李志強(qiáng)

(西山煤電(集團(tuán))公司 東曲礦，山西 古交 030200)

我國(guó)煤炭資源的賦存條件與國(guó)外不盡相同，普遍具有滲透率低、吸附性強(qiáng)、開采淺層煤層氣的原始?jí)毫Σ桓?、解吸速度慢等特點(diǎn)，使得瓦斯解吸及其在煤層中的運(yùn)移十分困難，而且低滲透煤層瓦斯的吸附、解吸、擴(kuò)散、滲流運(yùn)移過(guò)程表現(xiàn)出相互制約和非達(dá)西滲流以及煤層瓦斯運(yùn)移受排采降壓引起的流固耦合作用較明顯等突出特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)瓦斯抽采過(guò)程中主要采用增加鉆孔密度、射孔增透、深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂、水力割縫等方式提高礦井瓦斯的抽采率。而在利用CO2作為爆破材料和驅(qū)替介質(zhì)，增加煤層滲透率、促使瓦斯產(chǎn)生解吸，在競(jìng)爭(zhēng)吸附作用下使吸附在煤體內(nèi)的瓦斯盡可能由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，提高瓦斯的解析率方面的技術(shù)和研究相對(duì)較少。

1 礦井現(xiàn)狀

1)西山煤電(集團(tuán))公司東曲礦目前開采煤層為8#煤層。2011年11月煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院測(cè)定的8#煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.108～0.225 d-1，煤層透氣性系數(shù)0.396 m2/MPa·d，由鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)來(lái)看，8#煤層屬較難抽采類型；由煤層透氣性系數(shù)來(lái)看，8#煤層的抽采難易程度屬可以抽采類型。

2)該礦28208皮順掘進(jìn)預(yù)抽布置220個(gè)抽采鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度120 m，孔徑113 mm。巷道里程0～1 170 m段為普通抽采鉆機(jī)施工的抽采鉆孔，鉆孔間距5 m。巷道里程1 170～1 215 m段每隔15 m施工1個(gè)采用CO2預(yù)裂爆破技術(shù)的抽采鉆孔，孔數(shù)為3個(gè)，編號(hào)174#、175#、176#。掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)測(cè)瓦斯含量3.4 m3/t、K1值0.11。

2 基本原理

1)CO2氣體本身沒(méi)有爆炸性，具有抑制爆炸和燃燒的作用。

2)在溫度31℃以下、7.2 MPa壓力時(shí)，CO2以液態(tài)存在。

3)1.0 kg液態(tài)CO2吸收60.0 kJ的熱量才能氣化。

4)當(dāng)溫度超過(guò)31℃時(shí)，無(wú)論壓力多大，液態(tài)CO2將在40 ms內(nèi)氣化。

5)CO2預(yù)裂器內(nèi)部安裝發(fā)熱裝置，熱反應(yīng)過(guò)程在完全密閉且充滿液態(tài)CO2的主體內(nèi)腔中進(jìn)行，震動(dòng)和撞擊均無(wú)法激活發(fā)熱裝置。因此，該設(shè)備的充裝、運(yùn)輸、正常存放和安裝使用均具有較高的安全性。

6)液態(tài)CO2氣化產(chǎn)生高壓波，可以預(yù)裂煤層增透，提高煤層滲透性，增加瓦斯抽采效率。

7)煤體對(duì)CO2的吸附性遠(yuǎn)高于對(duì)瓦斯的吸附性，使得爆破后的CO2能夠滯留且驅(qū)替出大量煤體吸附的瓦斯。

8)煤體對(duì)CO2的滲透率高于對(duì)瓦斯氣體的滲透率2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。CO2爆破過(guò)程中，由于CO2氣體的滲流運(yùn)移，減小了煤體吸附瓦斯的分壓，從而使得瓦斯持續(xù)解吸，提高瓦斯產(chǎn)量和瓦斯抽采率。

3 技術(shù)裝備特征

CO2煤層預(yù)裂器主要由主體腔、化學(xué)熱反應(yīng)裝置、充排氣電極閥、泄能閥、定壓泄能片、止飛機(jī)構(gòu)、密封墊、切割圈等組成。

將液態(tài)的CO2注入CO2煤層預(yù)裂器內(nèi)腔，關(guān)閉注液閥。將注入液態(tài)CO2的預(yù)裂器置于174#、175#、176#鉆孔內(nèi)，通過(guò)礦用發(fā)爆器在充排氣閥上的2個(gè)電極上加脈沖電流約0.5～2 s，裝置中的化學(xué)熱反應(yīng)材料迅速反應(yīng)放熱，液態(tài)CO2溫度迅速升高。氣化致使其壓力隨之加大，達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，定壓泄能片破裂，使得CO2氣體高速噴出，從而使其能夠在煤層裂隙中膨脹，導(dǎo)致煤層裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大、透氣增強(qiáng)。從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中測(cè)得，CO2氣體從管體中噴出的時(shí)間大致可控制在0.1～0.5 s，這樣CO2氣體對(duì)煤層的作用時(shí)間就相對(duì)較長(zhǎng)，并且在氣體膨脹過(guò)程中就能夠保持一段相對(duì)高的壓力，能量的釋放也就較緩和、持續(xù)，這對(duì)于煤層裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展、增加煤層滲透性和驅(qū)替瓦斯非常有利。

4 應(yīng)用效果

在1周內(nèi)，采用CO2預(yù)裂爆破增透技術(shù)的鉆孔瓦斯抽采濃度由起始的32.3％逐步上升至95.97％，隨后基本穩(wěn)定在50％～72％，平均單孔瓦斯抽采純量達(dá)0.321 m3/min，抽采90天后單孔濃度仍達(dá)45％左右，平均單孔瓦斯抽采純量仍可達(dá)0.257 2 m3/min。未采用CO2預(yù)裂爆破增透技術(shù)的鉆孔(選取168#、170#、172#)在抽采90天內(nèi)瓦斯抽采濃度從35.6％逐步下降至26.4％，平均單孔瓦斯抽采純量達(dá)0.183 m3/min。 采用CO2預(yù)裂爆破增透技術(shù)各鉆孔瓦斯?jié)舛纫?jiàn)表1。

經(jīng)過(guò)整理分析數(shù)據(jù)可以看出，采用CO2預(yù)裂爆破增透技術(shù)后單孔瓦斯抽采濃度是未預(yù)裂增透鉆孔的1.5～2倍；抽采純瓦斯量是未預(yù)裂增透鉆孔的1.74～2.6倍。未采用CO2預(yù)裂爆破增透技術(shù)各鉆孔瓦斯?jié)舛纫?jiàn)表2。

表1 采用CO2預(yù)裂爆破技術(shù)的各鉆孔瓦斯?jié)舛?/％

表2 未采用CO2預(yù)裂爆破技術(shù)各鉆孔瓦斯?jié)舛?/％

相較之前未進(jìn)行預(yù)裂增透的鉆孔抽采情況看，瓦斯抽采濃度明顯增大，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，抽采純量大，進(jìn)一步表明采用該技術(shù)后鉆孔周邊煤體的透氣性得到了極大的提高，經(jīng)CO2驅(qū)替作用煤體中解析瓦斯量也有了顯著的提高，使得單孔瓦斯抽采濃度可較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在45％以上。

采用CO2預(yù)裂爆破增透技術(shù)與裝備的預(yù)裂半徑可達(dá)15～30 m，抽采鉆孔數(shù)量較未預(yù)裂增透工藝可減少半數(shù)以上，可有效減少抽采鉆孔工程量，降低成本，提高瓦斯抽采效率。

5 結(jié) 論

1)該項(xiàng)技術(shù)和裝備的應(yīng)用拓寬了可抽采煤層瓦斯含量的下限，在煤層瓦斯含量?jī)H為3.18～9.86 m3/t時(shí)仍可進(jìn)行瓦斯抽采利用。因此，煤層瓦斯可以抽采利用的范圍增大，改變了瓦斯含量相對(duì)較低煤層無(wú)法或難以抽采利用的現(xiàn)狀，擴(kuò)大了煤層氣可抽采利用的儲(chǔ)量。

2)該項(xiàng)技術(shù)具有安全、高效的特點(diǎn)。用于低透氣性煤層的預(yù)裂效果明顯，預(yù)裂范圍可達(dá)數(shù)十米，可減少瓦斯抽采鉆孔工程量，縮短抽采周期、縮短采掘銜接周期，從而降低抽采成本、生產(chǎn)成本，節(jié)省人力、能耗。

3)同水力壓裂、水力割縫相比，CO2預(yù)裂爆破增透技術(shù)和裝備的作用范圍更大、效果更好、系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、操作更靈活。在增加煤層滲透性的同時(shí)，通過(guò)CO2和瓦斯競(jìng)爭(zhēng)吸附驅(qū)替出更多游離態(tài)瓦斯，使高效抽采瓦斯成為可能，尤其是在高瓦斯和具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的礦井，通過(guò)采用該技術(shù)和裝備可以有效降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，從而達(dá)到消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的目的。

4)該技術(shù)的單孔預(yù)裂有效半徑達(dá)30 m以上，其影響半徑可達(dá)60～100 m，在較難抽采煤層中瓦斯抽出濃度可由原來(lái)的20％～30％驟升至40％～90％，瓦斯抽采純量也相應(yīng)增加，瓦斯抽采濃度和抽采率可提高2～3倍，從而大幅度減少鉆孔工程量、簡(jiǎn)化抽采系統(tǒng)、降低抽采成本、提高抽采效率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]魏國(guó)營(yíng)，張書軍，辛新平．突出煤層掘進(jìn)防突技術(shù)研究[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(6)：100-104．

[2]蔡 峰，劉澤功，張朝舉,等．高瓦斯低透氣性煤層深孔預(yù)裂爆破增透數(shù)值模擬[J]．煤炭學(xué)報(bào)，32(5):62-65．

[3]郭仁寧，王海剛．旋轉(zhuǎn)射流提高煤層瓦斯抽排效果的試驗(yàn)[J]．煤礦機(jī)械，2007,28(10):71-73．

[4]沈懷津，鄭孝鵬．低透氣性高瓦斯煤層立體多層次瓦斯綜合治理技術(shù)[J]．煤礦開采，2007，12(4):78-81．