，放散速度14.4 ~16.335 mmHg，因此3 号煤层的瓦斯很难被抽采，处于低透气性赋存状态。

表1 煤层岩性

1.2 煤层渗透性的分析

煤层并不是单一均匀的介质，煤层中赋存着诸多孔隙和裂隙，这促进了瓦斯的不断流动，大大的提高了煤层中瓦斯的渗透能力，其渗透能力的大小主要由煤层原始结构、地质构造、煤层含水量、矿物质填充量、地应力、瓦斯压力等因素决定。

一般情况下，瓦斯以吸附态和游离态赋存在煤体中，其总和为瓦斯总含量，约80%~90%的瓦斯吸附在煤体表面，10%~20%游离在煤体空隙中,如图1 所示。

图1 瓦斯吸附态和游离态赋存在煤体示意

2 CO2 致裂增透技术

在巷道掘进的过程中，经常遇到煤层裂隙发育较差，煤层透气性差，瓦斯超限等危险状况，为了消除安全隐患，改变煤层低透气性的状况，应用CO2致裂增透技术，使用CO2气体在煤层中营造惰性环境，避免引起火花，并能使吸附在煤体表面的瓦斯变成游离装态，是一种安全高效的增透技术。

2.1 CO2 致裂装置的组成

当温度高于31℃，压力超过7.385 MPa 时，CO2会表现出一种不同于气、液、固态相态的超临界状态的特殊流体，此状态下，分子扩展性良好、密度高，且CO2相变后，在短时间内会释放出大量的能量作用于煤层原生裂隙，使得裂隙迅速发育成一定的影响范围。常村煤矿使用的CO2致裂装置简图如图2 所示，主要由注液阀、储液管、加热管、液态CO2、泄能片、释放管等主要部件组成。

图2 CO2 致裂装置简图

2.2 CO2 致裂过程的力学分析

在CO2致裂的过程中，液态CO2受热后在致裂孔中迅速变为超临界状态，体积快速膨胀约600 倍，高温高压的CO2气体通过致裂装置的释放孔进入煤层裂隙中，形成一定扩展区，使得部分致裂间隙相互贯通，便于煤层瓦斯的扩散，提高了原煤层的透气性。

受CO2高温高压气体冲击波的影响，在煤体中，从致裂孔中心向外，依次形成粉碎区（1~3 倍致裂孔半径）、裂隙区、震动区，使用示波器等仪器，监测出致裂管内CO2气体的压力随时间的变化关系，见图3。

图3 CO2 致裂过程压力P 和时间t 的曲线

由图 3 可知，OA 阶段：大约 0.04 s，储液管的液态CO2迅速转化成气态，气体最大压力约200 MPa；AB 阶段：CO2气体压力持续增加，最大压力约为270 MPa；BC 阶段：CO2高温高压气体产生了冲击波，作用于煤体原生裂隙，形成一定范围的粉碎区和裂隙区，随后，CO2致裂气体的压力和冲击波不断降低；CD 阶段：冲击波不断减小，形成应力波，再逐渐衰减转化成地震波，在致裂孔径向附近区域，煤层不断被拉伸破坏，使得裂隙和粉碎区相贯通，新生裂隙向外延伸扩展，且CO2比CH4的吸附能力强，煤层中的CH4被不断地置换出来，CH4的解吸量显著增加，进而煤层的CH4的抽采量不断增大。

3 CO2 致裂过程的FLAC3D 数值模拟

3.1 CO2 致裂过程相变能量的计算

文章所使用的CO2致裂装置，其中储液管的容量为1.26 L，泄能片的极限应力为276 MPa，查阅相关文献资料可知，在液态CO2相变的过程中产生的能量Eg可用下式计算：

式中：pz为致裂管内 CO2的绝对压力，MPa；V为致裂管的体积，m3；Kc为 CO2的绝热指数，取 1.25。

3.2 CO2 致裂过程FLAC3D 模型的创建

由常村煤矿地质勘探数据得知，3 号煤层埋深为500 m，均厚为6.05 m，倾角为3°，CO2致裂孔的直径为94 mm，其余煤层参数如表2 所示。

表2 煤层的力学性能参数

综合考虑各方面因素，创建长×宽×高=10m×10m×5m 的模型区域，采用 Mohr-Coulomb 和Hoek-Brown 准则，区域四周施加边界条件和等效地应力。

3.3 CO2 致裂过程FLAC3 D 模拟分析

对单致裂管CO2致裂装置进行模拟时，致裂管长度1.5 m，等效地应力为10 MPa，经过FLAC3D软件的模拟分析，得到的结果如图4 所示可知，单致裂管CO2致裂装置主要以剪切的方式破坏围岩，破坏区域半径约1.1m，且主要分布在顶端和两侧。

图4 单致裂管CO2 致裂装置的塑变区域

图5 30 ms 时围岩应力情况

图6 30 ms 时围岩应力情况

为了分析单致裂管CO2致裂装置的应力变化情况，使用FLAC3D分别模拟30 ms 和60 ms 时围岩的受力，如图5 和6 所示并得知，在CO2致裂相变的过程中，随着时间的变化，围岩应力的卸载区域不断的增大，应力集中的区域不断的减小，但二者变化幅度不大，表明CO2在致裂相变的过程中破坏了围岩结构，同时也达到了增透的效果，且对围岩稳定性影响不大，但为了保证巷道安全，必要时可采取加固措施，适当的增加巷道的稳定性。

4 结束语

为了改善煤层的透气性和提高瓦斯的抽采量，减少瓦斯在煤层的吸附量，常村煤矿使用了CO2致裂增透技术，实践表明该项技术大大降低了瓦斯超限次数和瓦斯的吸附量，煤层的透气性显著提高，且成本低，技术安全可靠，具有巨大的推广使用意义。