CO2 预裂增透瓦斯抽采技术的应用——以宏远煤业150103 运输顺槽掘进工作面为例

王惠明

(山西煤炭进出口集团煤业管理有限公司，山西太原030006)

1 矿井瓦斯地质概况

宏远煤矿开采山西组15#煤层。煤层位太原组下段，煤层平均厚度4. 5 m，区域上比较稳定。煤层底板标高840 ～1 240 m，埋深500 ～632 m，顶板一般为泥岩、砂质泥岩，底板为黑色泥岩、粉砂岩，老底为中细粒砂岩。煤层含夹矸0 ～3 层，一般1 层，厚1.4 m，属结构简单至较简单煤层。煤层倾角0°～5°，平均倾角3°，属缓倾斜煤层，井田内各采区煤层产状变化较大。层总体走向北北东的单斜构造，局部波状起伏，工作面整体东高西低。

煤层瓦斯含量最小10. 43 m3/t，最大12. 12 m3/t，平均10.5 m3/t。瓦斯压力最小 0. 21 MPa，最大 0. 69 MPa，平均0.45 MPa。煤层透气性比较差，属于较难抽采类型。

150103 运输顺槽属于近水平巷道，地质构造比较简单，按照现有资料该地段没有发现落差大于3.5 m 的断层和直径超过30 m 的陷落柱构造存在。该地段采用密集型顺层抽采钻孔进行瓦斯的抽采。

工作面可解吸瓦斯含量最小10.43 m3/t，最大23 m3/t，平均14 m3/t。根据含量特征，该工作面可能具有突出危险。煤层透气性差。

150103 运输顺槽独头通风，风量Q =560 m3/min，断面面积S=18.4 m2。风速V=0.51 m/s，瓦斯浓度为0.04%。

150103 运输顺槽第一区域钻孔瓦斯抽采情况。

瓦斯抽采方法:顺层扇形密集型预抽。

在150103 运输顺槽巷道迎头布置39 个孔径为94 mm 的预抽钻孔，巷道方位角为218°，钻孔布置三排，第一排离巷道底板1.6 m，倾角按 +6° ～ -5°施工 13 个预抽钻孔，每孔孔距0.4 m，孔深为120 m。第二排离巷道底板1.2 m，倾角按+6° ～-5°施工。第三排离巷道底板0.8 m，倾角按+6° ～-5°施工。

图1 150103 运输顺槽迎头抽放孔设计平面图

图2 150103 运输顺槽迎头抽放孔设计断面图

该工作面第一区域于2012 年12 月开始施工钻孔预抽，预抽时间为5 个月，预抽钻孔，瓦斯抽采量为1.0 m3/min 左右，预抽后瓦斯含量为6.2 m3/t。

正头布置30 个预抽钻孔，瓦斯抽采量为1.0 m3/min 左右。

150103 运输顺槽工作面将于距离巷道开口位置116 m 处进行CO2预裂增透瓦斯抽采技术方案实施，钻场布置如下:150103 运输顺槽宽5.0 m，钻场长4 m，宽4.0 m，高3.6 m，钻场左右布置错距为20 m。

图3 150103 运输顺槽迎头抽放孔设计剖面图

2 实施CO2 预裂增透瓦斯抽采技术的意义和必要性

瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的根本途经，也是最重要的手段。由于我国煤矿大部分煤层属于低透气性煤层，本煤层瓦斯抽放较为困难。对单一煤层，目前所采取的措施主要是密集钻孔和长时间抽采，抽采成本极高。在透气性较好的煤矿，本煤层瓦斯抽采也存在同样的问题。因此，提高低透气性煤层的瓦斯抽采效率已成为共性问题，是亟待解决的技术难题。另外，在瓦斯透气性较好的煤矿(井田)，迫切需要开发成本更低、效率更高的瓦斯抽采新技术和新工艺，提高瓦斯浓度和增加抽采量。

瓦斯既是煤矿安全的元凶，但也是宝贵的清洁能源。要实现瓦斯抽采量最大化和瓦斯利用率最大化，关键在于提高煤层透气性，增加瓦斯抽采浓度和流量。

提高煤层透气性的途径目前常用的有两种方法:一是开采解放层;二是地面钻孔水力压裂。对于宏远矿区的单一煤层，无法实施开采解放层增透技术;采用地面打钻压裂技术是一种提高煤层透气性的有效方法，但抽采时间长，有时受地面环境影响，合理的钻孔位置选择较困难。

CO2预裂煤层增透技术是提高低渗煤层瓦斯抽采率的新工艺和新技术。该技术工艺简单、可靠易行、安全、综合成本较低，可大幅度提高瓦斯抽采率和抽采速度，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，有效消除煤与瓦斯突出危险性。应用和推广这一技术，可以使我国高瓦斯煤矿早日实现煤、气安全高效共采。二氧化碳炮爆破原理:在爆破孔内装入预先注入液态二氧化碳的爆破管，并将其与低压起爆器连接;接通电流引爆爆破管的起爆头后，管内二氧化碳迅速从液态转化为气态。当爆破管内气态二氧化碳压力达到预设压力时，释放头内的破裂盘被打开，二氧化碳气体透过排放孔迅速向外爆发，瞬间产生强大的膨胀能破碎煤体，从而达到爆破效果。

二氧化碳爆破在国际上发展历史较长，主要用于井下煤炭开采、地面建筑拆迁、大块石料破碎、水泥窖炉和煤仓清堵等，煤炭开采则以增加块煤率，提高煤炭价格为目的。这类二氧化碳炮只有4 m 长，仅适用于局部爆破作业，但不适合我国低渗煤层预裂增透抽采。国内外现有的煤层压裂增透技术主要包括水力压裂、空气致裂、炸药预裂等，但这些技术存在诸多缺陷，低渗煤层增透效果不理想。

在国内，经过长期技术攻关和现场试验，用于煤层预裂增透的“CO2煤层预裂器”和相关技术基本成熟。由于CO2预裂器具有物理爆破的特点，无明火，预裂全过程均在煤层深孔中、孔口密封情况下进行，人员也已远离现场，因此也可称其为本质安全型预裂增透器。

3 CO2 预裂增透瓦斯抽采技术方案

3.1 CO2 预裂增透瓦斯抽采预期目标

1)使预裂区产生大量裂隙，改变掘进面前方局部地应力状态，有效消除煤与瓦斯突出危险性。

2)大幅增加煤层渗透性，提高抽采浓度和抽采效率，快速降低煤层瓦斯含量和压力，消除突出危险性，保障突出掘进工作面快速掘进。

3.2 CO2 预裂增透瓦斯抽采技术方案

3.2.1 CO2预裂增透成孔技术要求

麻花钻干式钻井成孔。钻头直径94 mm，钻杆直径89 mm，孔深80 m。钻孔技术要求:施工过程采用慢速推进，孔身直、内壁光滑、孔内干净。严格控制钻孔方位角、倾角，避免与邻近孔打穿或者距离太近，防止预裂的时候高压气体从邻近孔喷出，影响预裂效果。为防止塌孔，预裂当天成孔或提前一天成孔为好。

3.2.2 150103 运输顺槽钻孔瓦斯监测记录表

3.2.3 预裂施工管理(表1，表2)

表1 预裂孔参数

表2 CO2 预裂现场施工记录表

4 预裂增透瓦斯抽采效果评价及意义

4.1 瓦斯抽采参数考察

监测地点:150103 运输顺掘进头。

监测对象:150103 运输顺槽掘进头预抽钻孔和预裂孔。

测试参数:瓦斯浓度、抽放负压、孔板压差。

考察参数:瓦斯浓度、抽放负压、压差、孔板系数、混合流量、纯瓦斯流量。爆破预裂后要保证抽采钻孔浓度一个月内不低于30%。

测点密度:2 次/天。

考察方法:每天监测点专人实测和记录，专用记录本，升井后转录计算机，当天计算抽采纯量等数据，每10 d 小结一次，最少观察60 d 数据，能保留两侧钻场预抽孔预抽时间100 d 更好，数据要定时上报项目组长。

表3 CO2 预裂现场瓦斯参数监测记录表

4.2 煤层瓦斯含量考察

由于CO2预裂后工作面原始状态破坏，封孔难度很大，无法进行瓦斯压力考察。建议进行瓦斯含量考察。

考察参数:瓦斯含量。

考察方法:CO2预裂前、后实测瓦斯浓度及含量对比法。

含量实测时间、地点安排:

预裂前:在150103 运输顺槽迎头分别布置2 个瓦斯含量测点。采样深度15 m，进行现场解吸和实验室残余量测试，计算瓦斯含量。

预裂后:预裂后30 d，预裂后每2 d 在上述2 个瓦斯含量测点附近选点，孔深15 m，采样测试瓦斯含量。

比较本项技术措施前后瓦斯含量的变化，评价预裂效果。

4.3 增透预抽前后K1 值对比

增透预抽前在工作面迎头打钻测K1 值，预裂后30 d 在工作面迎头测K1 值，对两次数据进行比较(如表4)。

表4 K1 值对比表

通过上述数据表明:

1)实施CO2预裂大幅提高瓦斯抽采浓度和抽采率，快速降低煤层瓦斯含量，使高瓦斯煤层变为低瓦斯煤层，减少瓦斯爆炸事故，保障安全开采。

2)大幅提高瓦斯抽采率，快速降低煤层瓦斯压力，消除突出危险，减少突出事故，保障突出工作面安全掘进和开采。

3)CO2预裂后，使煤层产生大量裂隙，使煤层地应力重新分布，应采取措施消除局部高应力状态，起到消突效果，保障突出工作面安全掘进和回采。

4)抽出瓦斯可以直接民用。高瓦斯煤矿CO2预裂后的瓦斯抽采浓度到达30%以上，部分70%以上，经提纯后用于汽车燃料，实现瓦斯的变害为利。

5)CO2预裂增透瓦斯抽采技术不仅给煤炭企业带来巨大的经济效益，社会效益更大。在解决安全难题的前堤下对环保低碳、能源开发利用等有重大意义，附合国家的产业政策。

这项技术研究成功，将是我国煤炭行业瓦斯治理安全难题的重大突破，是国家急需的，也是煤炭行业急需的。因此，该技术具有广泛的推广应用前景。