超临界CO2裂煤层瓦斯技术在贵州大方瑞丰煤矿11306回风巷应用研究

摘   要：贵州大方瑞丰煤矿11306回风巷地质构造复杂、煤层瓦斯含量高、吸附性强、常规钻孔抽采时间长，钻孔成本高。为了解决该问题，在11306回风 巷运用CO2 致裂煤层瓦斯治理技术预抽前方掘进条带的瓦斯，研究表明：在11306回风巷实施CO2 致裂煤层瓦斯治理技术后，钻孔数量减少 1/3，抽采达标时间由原来的60天缩短至15天，致裂有效半径由原来的1.5米提高至3米，单孔瓦斯抽采浓度为常规瓦斯抽采技术的6.5倍，瓦斯抽采单孔流量为常规瓦斯抽采技术 的 4～5 倍。

关键词：大方瑞丰煤矿；掘进条带；CO2 致裂煤层瓦斯治理技术；致裂钻孔；安 全高效生产；瓦斯抽采达标；

中图分类号：TD       文献标志码：A       文章编号：

Abstract： In Dafang Ruifeng Coal Mine in Guizhou Province， the geological structure of 11306 return airway is complex， the coal seam has high gas content， strong adsorption， and the conventional drilling extraction time is long and the drilling cost is high. In order to solve this problem， the CO2   fracturing coal seam gas control technology is  applied in 11306 return airway to pre-drain the gas in the front tunneling strip. Research shows that after implementing the CO2   fracturing coal seam gas control technology in 11306 return airway， the number of drilling holes is reduced by one-third， the time for reaching the extraction standard is shortened from 60 days to 15 days， the effective radius of fracturing is increased from 1.5 meters to 3 meters. The single-hole gas extraction concentration is 6.5 times that of the conventional gas Extraction technology， and the single-hole gas extraction flow rate is 4 to 5 times.

Keywords： Dafang Ruifeng Coal Mine; tunneling strip; CO2  fracturing coal seam gas control technology; fracturing borehole; safe and efficient  production; reaching the standard of gas extraction.

0 引言

我国煤层瓦斯地质条件极其复杂，透气性低、煤层具有高瓦斯含量与低渗透性并存的特点[1]煤层透气系数极低，随着采深增加，瓦斯问题日益突出[2] ，贵州煤炭资源位居全国第五，煤层渗透率为 10-6 数量级，较淮南低 2-3 个数量级[3-4]，属全国最低，为了解决低透气性煤层中瓦斯预抽的难题，国内外研究人员提出了水力割缝[5-8] ，水力软化、等措施来增加煤体的透气性，对媒体进行致裂增透[9] 然而，为了解决瓦斯预抽难题本次将液态二氧化碳相变致裂技术引入低透气性煤层增透，在贵州大方瑞丰煤矿11306 回风巷进行试验，并分析其效果。

1 技术原理

CO2 致裂煤层瓦斯治理技术原理是：CO2 在31℃以下，7.2MPa压力时以液态形式存在，当温度超过31℃时，1kg 液态CO2 吸收60kJ热量会在40ms内汽化。将液态 CO2 充装入致裂装置并置入钻孔中，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[10] ，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，提高其抽采效果[11-13]达到安全快速抽采的目标。

2 技术规范

2.1 CO2 致裂技术措施参数的确定

坚固性系数确定致裂器型号与释放压力，具体按照表2来选择：

2.2 致裂安全技术

（1）致裂前由瓦斯检查员测量瓦斯、CO2 浓度，待瓦斯浓度 低于 0.8%、CO2 浓度低于 0.5%时方可开始作业。

（2）为保证致裂期间的安全，启动致裂时人员全部撤出防突风门以外，并 设置警戒线严禁其他人员进入。

（3）启动致裂前，必须指定专人对周围的电器设备进行检查。

（4）致裂后孔内保压时间：保压一般为1h。

3工作面概况

11306回风巷布置在一采区13 煤层中，巷道设计全长980m。现在在11306 回风巷运用CO2 致裂煤层瓦斯治理技术预抽11306回风巷掘进条带煤层瓦斯。

13#属于无爆炸性煤层，13#煤层自燃倾向性鉴定属于Ⅱ类自燃煤层，13#煤层瓦斯含量为13.598m3/t，压力为1.1725MPa；坚固性系数为0.8。

4 实施方案

4.1 CO2 致裂钻孔布置

依据13#煤层瓦斯参数及钻孔设计，结合CO2 致裂技术在贵州区域的应用情况，制定11306回风巷CO2 致裂钻孔设计，预抽11306回风巷掘进条带煤层瓦斯，本次致裂半径按3m设计。共设计11个致裂钻孔，致裂孔为：3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#、17#、19#、21#。致裂钻孔全部施工完毕后再继续施工其余抽采钻孔。同时考虑到试验效果对比，选取其中抽放钻孔作为对比孔不做致裂，钻孔实施 CO2 致裂后都进行临时连抽，并在封孔注浆后对抽采数据进行收集，本次试验采用 YCZ5瓦斯抽放管道参数测定仪对对比组与致裂组钻孔连抽后前15天内数据进行检测对比分析。钻孔布置图如下：

4.2 CO2 致裂钻孔现场施工情况

施工致裂孔时对掘进条带进行瓦斯含量测定（实测测煤层原始瓦斯含量 q 为13.598m3/t），则 Q总 =q ×（宽度×斜长×煤厚×密度）=82913.3m3 ，预计将抽采区域煤层瓦斯残存含量降至8m3／t以下则要抽瓦斯34712m3。

应用CO2致裂煤层瓦斯致裂技术后抽放半径变为3米，10#、12#、14#、16#、 18#、22#钻孔先不施工，后期根据取样结果来确定是否要施工，从2024年6月23日夜班开始在11306回风巷施工钻孔，累计施工6天，施工钻孔16个。

4.3 CO2 致裂结果分析

所有钻孔施工完毕后及时封孔连抽，连续观测15天后，采用直接测定煤层残存瓦斯含量的方法对预抽掘进条带进行效果检验，在11306 回风巷迎头施工3个取样孔，测定瓦斯含量及压力并与原始瓦斯赋存进行对比分析如图4-1，图5-1。

由图看出，在致裂半径3m内的致裂孔瓦斯浓度都得到了有效提高，最高瓦斯浓度达到86%，抽放孔浓度最高为36%，观测15天后，得到致裂组与对比组的平均单孔抽采浓度及平均单孔抽采流量，在进行应用CO2 致裂煤层后，瓦斯浓度、抽采流量明显高于未应用CO2致裂煤层的钻孔。应用CO2 致裂技术后致裂区域抽采达标时间缩短到15天，流量达到16m³/min，抽采达标时间节约45天，已达到了实验预期效果。

5 结论

1）液态CO2 受热汽化成为气体后体积膨胀产生高压气体破碎煤体产生大量裂 隙，在钻孔周围形成了透气性好的瓦斯抽采区，并为 CO2 吸附煤体和驱替煤层 瓦斯提供了良好的环境。

2）运用致裂增透技术后，煤层透气性系数提高了，钻孔抽采平均浓度提高了

5.15倍，支管浓度达到了58%，瓦斯抽采平均纯量提高了4～5 倍。

3）11306回风巷应用 CO2 致裂技术后，钻孔工程量减少了1/3，抽采达标时间 缩短至15天。

参考文献：

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【作者简介】

李兴祥 （1987-），男，贵州六盘水人，昆明理工大学 机电学院，工程师， 研究方向：CO2 致裂煤层瓦斯治理、瓦斯抽采、钻孔施工及封孔连抽。