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1192020 年第 6 期 CO2预裂增透技术在瓦斯抽采中的研究应用 刘志国 （同煤集团，山西 大同 037003） 摘 要 为了解决煤层瓦斯含量高和渗透性低的难题，结合北杏庄煤业实际地质条件，研究采用 CO2预裂增透技术进行 瓦斯抽采。采用 CO2预裂增透技术后，瓦斯抽采纯量明显提高，抽采浓度由 10 提高至 28。预裂过程中，液态 CO2气 化对钻孔产生冲击震荡应力波穿透爆生气体驱动裂纹扩展，达到增透目的。 关键词 低渗透煤层 瓦斯抽采 CO2预裂 增透 中图分类号 TD712.6 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.042 Research and Application of CO2 Presplitting Technology in Gas Drainage Liu Zhi-guo （Tongmei Group, Shanxi Datong 037003） Abstract In order to solve the problem of high gas content and low permeability in coal seam, combined with the actual geological conditions of Beixingzhuang Coal Industry, the technology of CO2 presplitting and permeability increasing is studied. After adopting the technology of CO2 presplitting and permeability increasing, the net amount of gas extraction is obviously increased, and the extraction concentration is increased from 10 to 28. In the process of presplitting, liquid CO2 gasification produces shock shock, stress wave penetration and explosive gas to drive the crack growth, so as to achieve the purpose of enhancing the penetration. Key words low permeability coal seam gas drainage CO2 pre-splitting permeability increasing 收稿日期 2019-12-16 作者简介 刘志国（1990-），男，辽宁省海城市人，毕业于辽 宁工程技术大学，安全工程专业，助理工程师。 1 引言 煤层瓦斯含量高、渗透性差始终是煤矿瓦斯抽 采面临的难题，如何有效增加煤层渗透性、提高瓦 斯抽采率是解决瓦斯治理难题的最直接途径。 液态 CO2预裂增透技术在北杏庄煤业的应用表 明，CO2由液相向气态的转化过程中释放巨大能量， 利用冲击波实现煤层爆孔预裂，一方面可为瓦斯移 动创造条件，另一方面可通过驱替瓦斯，从而实现 顺利抽采 [1-2]。 2 煤层概况 同煤集团地煤公司北杏庄煤业公司位于大同市 西南部，井田东西走向，井田面积 49.3km2，主采 13煤层。此次 CO2预裂增透技术的应用主要针对 北杏庄煤业有限公司 402 盘区 8204 工作面 13煤层 进行试验。 经测定，13煤层瓦斯压力为 1.1 ～ 1.38MPa， 瓦 斯 放 散 初 速 度 为 14.7ml/s， 透 气 性 系 数 为 0.018 ～ 0.164/（MPa2d），煤层瓦斯含量最大为 19.63m3/t，平均为 12.94m3/t，矿井相对瓦斯涌出量 为 31.81 m3/t，绝对涌出量为 319.27 m3/min。煤层 瓦斯含量高，透气性差，抽采难度较大，严重制约 煤矿安全生产。 3 CO2预裂增透技术原理及设备工艺 CO2预裂增透技术主要利用液态 CO2气化产生 的高能气体形成高压冲击波，致使煤体预裂。若使 液态 CO2气化，则温度应大于 31℃，此时液态 CO2 在极短时间内迅速气化，能够释放 150MPa 左右的 压力，冲击煤体，形成较好的预裂效果，显著增加 煤层透气性 [3]。 通过 CO2预裂器内部安装发热装置，对矿用发 爆器充排气阀上两个电极施加脉冲电流（利用 CO2 的抑爆性能，可以阻止爆炸和燃烧），电流可以使 装置内的化学材料发生反应并放热。液态 CO2吸 收热量温度升高，迅速气化，导致预裂器内腔压力 1202020 年第 6 期 大于设定压力值，突破定压剪切片喷向煤体。此时 CO2气体在煤体裂隙中急速膨胀，进一步形成新的 裂隙并扩展，增加煤体透气性。由于煤体对 CO2的 吸附能力远强于 CH4，因此，在煤体预裂过程中， 爆孔形成大量裂隙以及微裂隙，不仅能够增多 CO2 的运移通道，而且通过 CO2的驱替作用，使得 CH4 由吸附态变为游离态，通过预裂后的通道进行解吸， 提高瓦斯抽采浓度 [4]。 CO2预裂器由充装阀、 发热装置、 储液管、 密封垫、 定压剪切片以及释放管组成，如图 1 所示。预裂装置 管腔内预先安装好发热材料， 将液态CO2注入管腔内， 通过对矿用发爆器充排气阀上两个电极施加脉冲电 流从而对液态 CO2进行加热，气化后的 CO2体积膨 胀，达到预设压力，此时定压剪切片自动打开，通 过释放管作用于煤体，产生冲击震荡应力波穿透 爆生气体驱动裂纹扩展，达到增透目的。 图 1 CO2预裂器结构 通过 CO2预裂增透技术的应用，瓦斯抽采纯量 明显增加，在保持抽采纯量的基础上，将来可以实 现抽采钻孔数量的减少，减少抽采钻孔的工作量， 极大地降低成本。 4 抽采效果分析 在北杏庄煤业有限公司 402 盘区 8204 工作面 13煤层预裂增透的试验中，在钻场左右各施工一 个预裂孔，编号 1 和 2。1 号钻孔以 15的角度向 左帮偏离施工，开孔位置距离左帮 1.4m；2 号钻孔 以 15的角度向右帮偏离施工，开孔位置距离右 帮 0.7m。1、2 号钻孔开孔间距为 3.15m，终孔间距 42m，孔深 75m，如图 2 所示。 图 2 预裂 1 号和 2 号钻孔布置图 对 1、2 号钻孔预裂后的瓦斯流量与抽采浓度 进行观测，如下表 1 所示。 由表 1 可以看出，预裂后瓦斯流量最高为 1.24m3/min， 浓 度 为 43，9d 后 瓦 斯 流 量 降 至 0.47m3/min， 浓度为18， 瓦斯流量衰减量为0.77m3/ min，平均每天衰减 0.0856m3/min，瓦斯浓度衰减 量为 25，平均每天衰减 2.78；瓦斯平均抽采浓 度为 28，与预裂前（平均抽采浓度为 10）相比， 瓦斯抽采浓度提高了 180，抽采效果显著提升。 试验结果表明，应用 CO2预裂增透技术能够提高煤 层透气性，最终单孔瓦斯抽采浓度较长时间稳定在 18 以上，并且 CO2在驱替瓦斯方面，对于提高瓦 斯解吸量效果明显。 表 1 1 号和 2 号钻孔预裂后的瓦斯流量与抽采浓度随时 间变化表 日期流量 / m3/min浓度 /（） 10-131.2443 10-140.9439 10-150.8537 10-160.6332 10-170.5926 10-180.5522 10-190.5118 10-200.4819 10-210.4718 5 结论 实施煤层 CO2预裂增透技术，对提高煤矿瓦斯 抽采效率和效果具有积极作用。 （1）CO2预裂增透技术不仅可以提高煤层渗透 性，而且可以实现钻孔裂隙的再扩展，增加游离瓦 斯运移通道；另外，能够驱替瓦斯，将吸附态的瓦 斯进行驱替，以游离态的形式进行解吸。 （2）预裂增透技术的应用，提高了瓦斯抽采浓 度，使得瓦斯抽采浓度最高为 43，最低为 18， 平均抽采浓度为28， 与预裂前抽采浓度10相比， 提高了 180，对于高瓦斯低渗透煤层的预裂增透 效果十分显著。 （3）通过 CO2预裂增透技术的应用，在保持 抽采纯量的基础上，将来可以实现抽采钻孔数量的 减半，减少抽采钻孔的工作量，极大地降低成本。 【参考文献】 ［1］ 郭爱军，孟秀峰，令狐建设，等 .CO2预裂增透瓦 斯抽采技术研究 [J]. 中国煤炭，2018，44（02） 105-108. ［2］ 王伟，年军，刘啸，等 .CO2相变致裂增透技术在 （下转第 123 页） 1232020 年第 6 期 表 3 防治前后各测点呼吸性粉尘浓度变化（mg/m3） 内 容 日 期 掘进司机 A 点 距迎头 8m 掘进机后 B 点 距迎头 13m 转载机头 C 点 距迎头 22m 除尘器后 D 点 距迎头 80m 使用前 使用后 使用前 使用后 使用前 使用后 使用前 使用后 2.3142.54.93124.573.61103.57.1340.170.96 2.11 208.7514.17131.2513.22129.1131.548.951.75 2.15 191.196.42165.183.0568.256.4233.00.55 呼吸性粉尘浓度变化如表 3 所示，掘进司机 A 点距迎头 8m、掘进机后 B 点距迎头 13m、转载机 头 C 点距迎头 22m、除尘器后 D 点距迎头 80m， 这四个测点呼吸性粉尘浓度依次下降，但浓度最大 值仍达到 208.75mg/m3，威胁井下工人生命安全。 在防治后最大粉尘浓度下降为 14.17mg/m3，各测点 呼吸性粉尘浓度均达到安全范围，掘进机切割时， 工作面产生的粉尘得到有效治理。 4 使用除尘风机的安全注意事项 （1）风机位置及风筒的选用 压入式风机风筒采用 Ф60010000mm 柔性风 筒，风筒吊挂在巷道非行人侧（随掘随接），风筒 末端出风口距工作面迎头 2030m，且出风口要超过 除尘风机并保持 10m 以上距离，同时要保证压入式 风筒口至除尘装置吸尘口的巷道最低风速 0.15m/s。 除尘风机安装在掘进工作面行人侧或皮带机尾 上， 风筒采用Ф600 5000mm刚性风筒， 风筒口 （吸 风口）距迎头不大于 5m。除尘风机距迎头距离一 般不超过 60m，且负压风筒进风口的吸入风量应大 于压入式风筒出口风量。 （2）除尘风机使用的其他注意事项 当掘进机掘进时采用长压短抽混合式通风，其 他工序采用压入式通风。在除尘装置运行前，先接 通供水喷雾系统，检查喷雾是否正常，对除尘装置 进行排污换水。除尘风机在启动 2min 后，应注意 观察除尘器脱水是否正常，严禁无水使用。在使用 除尘风机供风时，柔性风筒也要提前吊挂好，只是 把柔性风筒出风口与里面风筒断开，当除尘风机出 事故后或掘进施工完成后，能够及时把柔性风筒接 到迎头，保证正常通风。除尘装置要随着掘进机掘 进进尺及时前移。 5 结论 （1）采用混合式通风及三级除尘原理对 20601 综掘工作面粉尘进行治理，掘进机掘进过程中产生 的大量粉尘，得到了有效控制和治理，能见度得到 了提高，作业环境明显改善，保护了操作人员的身 体健康。该技术实施后，每月进尺可提高 50m，年 增加效益 36 万元，经济效益与社会效益显著。 （2）压入式风筒出风口距迎头 20m，负压风 筒吸风口距迎头 5m 为最佳位置，可减少粉尘扩散 范围，有效捕捉粉尘，降尘效率最高。负压风筒吸 风口距迎头小于 4m 时，尘源产生的粉尘也不能被 有效捕捉。压入式风筒出口距迎头 23m，负压风筒 进风口距迎头 5m，除尘效果较好，总粉尘除尘效 率 98.3，呼吸性粉尘除尘效率为 98.3。 （3）掘进机掘进速度的快慢与降尘浓度的大 小有关，作业速度过快，产生的大量粉尘不能被有 效及时捕捉，进入负压风筒的吸风口后方的巷道风 流中。同时，除尘效果与压入式风筒出口风量和负 压风筒进风口的吸入风量有关，根据测风和测尘结 果及时移设除尘装置。 【参考书目】 ［1］ 高建川 . 屯兰选煤厂煤尘治理研究与实践 [J]. 煤 炭科学技术，2016，44（08）199-202213. ［2］ 段定杰 . 采煤工作面通风防治煤尘技术的分析探 讨 [J]. 石化技术，2019，26（07）205-206. ［3］ 宋志飞 . 煤尘对矿山安全生产的影响及其防治措 施研究 [J]. 矿业装备，2019（02）86-87. ［4］ 吕二忠，刘涛，严春，等 . 综掘工作面高压喷雾 降尘技术研究 [J]. 煤炭工程，2016，48（03） 58-6063. ［5］ 顾大钊 . 高产高效煤矿煤尘防治关键技术 [J]. 矿 业安全与环保，2010，37（06）34-37. 高瓦斯低渗透性厚煤层应用研究 [J]. 煤炭技术， 2017，36（08）167-168. ［3］ 魏国营，郭中海，谢伦荣，等 . 煤巷掘进水力掏 槽防治煤与瓦斯突出技术 [J]. 煤炭学报，2007 （02）172-176. ［4］ 郭中海 . 突出煤巷掘进水力掏槽工艺技术研究 [J]. 煤炭科学技术，2005（09）25-2753. （上接第 120 页）