玉溪煤矿CO2气相爆破预裂增透试验研究

李 栋

(山西兰花科技创业股份有限公司,山西 晋城 048000)

高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井瓦斯强化抽采对于提高采煤工作面抽采效果、减少瓦斯抽采达标时间、提高矿井经济效益具有重要意义[1-3]。传统强化抽采的主要方式为水力割缝、水力冲孔、水力压裂。采用水动力介质强化抽采的方式容易造成糊钻和水体排出困难等问题,为抽采钻孔的稳定性埋下隐患,水体排出困难会影响瓦斯的解析与抽采[4-6]。

CO2预裂增透利用物理变化,将CO2作为增透和驱替介质,爆破过程中不会产生水和有害气体,同时还可以提高瓦斯的抽采效率、降低抽采成本,是一种高效、经济、适用范围广的增透新方法[7-8]。在碳基吸附剂中,CO2具有更强的吸附能力,且比甲烷、氮气扩散得更快,因此CO2适用于驱替煤层中的甲烷[9-10]。

1 二氧化碳致裂原理

二氧化碳致裂器利用液态二氧化碳吸热气化膨胀,压力瞬间上升的原理,在达到目标压力后瞬间释放高压气体进行破岩、致裂。致裂器体积小,便于运送,使用过程安全可靠,释放压力可控,可广泛应用于煤矿、非煤矿山、工业物料清堵、水下爆破、城市市政建设等领域。

在二氧化碳致裂器的储液管内充装液态二氧化碳,启动加热装置产生热量,使储液管内液态二氧化碳瞬间气化,体积膨胀约600倍,压力急剧升高,当管内压力达到定压剪切片极限强度时,高压气体冲破定压剪切片,利用瞬间产生的强大推力,沿自然裂隙或爆生裂隙冲破物料,从而达到致裂(爆破)的目的。定压剪切片是控制泄能压力的部件,可以通过更换使用不同规格的剪切片从而控制释放压力,目前最大释放压力可达250 MPa。

1—充装阀;2—加热装置;3—储液管;4—密封垫;5—定压剪切片;6—释放管图1 致裂器结构示意图Fig.1 Cracker structure

致裂器里面的液态二氧化碳通过储存罐来储存,然后使用充装机将液态二氧化碳压入到致裂器中。因此,致裂器可以通过致裂与充装实现反复应用。

2 致裂试验方案

2.1 工作面概况

山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司(简称“玉溪煤矿”,下同)位于山西省南部、樊庄普查区的东南部,井田面积26.147 km2,设计生产能力为240 万t/a,主采3号煤层,服务年限41.7 a。根据山西省煤炭工业厅《关于山西亚美大宁能源有限公司大宁煤矿和山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司突出矿井认定的批复》(晋煤瓦发〔2012〕512号文),玉溪煤矿批复为煤与瓦斯突出矿井。

1301工作面是玉溪矿首采工作面,煤层平均厚度5.85 m,巷道掘进工作面高3.8 m,宽5.8 m,工作面走向长度1 250 m,倾向长度200 m,工作面采用“两进三回”“U”型通风方式。掘进工作面布置有2条底抽巷,采用穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯措施进行1301工作面进风顺槽、回风顺槽、切眼的区域防突。回采工作面设计采用顺层钻孔作为区域防突措施。在1301工作面的未施工抽采钻孔的300 m范围进行预裂增透,以提高抽采效率。

2.2 钻孔布置

1)切眼工作面长度200 m,运输顺槽正在抽采的钻孔深度120 m左右,为保证不会在实施预裂的过程中与对面钻孔击穿,中间保留10 m的隔离带。

2)在靠近原有抽采钻孔开始打钻时,第一个预裂钻孔要与原有抽采钻孔保持10 m间隔,防止在预裂过程中击穿。

3)预裂钻孔开孔高度为1.5～1.8 m,共设计21个钻孔,钻孔平均分布，间隔13.3 m。预裂钻孔深度68～70 m,与抽采钻孔保留10 m隔离距离。

2.3 施工工艺

2.3.1钻头及钻孔

1)采用94 mm钻头打钻孔,要保证钻孔质量,尤其是从孔口开始前30 m,钻孔内壁不能有划痕,否则会造成钻孔密封不严而漏气,严重时甚至导致无效果。

2.3.2具体施钻参数

压裂钻孔参数如下:

1)钻孔直径:94 mm。

2)压裂钻孔深度:68～70 m。

3)开孔高度:施工前由我公司技术人员现场确认,选择硬煤分层布置钻孔,一般距煤层底板1.5～1.8 m。

4)压裂孔角度:垂直于工作面煤壁且平行于巷道顶板,倾角为煤层倾角+1°。

5)压裂管：20～25根/孔。

6)压裂时封孔器封孔深度：12～15 m。

7)压裂段:15～60 m(根据钻孔深度及压裂杆入孔数量变化)。

8)压裂钻孔抽采阶段应采用两堵一注膨胀水泥封孔,长度12 m。

值得注意的是施工过程中根据钻机能力及地质条件等因素的变化,钻孔深度、开孔高度、压裂杆数量可适当调整。

2.3.3封孔

实施预裂后要及时对预裂钻孔进行两堵一注封孔抽采,封孔深度和负压按照矿方的相关规定执行,整个预裂工程实施完毕后2～3 d可以进行两边抽放孔的补孔工作。

3 效果评价与分析

3.1 预裂对周围钻孔抽采效果影响

对离21#预裂孔最近的第10组抽放单元的瓦斯浓度与流量进行分析,单孔瓦斯体积分数变化如图2所示,抽采管路瓦斯体积分数和流量变化如图3所示。对离1#预裂孔最近的第14组抽放单元的瓦斯体积分数与流量进行分析,单孔瓦斯体积分数变化如图4所示,抽采管路瓦斯体积分数和流量变化如图5所示。预裂后大部分钻孔的单孔抽采浓度都有所提高。第10组抽放单元总管的瓦斯体积分数在预裂前后由31%提高至45.3%,抽采混量由1.41 m3/min增长至1.73 m3/min。第14组抽放单元总管的瓦斯体积分数在预裂前后由44%提高至59.2%,抽采混量由4.98 m3/min增长至5.56 m3/min。

图2 第10组钻孔预裂前后瓦斯抽采体积分数对比Fig.2 Extraction volume concentration comparison before and after pre-splitting the 10th group of drilling holes

图3 第10组钻孔抽采管路预裂前后瓦斯抽采效果Fig.3 Extraction effect before and after pre-splitting of extraction pipelines of the 10th group of drilling holes

图4 第14组钻孔预裂前后瓦斯抽采体积分数对比Fig.4 Extraction volume concentration comparison before and after pre-splitting of the 14th group of drilling holes

图5 第14组钻孔抽采管路预裂前后瓦斯抽采效果Fig.5 Extraction effect before and after pre-splitting of extraction pipelines of the 10th group of drilling holes

为了考察不同距离对驱替效果的影响规律,定义瓦斯抽采体积分数提升率,用η表示。其计算公式如下:

式中:φ1表示预裂前瓦斯抽采体积分数,%;φ2表示预裂后瓦斯抽采体积分数,%。

如图6所示，第10组钻孔中1#孔距离21#预裂孔10 m，1#钻孔至15#钻孔按孔间距1 m顺序递增式远离21#预裂孔方向布置。可以看出，随着距离的增加，瓦斯抽采体积分数提升率先增大后减小。根据图中反映的第10组钻孔预裂后抽采浓度提升率趋势，距离预裂钻孔14～16 m时，瓦斯体积分数提升率最高。

图6 第10组钻孔预裂后瓦斯抽采体积分数提升率Fig.6 Extraction concentration increase rate after pre-splitting the 10th group of drilling holes

如图7所示,第14组钻孔中1#孔距离1#预裂孔10 m，1#钻孔至15#钻孔按孔间距1 m顺序递增式远离1#预裂孔方向布置。可以看出，随着距离的增加，瓦斯抽采体积分数提升率总体趋势也是先增大后减小，距离预裂钻孔14～17 m时，瓦斯浓度提升率最高。

图7 第14组钻孔预裂后瓦斯抽采体积分数提升率Fig.7 Extraction concentration increase rate after pre-splitting the 14th group of drilling holes

3.2 预裂孔抽采效果评价

1301回风1巷预裂孔浓度变化情况:1#孔预裂后瓦斯体积分数为10%,一周后升高至40%,随后衰减至5%;3#、6#、13#、17#、21#孔预裂后瓦斯体积分数在50%～60%之间,一周后衰减至20%;其他预裂孔预裂后瓦斯体积分数在80%～90%之间,一周后瓦斯体积分数仍在70%以上,目前瓦斯体积分数在50%左右。一周内的平均瓦斯体积分数如图8所示。

图8 预裂钻孔瓦斯抽采平均体积分数Fig.8 Average gas extraction volume fraction of pre-splitting boreholes

为了对比预裂孔本身预裂后对自身抽采效果的影响,对预裂钻孔的平均浓度分布进行统计分析并与钻孔未预裂前的瓦斯浓度分布进行对比。如图9所示,选取的21个预裂钻孔瓦斯体积分数超过48%的大于10个,达到50%以上。如图10所示,21个常规钻孔没有预裂前,有50%的钻孔瓦斯抽采体积分数没有超过50%,说明了预裂钻孔不仅仅对周围钻孔瓦斯抽采具有增强作用,对其本身的瓦斯抽采亦具有提升作用。

图9 预裂钻孔瓦斯抽采体积分数分布Fig.9 Gas extraction volume fraction distribution curve of pre-splitting drilling holes

4 结束语

1)二氧化碳气相爆破预裂不仅能够提高自身抽采浓度,更能够提高压裂周围单组瓦斯抽采浓度和抽采量。玉溪煤矿1301工作面试验结果表明:第10组抽放单元总管的瓦斯体积分数在预裂前后由31.0%提高至45.3%,抽采混量量由1.41 m3/min增长至1.73 m3/min；第14组抽放单元总管的瓦斯体积分数在预裂前后由44.0%提高至59.2%,抽采混量由4.98 m3/min增长至5.56 m3/min。

2)预裂较小范围内瓦斯被驱替,提升效率有限,但是随着预裂范围扩大,裂隙发育和驱替能力减小,瓦斯抽采浓度提升率有一个最值区间,在该区间之外提升效果不明显,对于玉溪煤矿3#煤层该区间位于距离压裂钻孔14～17 m范围内。