高瓦斯煤层液态CO2驱替瓦斯工艺参数及效果

李文福，宋战宏，马小辉，何 伟，魏高明，刘名阳，刘 荫

(1.陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 713600；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

煤炭作为我国能源供应领域的支柱型产业，在我国社会发展中起到非常重要的作用[1，2]。随着矿井开采深度的逐渐增加，矿压剧烈显现，导致原始煤储层整体上呈现“高储低渗”的特征，瓦斯抽采效率低，瓦斯灾害治理难度大，严重影响到矿井安全高效生产[3，4]。基于此，水力压裂、水力割缝、高能暴轰波致裂等一系列人工应力改造煤岩体的技术相继涌现出来，通过现场应用，发现这些技术都能够达到改造煤岩体渗透性、提高瓦斯抽采效率的目的[5-7]。然而，上述技术不可避免的在应用过程中都会存在其自身的局限性[8-10]。因此，探索新的技术途径，提高煤层瓦斯抽采效率是解决深部开采煤层瓦斯灾害高效治理的前提。液态CO2作为一种低温、低黏度、强渗流且易扩散、相变自增压的流体，将其带压注入煤层，在低温冻胀力和液态CO2与煤体传热传质相变增压应力双重作用下，煤体产生疲劳损伤，提高渗透性[11，12]。而且，基于液态CO2压注压力和瞬时相变应力，液态CO2与煤层热交换产生的温度梯度应力以及气态的CO2自身良好的吸附势能的综合作用，能够对煤层中的瓦斯气体产生置换-驱替双重作用，促进单位时间内煤层中瓦斯的产量[13-15]。孟村煤矿4号煤层为典型的深井开采高瓦斯强冲击性煤层，采用普通钻孔抽采为主，风排为辅的方式进行瓦斯灾害治理时，存在瓦斯抽采效率低，灾害治理难度大的问题。因此，在4号煤层401盘区401101工作面回风巷预留煤柱处开展液态CO2驱替煤层瓦斯技术研究，总结并分析现场试验关键性参数和瓦斯抽采效果，以期为工艺优化和技术推广应用提供依据。

1 试验区域概况

孟村煤矿矿井最大绝对瓦斯涌出量为151.76m3/min，为高瓦斯矿井。本次工业试验选择在孟村煤矿目前可采的4号煤层401盘区开展，煤层平均厚度为16.25m，属于易自燃煤层。经过专业机构鉴定，矿井目前开采的4号煤层整体破坏类型为I～II类，煤质坚硬(普氏系数1.48～2.46)，瓦斯含量高且地质条件复杂，瓦斯流量衰减系数α平均值为0.0382d-1，局部区域存在强冲击性，整体判定开采煤层为高瓦斯强冲击煤层。4号煤层回采前采用以抽采为主，风排为辅的方法预抽瓦斯，存在瓦斯抽采压力大、抽采钻孔施工密度大、工序复杂、瓦斯治理成本高、瓦斯灾害治理效率低等问题。本次煤层注液态CO2驱替瓦斯现场试验选择在401盘区401101工作面回风巷预留煤柱处进行，煤柱区域瓦斯抽采时间长达2年之久，瓦斯抽采效果已经达标。因此，选择在该位置进行现场试验的目的在于对液态CO2压注过程中动力学参数分析、有效影响半径及瓦斯抽采效果的考察。

2 液态CO2压注系统及工作面布置

2.1 液态CO2压注系统

液态CO2压注系统主要由液态CO2槽车、柱塞泵、T3数据采集监测设备、压力变送器、耐压输送管路、截止阀及泄压阀等组成，如图1所示。柱塞泵额定功率12kW，流量1000L/h，最大工作压力12MPa。T3数据采集仪能实现多组数据采集与监测，本次试验主要采集孔口压力、钻孔内部温度、压注流量、泵压等关键参数。压力变送器量程0～30MPa，主要监测压注过程中孔口压力变化情况；输送管路为耐压0～40MPa的高压胶管，具有耐高压耐低温特性；截止阀、泄压阀主要用于压注过程中倒流、泄压及压注结束的管路放空。

2.2 工作面布置

孟村煤矿401101工作面回风巷试验区域钻孔布置及具体参数如图2所示。为了判定液态CO2驱替煤层瓦斯有效影响半径，试验设计2个压注钻孔(Y-1#、Y-2#)和13个效果检验孔(J-1#—J-13#)，试验钻孔按照3m、5m、7m、10m、15m、20m、25m的间距布置，钻孔沿工作面倾向垂直布置，上行孔，设计长度为140m，孔径113mm。采用膨胀水泥砂浆反复灌注，“两堵一注”式封孔，钻孔设计参数见表1。

图2 试验区钻孔布置

表1 钻孔布置参数

3 液态CO2压注关键参数及影响半径

3.1 煤层注液态CO2关键参数分析

煤层注液态CO2驱替瓦斯关键参数见表2。由表2可知，401101回风巷试验区域Y-1#孔液态CO2累计压注时长为220min，平均流量保持在0.028～0.038m3/min，最大孔口压力为1.72MPa，液态CO2压注累计量为5.0m3。Y-2#孔液态CO2累计压注时长为156min，平均流量维持在0.035m3/min，最大孔口压力为1.5MPa，液态CO2压注累计量为4.0m3，试验区域累计压注液态CO2总量为9.0m3。

表2 煤层注液态CO2驱替瓦斯关键参数

401101回风巷煤层注液态CO2驱替瓦斯试验过程中Y-1#孔、Y-2#孔压注压力曲线如图3所示。煤层注液态CO2压力整体变化趋势为：初始注液升压→压力波动→压力衰减→二次升压→停止注液降压。通过分析整个试验过程中升压时间、压力波动时长、波动段压力峰值以及最大压力值可知：升压时间规律性增长至30min左右时，压注压力呈动力学波动，且波动压力、最大压力值与波动时间呈反比关系。随着波动压力的逐渐增加，对应的波动时间减小，最大压注压力相应增大。

图3 液态CO2压注过程中钻孔压力曲线

可以看出初始注入液态CO2充满钻孔过程中，液态CO2与煤体迅速对流换热，升温体积膨胀，压力明显升高[4]。随着注液量的增加，压注压力保持稳定，这是气、液混合态CO2向煤体原始裂隙通道运移，CO2沿着有效影响范围稳定输出的过程[8]。当液态CO2输出流量小于CO2在煤层中的渗流、扩散量时，注入压力呈现短时间衰减。调节槽车以最大功率输出液态CO2时，液态CO2输出流量大于CO2沿着煤层运移流量，试验区域出现憋压现象，孔口压力二次升高。当槽车液态CO2停止输出时，CO2在泵注动力驱动作用下，迅速渗流、扩散，压力快速下降。如图3所示，煤层注液态CO2试验保压期间的降压速率平均值为0.04 MPa/min，大于压注过程中的升压速率。表明停止压注，煤层自身压力释放速率较快，驱动CO2的运移速率也相应增大。

煤层温度变化规律如图4所示，由图4可知：煤层平均原始温度为37 ℃，液态CO2压注至30 min时，距Y-2#孔5m处的J-9#钻孔温度衰减，在130min时温度快速降至0 ℃并出现负温(-20℃)。同时，距离Y-2#孔7m位置处的J-10#钻孔也出现温度骤减现象，最大降温幅度为32℃。随着液态CO2压注过程中与煤层热交换的迅速进行，煤层温度快速恢复至原始水平。试验结果表明：随着液态CO2压注量的增大，由于液态CO2的低温属性，使得J-9#钻孔(距离Y-2#孔5m)、J-10#钻孔(距离Y-2#孔7m)附近煤层区域温度快速降低，表明低压注液态CO2能够降低煤层温度。

图4 煤层温度变化规律

结合煤层注液态CO2关键参数与煤层地质状况，对煤层中CO2运移速率较快的原因做如下分析：①终采线以外煤体破碎带集中分布，表层裂缝显见；②试验区域瓦斯抽采时间长达2a，抽采区域瓦斯压力大大降低，气、液混合态CO2沿着煤层渗流、扩散阻力小；③煤层平均温度在40 ℃左右，较高的煤层温度缩短了注入的液态CO2向气态相变时间，而相变后的气态CO2在相变驱动力作用下在煤体中的运移速率加快。

3.2 煤层注液态CO2有效影响半径

为了测定煤层注液态CO2有效影响半径，工业试验测试液态CO2压注过程中煤层CO2浓度与温度变化规律，判定煤层注液态CO2有效影响半径，结果见表3。液态CO2渗流-扩散半径如图5所示。

图5 液态CO2渗流-扩散半径

表3 煤层液态CO2过程中钻孔CO2浓度

当Y-1#孔液态CO2累计压注量达到4.0m3时，利用工业用CO2检定管测得J-6#孔20m位置处的CO2浓度值达到11.6%(其余20m以内钻孔CO2浓度均大于20%)，远高于煤层CO2浓度原始值，表明Y-1#孔注液态CO2时的有效影响半径可能达到20m。并且，观测距离Y-1#孔25m处的J-5#孔内部CO2浓度为1.6%，低于煤层原始CO2浓度。同样，当Y-2#孔累计压注量达到5.0m3时，距离其20m处的J-13#钻孔CO2浓度超过20%。结合图5可知：距离Y-2#孔5m的J-9#钻孔和7m位置处的J-10#钻孔温度变化情况，确认本次试验煤层注液态CO2有效影响半径为20m，其中CO2的液相渗流半径为5～7m，气相扩散半径为20m。

3.3 瓦斯抽采效果分析

瓦斯抽采效果对比如图6所示，由图6可以看出，当试验区域液态CO2累计压注量为9.0m3时，试验区域瓦斯抽采浓度和流量均明显大于原始区域瓦斯抽采浓度和流量。可见，液态CO2驱替煤层瓦斯的抽采浓度是原始浓度的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，采用液态CO2驱替煤层瓦斯后，工艺效果明显。

图6 瓦斯抽采效果对比

3.4 经济效益分析

孟村煤矿4#煤层为高瓦斯煤层，采用综放开采方式，按照工作面年回采1800m，采前预抽煤层瓦斯需布置钻孔720个(间距2.5m/个)，孔深140m/个，钻孔施工成本按70元/m计算，每年使用在采前瓦斯预抽施工成本为：720个×140m/个×70元/m=705.6万元。

采用液态CO2驱替煤层瓦斯技术，钻孔布置间距10m/个，钻孔数量为180个，孔深140m/个，钻孔施工成本按150元/m计算，其成本为：180个×140m/个×150元/m=378.0万元。由此可知，采用液态CO2驱替煤层瓦斯技术可节支：705.6-378=327.6万元。此外，液态CO2相变增透及驱替煤层瓦斯技术有效缩短煤层瓦斯抽采达标时间，有效缓解了瓦斯灾害对矿井安全生产的影响，技术经济效益明显。

4 结 语

高瓦斯煤层液态CO2驱替瓦斯工业试验是在孟村矿4#煤层401盘区401101工作面回风巷开展，主要对煤层压注液态CO2过程中压力-流量等动力参数和CO2在煤层中运移的动力学特征进行分析。结果显示：煤层注液态CO2过程中压力-流量等关键参数呈波动特性，而动力学参数的变化反映出CO2在煤层中的运移力学特征。根据液态CO2压注过程中煤层内部CO2浓度和温度变化规律，判定孟村矿4#煤层注液态CO2液相渗流半径5～7m，气相扩散半径为20m。液态CO2驱替煤层瓦斯后，抽采浓度提升3.61倍，抽采流量提升6.79倍。相比瓦斯抽采达标时间明显缩短，工艺技术降低，说明液态CO2驱替煤层瓦斯抽采效果明显。