简述红林煤矿二氧化碳致裂增透技术试验.pdf

TECHNOLOGY AND INATION工业与信息化 108 科学与信息化2020年8月下 简述红林煤矿二氧化碳致裂增透技术试验 彭涛 中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400037 摘 要 针对红林煤矿9号煤层透气性差、抽采难度大、掘进进度慢等现象，在39113掘进工作面采用深孔二氧化碳 致裂增透技术进行试验。试验设计扇形布置的顺层钻孔，施工CO2致裂孔前先施工致裂孔临近的抽采钻孔作为增透 时的控制抽采孔，钻孔间距平均0.38m，采用94mm钻头施工。试验结果表明增透措施后，煤层透气性系数平均 提高2.41倍，瓦斯涌出量衰减强度减小3.54倍；抽采15天内，增透钻孔抽采瓦斯平均浓度提高2.46倍，平均纯量提高 2.74倍，显著缩短抽采周期，为相似条件下二氧化碳致裂增透技术提供设计和实施依据。 关键词 红林煤矿；二氧化碳致裂；增透技术；瓦斯治理 红林煤矿9号煤层透气性差、煤层软、抽采难度大，导致 煤巷掘进速度非常慢，严重影响新工作面布置。红林煤矿9号煤 层目前所采取的措施主要是加密抽采钻孔，加大抽采时间，经 济成本较高。因此，引进一种增加煤层的透气性的技术，提高 瓦斯抽采效率成为亟待煤矿当前的迫切需求。受技术条件和地 质条件的影响，目前二氧化碳致裂深度一般在40～60m，超过 80m的深孔致裂研究和应用相对不多[1-2]。笔者以贵州红林煤矿 主采9号煤层为研究对象，现场采用40120m深度钻孔试验。 1 二氧化碳致裂增透技术与装备 二氧化碳致裂增透技术原理是在极短的时间内将液态二氧 化碳转化为气态，其体积增大600倍以上，产生冲击波向四周扩 散，冲击波与高能气体使煤体形成新的裂隙，也能够在原生裂 隙的基础上继续发育和扩展，进而达到增加煤层透气性，提高 抽采浓度的效果。 二氧化碳致裂增透技术的工作流程包括致裂器组装、液态 CO2充装、井下安装及起爆致裂四个阶段。 2 二氧化碳致裂增透现场试验 2.1 实施工作面概况 39113运巷工作面位于矿井一采区中部的西翼，39113运巷 沿9号煤层掘进巷道，设计总长度为875m，巷道设计沿煤层走 向掘进，倾斜长100m。该区域的原始瓦斯含量为11.4173m3/t， 瓦斯压力为0.74Mpa。本项目现场实施之前，实测9煤层的煤 层透气性系数，测试结果为38.26m2/MPa2d，钻孔流量衰减系 数为0.0462d-1。工作面内煤厚1.9～2.3m，平均煤厚2.2m，偶含 一层夹矸，夹矸厚度约0.2～0.8m，倾角平均7。 顶板岩性以粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩为主，少量泥 岩、泥灰岩及薄煤层组成。伪底一般为一层泥岩，厚度一般 0.20m；直接底板以泥质粉砂岩、粉砂岩及细砂岩为主。顶底稳 定性中等。 2.2 致裂增透方案设计 根据39113运巷工作面的现有瓦斯抽采情况，设计在39113 运巷布置顺层预抽条带煤层瓦斯钻孔，呈扇形布置，共设计26 个抽采钻孔，其中7个致裂孔，CO2致裂孔施工孔号4及致裂先 后顺序为4、7、11、14、17、20、23，施工CO2致裂 孔前先施工致裂孔临近的抽采钻孔作为增透时的控制抽采孔， 即先施工1、2、3、6钻孔、再施工4钻孔并做CO2致 裂；施工5、8、9、10钻孔、再施工7钻孔并做CO2致裂； 施工12、13钻孔、再施工11钻孔并做CO2致裂；施工15、 16钻孔、再施工14钻孔并做CO2致裂；施工18、19钻孔、 再施工17钻孔并做CO2致裂；施工21、22钻孔、再施工20 钻孔并做CO2致裂；施工24、25、25钻孔、再施工23钻孔 并做CO2致裂。 设计钻孔间距平均0.38m，抽采半径2.5m，采用94mm钻 头进行施工，边孔控制在左、右帮轮廓线15m外。 钻孔设计平面、断面图 20m 120m 14 13 12 11 10 9 8 15 16 17 18 19 765431 2021222324 2 2526 上循环已消突区域 15m15m 39113运巷工作面 2.3 现场实施 2017年12月6日夜班起在39113运巷内（控制范围 130～250m段）施工顺层瓦斯超前预抽钻孔，累计施工钻孔11 天，顺层瓦斯超前预抽钻孔呈平行或扇形布置，施工钻孔27 个，进尺2553m。 2.4 增透效果分析 （1）抽采效果分析 平均单孔浓度对比曲线 平均单孔纯量对比曲线 每个钻孔封孔接抽放管后即开始记录抽采时间，每日采用WGC-II瓦斯抽放管道参数测定仪进行钻孔瓦斯抽采浓度、 TECHNOLOGY AND INATION工业与信息化 科学与信息化2020年8月下 109 钻孔瓦斯抽采纯量的测定，钻孔考察周期大于15天，并将致 裂区域与未致裂区域所有钻孔，在前15天相同抽采时间内的平 均抽采浓度、瓦斯抽采纯量进行对比，可知，试验对比的前15 天内，对比钻孔（未致裂增透区域）煤层瓦斯抽采平均浓度为 32.61，致裂区域的煤层瓦斯抽采平均浓度为78.63，是未致 裂区域的2.41倍，且瓦斯抽采浓度基本维持在80左右，衰减 缓慢，抽采15天后依旧稳定在70以上；接抽15天内，未致裂 增透区域煤层瓦斯抽采平均纯量为0.085m3/min，致裂区域的煤 层瓦斯抽采平均纯量为0.25m3/min，是未致裂区域的2.94倍。 （2）透气性系数考察 4、14、23致裂孔作为致裂增透后煤层透气性系数的测 定孔。各测定孔封孔后，对钻孔瓦斯自然流量进行数据测量， 根据透气性系数计算公式计算可得各孔测得煤层透气性系数， 得出4、14、23三个测定孔的平均透气性系数λ为92.148m2/ MPa2d，而9煤层在致裂增透技术应用之前其透气性系数λ为 38.25m2/MPa2d，可得出煤层致裂后，其透气性系数为原始煤 层的2.41倍。 （3）自然流量衰减系数考察 根据所测钻孔瓦斯自然流量，得出各钻孔自然流量衰减 系数，可得出，CO2致裂增透后，钻孔瓦斯自然流量衰减系数 β0.0100.016d-1，三个致裂孔平均瓦斯自然流量衰减系数为 0.013d-1，致裂增透前钻孔瓦斯自然流量衰减系数β0.046d-1，即 致裂增透后钻孔瓦斯涌出量衰减强度减小了3.54倍。 3 二氧化碳致裂增透技术效果评价 二氧化碳致裂效果主要用瓦斯含量指标来评价，39113运 巷工作面原始煤层瓦斯含量为13.2887m3/t，具有煤与瓦斯突出 危险性工作面，按具有煤与瓦斯突出危险进行管理。 钻孔控制区域煤层总瓦斯含量Q183129m3，经过14天抽 采后，评价单元内的瓦斯抽采总量为99872m3，瓦斯抽采率为 55，计算得出抽采控制区域内残余瓦斯含量Wcy5.98m3/t。 计算钻孔控制范围内煤体残余吨煤瓦斯含量为5.98m3/t， 小于防治煤与瓦斯突出规定规定的残余吨煤瓦斯含量临界 值8m3/t。综上所述，对39113运巷评价区域的各项指标评价结 果均符合相关规定要求，因此判定该区域的抽采效果达标。 根据顺层深孔预裂爆破后效果可得出，抽采14天后，控 制范围内煤体瓦斯含量均降到8m3/t以下，且施工钻孔时没有喷 孔、顶钻或其他动力现象，评判认为煤层评价范围预抽瓦斯防 突效果达标。 4 结束语 （1）红林煤矿9号煤层39113运巷CO2致裂增透后，瓦斯抽 采浓度基本维持在80上下，抽采纯量保持在0.2m3/min以上；抽 采期间，最大抽采浓度、纯量分别达到了94.6、0.4899m3/min。 （2）通过与对比钻孔的考察，红林煤矿9号煤层39113运 巷CO2致裂增透后，煤层透气性系数平均提高了2.41倍，钻孔瓦 斯自然涌出量衰减3.74倍；接抽15天内，钻孔致裂增透后单孔 平均浓度提高2.46倍，平均纯量提高2.74倍；钻孔瓦斯抽采率提 高到55以上，极其有效地提高了矿井瓦斯抽采效率。 （3）利用二氧化碳致裂增透技术能够在深孔条件下提高 红林煤矿9号煤层的渗透性，有效提高瓦斯抽采浓度和效率，加 快掘进速度，促进矿井高效、安全生产，为相似条件下二氧化 碳致裂增透技术提供了设计和实施依据。 参考文献 [1] 齐庆新,潘一山,舒龙勇,等.煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分 源防控理论与技术架构[J].煤炭学报,2018,4371801-1810. [2] 罗铭,刘公君.CO2深孔预裂增透前后钻孔瓦斯抽采影响范围测定 [J].内蒙古煤炭经济,201824139-140. 电流及输出功率越大。 参考文献 [1] Bell L E. Cooling, Heating, Generating Power, and Recovering Waste Heat with Thermoelectric Systems[J]. Scien ce,2008,32158951457-1461. [2] Seeber M,Benedetti P G D,Fanelli F. Experimental investigation on generated power of thermoelectric roof solar collector[J]. Renewable Energy,2004,295743-752. [3] 严李强,程江,刘茂元. 浅谈温差发电[J]. 太阳能,2015111-15. [4] Hasebe M,Kamikawa Y,Meiarashi S. Thermoelectric Generators using Solar Thermal Energy in Heated Road Pavement[C]. International Conference on Thermoelectrics,200651. [5] 李应林,明祥宇,李赟,等. 太阳能辅助小温差热发电系统的初步研 究[J]. 南京师范大学学报工程技术版,2010,10235-38. [6] Zhang M,Miao L,Kang Y P,et al. Efficient, low-cost solar thermoelectric cogenerators comprising evacuated tubular solar collectors and thermoelectric modules[J]. Applied Energy,2013,109951-59. [7] Ozdemir, Ali , Ekber ,et al. The experimental design of solar heating thermoelectric generator with wind cooling chimney[J]. Energy Conversion Management,201598127-133. [8] 许强强,季旭,李明,等. 菲涅耳聚光下半导体温差发电组件性能研 究[J]. 物理学报,201623253-261. [9] 薛永琼,季旭,宋向波,等. 半导体温差发电性能的实验研究[J]. 云 南师范大学学报自然科学版,2016,36121-24. [10] 贾磊,陈则韶,胡芃,等. 半导体温差发电器件的热力学分析[J]. 中国科学技术大学学报,2004,346684-687. [11] 苏安琴,张宝丽,罗光丽,等. PN型半导体电特性分析[J]. 无线互 联科技,20148132. 作者简介 杨德龙（1995－），男，云南大理人；毕业院校云南师范大学 太阳能研究所，专业农业生物环境与能源工程，学历硕士研究生， 职称教师，现就职单位滇西应用技术大学普洱茶学院，研究方向 资源循环与利用。 （上接第107页）