郭莊礦綜采面CO₂氣相壓裂技術(shù)的應(yīng)用分析研究

陳峰真　李治剛

摘要：基于COs氣相壓裂技術(shù)原理，以郭莊礦2105工作面為例，本文中采用氣相壓裂對(duì)綜采工作面上隅進(jìn)行放頂管理，收到了良好的效果。與傳統(tǒng)炸藥技術(shù)相比，具有更高的安全系數(shù)，為綜放工作面的安全開采提供了借鑒和參考。初采前期實(shí)施CO₂氣相壓裂，對(duì)于綜放工作面的頂板控制作用明顯。實(shí)施爆破的安全性較低，程序較為復(fù)雜，CO₂氣相壓裂技術(shù)過程中無有害氣體產(chǎn)生，更不會(huì)像炸藥爆破一樣產(chǎn)生次生爆炸，安全性高。

關(guān)鍵詞：氣相壓裂 放頂 上隅角瓦斯管理 瓦斯積聚

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.061

對(duì)工作面進(jìn)行初次回采時(shí)，采空區(qū)懸頂面積會(huì)伴隨著工作面推進(jìn)而逐漸增大，采空區(qū)頂板由于較長(zhǎng)期不做垮落釋放時(shí)，控頂區(qū)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生壓力高度集中現(xiàn)象，如果得不到及時(shí)合理的處理，極易發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，將有效的技術(shù)措施用于頂板處理能夠極大地促進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)。

對(duì)于堅(jiān)硬頂板采取注水弱化時(shí)，炸藥爆破方法具有適用性廣，成本低的特點(diǎn)，但是注水過程中會(huì)造成作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)要求高效的回采工作產(chǎn)生影響；炸藥爆破能夠?qū)Ω鞣N堅(jiān)硬程度的頂板產(chǎn)生效果，但是工序復(fù)雜，炸藥的量難以精確控制，安全系數(shù)低?；谝陨戏治?，以郭莊礦2105工作面為例，提出采用CO₂氣相壓裂技術(shù)對(duì)煤層頂板弱化處理，并進(jìn)行了工程實(shí)驗(yàn)，為解決煤礦頂板問題提供新的思路。

1 CO₂泡沫壓裂技術(shù)

CO₂壓裂技術(shù)分為CO₂增能壓裂、CO₂泡沫壓裂、純CO₂壓裂三種。泡沫質(zhì)量也稱泡沫干度，它表示氣相在泡沫中的體積百分?jǐn)?shù)。CO₂氣相壓裂使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)30～52%的泡沫，在實(shí)踐中便于操作，CO₂的主要目的是增加返排效果，對(duì)于大規(guī)模的壓裂做好應(yīng)。使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60～85%泡沫CO₂進(jìn)行壓裂，這種方法使用的水基壓裂液少，對(duì)地層和裂縫傷害小呻。純CO₂壓裂是采用液態(tài)CO₂為壓裂液，即100%CO₂壓裂，對(duì)地層沒有較大變形傷害，返排過程中能夠徹底迅速排靜，另一方面考慮到氣相壓裂受施工現(xiàn)場(chǎng)和井深所限，施工過程中需配備密閉混砂車，大中規(guī)模的壓裂改造并不適用。

氣相壓裂利用極速膨脹的二氧化碳?xì)怏w對(duì)周圍物體進(jìn)行爆破，從而達(dá)到物理爆破破裂頂板的目的。氣相壓裂對(duì)于較堅(jiān)硬的厚煤層，爆破時(shí)產(chǎn)生的弱面有利于放頂煤。頂板工作面壓裂后，能有效解決回采過程中初步放頂步距過大的難題，降低頂板長(zhǎng)時(shí)間不垮落危險(xiǎn)性。

2 CO₂氣相壓裂技術(shù)原理

C02氣相壓裂技術(shù)是利用電加熱液態(tài)CO₂，使其由液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)，整個(gè)加熱反應(yīng)時(shí)間約40msCO₂體積迅速膨脹，壓裂桿內(nèi)的壓力瞬間增大，最高可達(dá)300MPa。當(dāng)達(dá)到特定的壓力時(shí)，通過剪切片的破裂而將氣體釋放出來，對(duì)周圍產(chǎn)生作用力。整個(gè)反應(yīng)過程中CO₂由液態(tài)變成氣態(tài)體積膨脹600倍，另一方面，在有限空間較大的靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生，產(chǎn)生壓裂或破壞巖石、煤層作用。不同狀態(tài)下的CO₂都是惰性化學(xué)性質(zhì)，更不可燃可爆，使用9V的啟動(dòng)電壓也較低，整個(gè)過程不產(chǎn)生火花，因此克服了在煤礦井下使用的安全問題。

CO₂氣相壓裂裝置主要有充氣閥、加熱棒、壓裂管、密封圈、剪切片和噴氣閥組成，如圖1所示。

上述各部件連接好后組成密閉的容器，通過充氣裝置對(duì)其充入液態(tài)的CO₂，連接導(dǎo)線，并通過頂桿送至鉆孔指定的位置，如圖2所示。連接發(fā)爆器，發(fā)爆器對(duì)加熱棒通電，促使加熱棒反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量使壓裂管內(nèi)的液態(tài)CO₂氣化體積膨脹，達(dá)到特定的壓力后，沖破剪切片，作用于鉆孔壁，從而達(dá)到壓裂的目的。

3氣相壓裂的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.1工作面概況

郭莊礦2105工作面為孤島工作面，軌道順槽與2107工作面為8m小煤柱，工作面兩個(gè)順槽礦壓大，掘進(jìn)時(shí)采用錨桿+錨索支護(hù)，后期又增加了工字鋼棚聯(lián)合支護(hù)。工作面走向長(zhǎng)度970m，切眼長(zhǎng)度150m，煤層厚度6m，工作面采用放頂煤回采工藝。

3.2瓦斯治理

工作面煤層原始瓦斯含量為6.8m³/t，抽采后殘余瓦斯4.5m³/t，風(fēng)排瓦斯量6.25m³/min初采期間。1500m³/min的工作面配風(fēng)量，在回風(fēng)流中瓦斯均含量0.4%。

將相鄰工作面的瓦斯涌出量值作為參考對(duì)比分析，63%的落煤瓦斯涌出，采空區(qū)中瓦斯含量占34%。綜采面周期來壓時(shí)采空瓦斯占比增加為53%，落煤瓦斯占44%。

根據(jù)瓦斯涌出構(gòu)成分析制定了以下瓦斯治理方式：采前預(yù)抽的方式用于降低落煤瓦斯涌出，頂板裂隙帶鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，用埋管抽采解決上隅角局部瓦斯問題。

3.3初采頂板管理

初采期間為保證頂板垮落在工作面施工了頂板預(yù)裂孔，因2105軌道順槽與2307煤柱較小，距離軌順30m范圍的頂板未進(jìn)行預(yù)裂，對(duì)頂板的錨桿、錨索也未進(jìn)行退錨處理。

工作面初采時(shí)切眼寬度7.5m，支架推出切眼5.3m后，上隅角處因巷道內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)，頂板未能有效垮落，累計(jì)空頂長(zhǎng)度為12.8m，見圖3。上隅角處未垮落部分的空間達(dá)180m³，空間內(nèi)最高瓦斯達(dá)到3%以上，形成了局部瓦斯積聚，如果不及時(shí)進(jìn)行放頂充填此區(qū)域，可能會(huì)引起瓦斯燃燒事故，或者采空區(qū)瞬間垮落引起工作面瓦斯超限。

3.4方案比較

方案1.對(duì)采空區(qū)用煤袋充填，雖然能夠解決老頂突然垮落引起瓦斯超限，但采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯不能得到處理。

方案2.采用打眼用火藥放炮對(duì)頂板放頂作業(yè)。優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，效果好；缺點(diǎn)是易引起采空區(qū)瓦斯燃燒。

方案3：采用氣相壓裂對(duì)頂板進(jìn)行放頂，此方案既充填了上隅角又不會(huì)產(chǎn)生火花導(dǎo)致瓦斯事故。綜合比較確定實(shí)施方案3。

4氣相預(yù)裂設(shè)計(jì)及實(shí)施

氣相壓裂需要根據(jù)煤巖硬度對(duì)壓裂桿的爆破壓力進(jìn)行選型。工作面上隅角處的頂煤的硬度f值為0.65，選擇氣相壓裂爆炸釋放壓力為370Mpa的壓裂桿。

采用架柱式ZYJ130鉆機(jī)，在切頂線前后打設(shè)兩排鉆孔，對(duì)頂煤進(jìn)行放頂。鉆孔施工時(shí)應(yīng)盡量避開錨桿、錨索，方便氣相壓裂桿的推送。

4.1方案實(shí)施

施工方案：預(yù)打鉆孔→將備好器材入井并檢查→壓裂器材安設(shè)→壓裂→器材拆除→物料及物品升井。

4.2實(shí)施注意事項(xiàng)

（1）打眼、裝藥前檢查施工地點(diǎn)瓦斯，CH₄>0.8不得作業(yè)。

（2）壓裂現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)操作票警戒線圖布置警戒線，壓裂前所有人員撤離至警戒線以外，由當(dāng)班班長(zhǎng)安排專人警戒，警戒人沒有得到班長(zhǎng)撤除警戒命令前，不得私自撤除警戒。

（3）將引發(fā)線路引至警戒線以外的新鮮風(fēng)流中，檢查整個(gè)電路系統(tǒng)無誤后，將引發(fā)線與引發(fā)器連接，接到引發(fā)命令后方可啟動(dòng)引發(fā)器。

（4）退壓裂桿前要檢查頂板完好情況，人員站在有效支護(hù)的地點(diǎn)進(jìn)行退桿作業(yè)。退桿過程中施工人員要處于壓裂桿兩側(cè)，防止桿體脫落傷人。

5實(shí)施效果

在工作面分別進(jìn)行了兩次放炮后，頂煤基本垮落，充填了上隅角，封堵了采空區(qū)漏風(fēng)通道，有效的控制了采空區(qū)瓦斯的涌出。放炮后上隅角處垮落見圖6：

6結(jié)論

氣相壓裂時(shí)不產(chǎn)生火花，因此對(duì)于瓦斯和煤塵爆炸，在氣相壓裂對(duì)頂板弱化時(shí)過程中不會(huì)觸發(fā)，且對(duì)瓦斯和煤塵有稀釋作用，屬本安型壓裂器材，具有一定的推廣意義。需要注意的是，在頂板弱化中要根據(jù)頂煤巖的硬度及時(shí)調(diào)整CO₂壓裂能量，提高壓裂效果。這種措施達(dá)到了預(yù)期成果，進(jìn)一步對(duì)比氣相壓裂上隅角垮落的瓦斯分析，與類似地質(zhì)條件的沒有進(jìn)行壓裂的工作面對(duì)比直接頂和基本頂垮落的步距都有大幅度地提高，氣相壓裂效果顯著。