CO2增透驱替煤层瓦斯治理技术在煤矿井下石门揭煤的应用研究

摘要：针对大雁煤矿石门揭煤钻孔工程量大、瓦斯治理成本高、瓦斯抽采达标时间长等问题，通过资料、现场考察进行理论性分析，优化钻孔布置和治理工艺，并进行现场应用研究。研究表明：煤层增透驱替后，瓦斯抽采浓度提高8.39倍，瓦斯抽采流量提高12.15倍，煤层的透气性明显提高。

关键词：CO2增透驱替煤层瓦斯治理技术；瓦斯抽采浓度；瓦斯抽采流量；抽采达标时间

中图分类号：TD

Abstract：In response to the large amount of drilling work， high cost of gas control， and long time required for gas extraction standards in the Shimen coal mine of Dayan， theoretical analysis was conducted through data and on-site inspections to optimize drilling layout and control technology， and field application research was carried out. Research has shown that after coal seam enhancement and displacement， the gas extraction concentration increases by 8.39 times， the gas extraction flow rate increases by 12.15 times， and the permeability of the coal seam is significantly improved.

Keywords：CO2 enhanced permeability displacement technology for coalbed methane treatment; Gas extraction concentration; Gas extraction flow rate; Sampling compliance time

作为一种诱发全球气候变暖的主要温室气体，二氧化碳近年来被全球学者广泛地关注与研究，如何实现CO2温室气体的减排及有效利用已成为热点研究问题。由于煤层对CO2的吸附能力强于CH4，因此国内外学者提出了将CO2注入煤层，促进煤层吸附CH4的解吸游离，增强煤层气抽采效率，同时将CO2储存在煤层中，从而实现CO2温室气体的地质储存及合理利用。通过分析认为现有的CO2-ECBM技术主要包括CO2驱替技术、CO2压裂技术和CO2相变高压气体致裂技术等。

20世纪80年代，Fulton PE等采用低压CO2进行煤样中CH4驱替试验研究，结果表明，注入CO2后CH4回收率比自然排放提高了9%-57%。1982年，在Fulton研究基础上，Reznik等开展了高压CO2驱替CH4试验研究，研究表明自然状态下煤岩体CH4采收率为30%，注入CO2后实现了煤样中CH4的完全回收。同时，河南理工大学杨宏民等[1-3]根据理论研究结果在现场进行了煤层气注气驱替瓦斯抽采实践，取得一定的应用效果。中国科学院武汉岩土所李小春等[4-5]对现场注气驱替过程中煤岩体吸附量、变形量和渗透系数等参数进行测试。通过不同条件实验研究表明，CO2注入煤体后，不但增加了煤体孔隙率，还驱替出不大部分吸附瓦斯，从而提高抽采效率。而该方面的理论研究，为今后类似的问题提供指导经验与现场实例，对于指导该技术规范化合理应用具有重要意义。

1 技术原理

CO2致裂煤层瓦斯治理技术原理是：CO2在31.1℃以下，7.383MPa压力时以液态形式存在，当温度超过31.1℃时，1kg液态CO2吸收60kJ热量会在40ms内汽化，利用液态CO2受热成为气体后体积膨胀600倍的相变特性，致裂煤层产生大量裂隙，增强透气性。同时利用气态CO2对煤体吸附性比瓦斯高8倍的亲煤特性，大量吸附瓦斯被气态CO2驱替为游离瓦斯，使煤层透气性和瓦斯游离度双重提高，达到安全快速抽采和消突的目标。

2 工程背景

本次以贵州金彩黔矿业有限公司大雁煤矿五采区运输下山石门揭煤为工程背景开展CO2增透驱替煤层瓦斯治理技术。本次以轨道下山揭27煤未采用CO2增透驱替技术抽采效果来进行对比。27号煤层未进行煤与瓦斯突出危险性鉴定，矿方自认定为突出煤层，抽采前由金彩黔矿业有限公司瓦斯实验室对揭煤区域煤层参数进行测定，27号煤层原始瓦斯含量为11.73-15.49m3/t。27煤瓦斯较难抽采，常规抽采时间较长，为解决瓦斯治理难的问题，不影响采掘巷道的布置，本次以实验方式在该区域实施。

3 实验方案

3.1 CO2致裂钻孔布置

为减少钻孔工程量，提高抽采效率，本次钻孔设计由原来的迎头穿层钻孔改为在轨道下山已揭露27煤位置设计顺层钻孔。依据大雁煤矿五采区运输下山揭27煤钻孔设计，并结合CO2增透驱替技术在贵州区域的应用情况，制定五采区运输下山揭27煤CO2增透驱替钻孔设计。抽采半径按1.8m进行设计，CO2增透驱替钻孔半径按2倍抽采半径设计，即3.6m，共设计11个致裂钻孔。同时考虑到试验效果对比，选取相同水平、相同埋深、相同瓦斯赋存的轨道下山已揭开27煤抽采效果进行对比。本次试验采用CJZ7瓦斯抽放综合参数测定仪对钻孔连抽后前10天内数据进行检测对比分析，由此比对应用CO2增透驱替技术后瓦斯抽采参数与未应用CO2增透驱替技术下瓦斯抽采参数的差异。

4 实验结果

钻孔封孔接抽后，采用CJZ7瓦斯抽放综合参数测定仪测定CO2增透驱替区域与对比区域轨道下山揭27煤区域支管瓦斯抽采浓度及抽采纯量进行对比，收集连抽后前15天瓦斯抽采浓度、抽采流量进行对比，具体实验结果对比如下：

根据所测支管瓦斯平均日抽采浓度，形成对比曲线如图6所示，根据所测支管瓦斯平均日抽采流量，形成对比曲线如图7所示。

对试验数据统计15天后，从表1和图6可以看出，采用CO2增透驱替煤层瓦斯治理技术后运输下山支管瓦斯平均日抽采浓度为21.33%，未采用该技术治理的轨道下山支管瓦斯平均日抽采浓度为2.54%，采用该技术后支管瓦斯平均日抽采浓度是未采用该技术的8.39倍。从表2和图7可以看出，采用该技术后，瓦斯抽采流量明星提升，支管瓦斯平均日抽采流量是未采用该技术的12.15倍，从瓦斯抽采浓度、抽采流量上看，采用CO2增透驱替煤层瓦斯治理技术后明显高于未采用该技术治理区域。根据钻孔控制区域煤体瓦斯量及抽采量计算抽采达标时间，对抽采达标时间进行对比如下：

根据表1统计已抽出54798.9m³，远远超出达标需要抽出瓦斯量46191.22m3，仅需15天不到便可抽采达标。轨道下山实际通过110天抽采后达标。采用CO2增透驱替煤层瓦斯治理技术后，可至少提前3个月左右实现大雁煤矿石门揭煤抽采达标。

5结论

本文通过CO2增透驱替技术原理分析、增透驱替过程数值模拟以及现场工程应用相结合，对采用液态CO2受热成为气体后体积膨胀600倍的相变特性，致裂煤层产生大量裂隙，同时利用气态CO2对煤体吸附性比瓦斯高8倍的亲煤特性，大量吸附瓦斯被气态CO2驱替为游离瓦斯演化规律进行了研究。基于以上研究，得出结论如下：

在相同水平、相同埋深、相同瓦斯赋存条件下，对比应用CO2增透驱替技术区域与未应用CO2增透驱替技术区域支管抽采参数的区别，得出了应用CO2增透驱替技术后，支管瓦斯抽采浓度约为常规瓦斯抽采技术的8.39倍，支管瓦斯抽采流量约为常规瓦斯抽采技术的12.15倍。采用CO2增透驱替技术后，石门揭煤实现15天抽采达标，提高了瓦斯抽采效率的同时也保障了石门揭煤的安全性。

可见实施CO2增透驱替技术有效改善了石门揭煤区域内煤体的裂隙结构，把吸附瓦斯驱替为游离瓦斯，促进了瓦斯大流量、高浓度抽采，缩短瓦斯抽采时间，在石门揭煤揭煤中取得显著效果，有利于实现煤矿安全、高效生产。为相似的煤矿瓦斯治理实际问题提供了理论方法及现场经验。

6 展望

利用CO2增透驱替煤层瓦斯治理技术对高瓦斯突出煤层进行采前预抽，实现区域快速达标，缓解矿井采掘接替矛盾，避免了工作面采掘期间回风流瓦斯超限，CO2增透驱替技术具有操作简单、过程可控、工程量少、治理成本低等优点，瓦斯抽采效果和经济效益远高于现有方法，是当前煤矿企业急需的前沿技术，对提高瓦斯抽采效果和保障煤矿安全高效生产起到积极推动作用。

为贵州复杂地质条件突出矿井及全国类似地质条件的矿井瓦斯治理提供了新的技术手段，有效解决了高瓦斯、强吸附、低渗透煤层的瓦斯难抽采、抽采周期长的问题，保障了矿井安全高效回采，进一步推广应用前景广阔。

参考文献：

[1]杨宏民，夏会辉，王兆丰，注气驱替煤层瓦斯时效特性影响因素分析［J］．采矿与安全工程学报，2013，30（2）．

[2]杨宏民，魏晨慧，王兆丰，等．基于多物理场耦合的井下注气驱替煤层甲烷的数值模拟［J］．煤炭学报，2010，35（s1）：109-114．

[3]杨宏民，张铁岗，王兆丰，等．煤层注氮驱替甲烷促排瓦斯的试验研究［J］．煤炭学报，2010，35（5）：792-796.

[4]方志明，李小春，李洪，等．混合气体驱替煤层气技术的可行性研究［J］．岩土力学，2010，31（10）.

[5]李小春，张法智，方志明，等．混合气体驱替煤层气现场试验研究［C］／／煤层气学术研讨会．2008．

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