難抽煤層CO2氣相壓裂瓦斯高效抽采技術研究

楊希培,邵文琦,楊百舸,徐鋒懿

(1.國家能源集團 烏海能源有限責任公司, 內蒙古 烏海 016000;2.河南理工大學 資源環境學院, 河南 焦作 454000)

我國主要含煤地層具有低滲透、難抽采等顯著特征,礦井瓦斯問題嚴重制約煤炭安全高效生產。實施強化增滲技術,可有效提高煤層瓦斯抽采效果,降低煤層瓦斯壓力和含量[1]. 五虎山煤礦隸屬國家能源集團烏海能源有限責任公司,為高瓦斯礦井,回采期間瓦斯抽采效率低,特別是工作面近切眼段預抽時間短,無法滿足礦井瓦斯治理工作的需要,影響回采接替,制約了煤礦的安全高效生產。目前,該煤礦010911工作面為銜接工作面,瓦斯抽采時間短,采用了CO2氣相壓裂瓦斯高效抽采技術,以增加煤層透氣性,提高抽采效率,縮短抽采達標時間,保證回采工作面順利接替。

1 CO2氣相壓裂技術

1.1 國內外研究現狀

CO2壓裂技術是一種非炸藥爆破技術,是美國煤礦工程師Hosea V.Ferrell 于1914年發明,歐美稱之為Cardox 技術[2]. 20世紀30—50年代該技術大量應用于高瓦斯煤礦的安全高效采煤,后來在全球廣泛應用于巖石安全爆破和鋼鐵、水泥行業的工業清堵等[3]. CO2氣相壓裂的主要作用是在煤層中開啟原有裂縫并形成新生裂縫,由于卸壓和裂縫的聯合作用,煤層滲透性大幅度提高[4-6]. 自2012年以來,河南理工大學、中煤科工集團等多家科研單位在全國近百個礦井對該技術進行規?；囼炑芯亢凸I應用。應用結果表明,回采工作面的煤層滲透率提高了1～2個數量級,瓦斯抽采濃度和流量提高了1個數量級,瓦斯抽采達標時間縮短了2/3;煤巷掘進工作面的卸壓防突效果顯著,掘進速度提高了1～3倍,實現了低滲高瓦斯煤層的安全快速掘進[4].

1.2 CO2壓裂管

CO2壓裂管由充氣頭、加熱器、儲液管、剪切片、密封墊、釋放頭等6個部件組成,見圖1. 其反應過程為:加熱器通電引發,使儲液管內的液態CO2迅速氣化沖破剪切片,透過釋放頭上的噴氣孔迅速向外噴發,作用于周圍介質。

圖1 CO2壓裂管結構示意

CO2氣相壓裂技術為本質安全型技術,其反應過程為低溫低壓物理爆破過程,不產生高溫及電火花,爆破震動產生低頻長波,不會對煤層頂底板產生構造性破壞。

2 試驗礦井瓦斯地質概況及瓦斯治理現狀

2.1 礦井瓦斯地質概況

五虎山煤礦位于內蒙古自治區賀蘭山煤田北段烏達礦區的南部,井田面積8.08 km2,設計生產能力為150萬t/a,目前采掘活動主要集中在9、10、12號煤層。9號煤層層位較穩定,含夾矸1—4層,結構較復雜,可采厚度1.04～4.20 m,平均2.82 m,屬穩定的中厚煤層。9號煤層的瓦斯絕對涌出量為21.52 m3/min,相對涌出量為7.69 m3/t,原煤瓦斯含量8.92～9.35 m3/t,煤層瓦斯原始壓力0.52～0.61 MPa,煤層透氣性系數0.000 6 m2/MPa2·d,屬極難抽采煤層。

2.2 試驗煤層瓦斯抽采現狀

9#煤層為高瓦斯煤層,010911工作面設計抽采時間2年。010909工作面為010911相鄰工作面,共有3條巷道:010909上運輸順槽、010909下運輸順槽、010909瓦斯治理巷,前期主要采用順煤層定向長鉆孔以及傾向鉆孔抽采技術,鉆頭直徑為113 mm,開孔高度1.8 m. 010909上運輸順槽布置3個鉆場共25個本煤層定向長鉆孔、78個本煤層傾向抽采孔,總工程量34 463 m.

010909工作面3條巷道的平均瓦斯抽采濃度為7.53%,平均瓦斯純量為2.897 m3/min,平均百米鉆孔瓦斯純量為0.004 93 m3/(min·hm). 總體抽采現狀為:瓦斯抽采濃度較低,百米瓦斯抽采純量較小。

2.3 試驗工作面瓦斯地質特征

010911工作面位于9#煤層盤區北翼,預計2025年進行開采。工作面整體呈單斜構造,傾向西,傾角3°～7°,走向近南北,構造較簡單,工作面平面圖見圖2.

圖2 010911工作面工程平面

010911工作面煤層總厚2.8～3.2 m. 煤層結構:0.3(0.2)2.32. 實測瓦斯含量8.98 m3/t,瓦斯壓力0.668 MPa,為高瓦斯工作面。CO2壓裂施工地點為010909瓦斯治理巷,該巷道長1505 m,寬4.6 m,高3.2 m.

3 CO2氣相壓裂高效抽采防突掘進試驗與效果考察

3.1 試驗方案

在010911工作面近切眼段開展CO2氣相壓裂瓦斯高效抽采技術,從010909瓦斯治理巷沿與巷幫垂直方向010911工作面布置鉆孔。

1) 試驗地點:010909瓦斯治理巷,預采面進尺1490 m～1380 m位置。

2) 鉆孔參數:直徑113 mm,深度100 m,距離巷道底板1.6 m,瓦斯抽采封孔長度12 m,采用兩堵一注封孔技術。

3) 壓裂參數:壓裂器C74-L型,外徑72 mm,組裝完成長度1.8 m,單根液態二氧化碳儲量2.0 kg,釋放壓力185 MPa,每個鉆孔壓裂管30 根,壓裂封孔段0～15 m,壓裂段12～67 m.

4) 原始鉆孔:從010909瓦斯治理巷向010911預采工作面未施工任何抽采鉆孔的煤段進行壓裂試驗,因該工作面未布置任何抽采鉆孔,因此設計一組抽采孔作為原始抽采孔。

5) 鉆孔布置:共8個壓裂孔,12個抽采孔,從里向外分為4個單元,每單元5個孔,施工順序從內向外依次施工,每單元相鄰孔間距為5 m,相鄰單元間距為10 m,即為壓裂孔5與抽采孔1、抽采孔5與壓裂孔6間距均為10 m;第一單元為壓裂孔1、2、3、4、5;第二單元為抽采孔1、2、3、4、5;第三單元為壓裂孔6、7,抽采孔6、7、8;第四單元為壓裂孔8,抽采孔9、10、11、12. 鉆孔布置方案見圖3.

圖3 鉆孔方案設計

6) 瓦斯抽采:全部鉆孔并網抽采后,每天監測瓦斯抽采單孔濃度及純流量、組孔濃度及純流量,連續監測45 d,測試瓦斯含量小于8 m3/t則認為抽采達標,否則繼續抽采。

7) 效果考察:1#、2#站數據考察瓦斯抽采效果,對比原始抽采孔與壓裂孔瓦斯抽采濃度及抽采量;3#、4#站數據考察瓦斯抽采半徑。

3.2 實施過程

按照試驗方案,2021年9—11月,在010911預采面進尺1490～1380 m施工8個壓裂孔及12個抽采孔,所有鉆孔分4個站并網抽采,施工情況:

1#站:9月16日—9月26日完成鉆孔施工及壓裂;2#站:9月27日—10月12日完成鉆孔施工;3#站:10月13日—10月17日完成鉆孔施工及壓裂;4#站:10月18日—10月21日完成鉆孔施工及壓裂。

鉆孔施工完下篩管接抽,10月1日—11月14日,每天測量1次瓦斯抽采參數,共測試45 d.

3.3 瓦斯抽采效果考察

對比CO2氣相壓裂前后壓裂孔組抽采效果與壓裂孔單孔抽采效果。

1) 單元孔瓦斯抽采效果分析。

1#站(壓裂孔組):瓦斯抽采濃度保持在63.8%以上,瓦斯純量保持在0.094 m3/min以上,無衰減趨勢。濃度最大值為85.3%,平均值77.1%;純流量最大值0.127 m3/min,平均值0.114 m3/min.

2#站(原始孔組):瓦斯抽采濃度保持在17.4%以上,瓦斯純量保持在0.025 m3/min以上,流量有明顯衰減趨勢。濃度最大值為43.6%,平均值26.8%;純量最大值0.065 m3/min,平均值0.039 m3/min. 壓裂孔組與原始孔組相比,瓦斯抽采濃度平均值提高1.88倍,瓦斯抽采純量平均值提高1.92倍。氣相壓裂鉆孔組與原始鉆孔組瓦斯抽采參數平均值對比見表1、圖4.

表1 壓裂前后瓦斯抽采參數對比

圖4 原始孔組與壓裂孔組支管路抽采參數對比

2) 單孔瓦斯抽采效果分析。

5個原始抽采孔瓦斯抽采濃度平均值32.5%,瓦斯抽采純量平均值0.045 m3/min,流量衰減系數0.001 2 d-1.

5個壓裂孔中5#壓裂孔漏氣,其他4個壓裂鉆孔瓦斯抽采濃度平均值79.8%,瓦斯抽采純量平均值0.112 m3/min,流量衰減系數0.000 4 d-1.

7個壓裂影響區域孔瓦斯抽采濃度平均值67.8%,瓦斯抽采純量平均值0.109 m3/min,流量衰減系數0.001 0 d-1.

壓裂孔與原始孔相比,瓦斯抽采濃度平均值提高1.46倍,瓦斯抽采純量平均值提高1.49倍,流量衰減系數降低67%;壓裂影響區域孔與原始孔相比,瓦斯抽采濃度平均值提高1.09倍,瓦斯抽采純量平均值提高1.42倍,流量衰減系數降低17%. 氣相壓裂鉆孔與原始鉆孔瓦斯抽采參數平均值對比見表2、圖5.

表2 壓裂前后瓦斯抽采單孔參數對比

圖5 原始孔、壓裂孔、壓裂影響區域孔抽采參數對比

3) 瓦斯抽采效果對比。

由表2、圖5中瓦斯抽采效果對比可知:對于壓裂完且封孔良好的壓裂孔,氣相壓裂能實現瓦斯高效抽采,瓦斯抽采濃度、純量均有明顯提高,鉆孔流量衰減系數大幅降低。同時,對于壓裂影響區域的抽采孔,氣相壓裂同樣能實現瓦斯抽采濃度、純流量的大幅提高。

3.4 抽采半徑考察

鉆孔瓦斯抽采半徑根據鉆孔布置間距的理論方程計算,即以抽采率為指標,鉆孔有效抽采半徑的計算公式[7-8]如下:

(1)

式中:t為抽采時間,d;q(t)為百米鉆孔經t日排放時的瓦斯流量,m3/(min·hm);η為瓦斯抽出率;ρ為煤的密度,t/m3;W為煤層原始瓦斯含量,m3/t.

基于以上理論,開展瓦斯抽采半徑考察試驗。試驗分為兩組:第1組,距離壓裂鉆孔5 m、10 m施工抽采半徑考察鉆孔;第2組:距離壓裂鉆孔5 m、10 m、15 m施工抽采半徑考察鉆孔。先施工抽采半徑考察孔,再施工壓裂孔。鉆孔布置見圖6.

圖6 氣相壓裂抽采半徑測試鉆孔布置

9#煤層殘存瓦斯含量為8.98 m3/t,按防治煤與瓦斯突出的要求,采掘面應實行先抽后采,將煤層瓦斯含量降到8.0 m3/t,通過預抽煤層瓦斯,其采面預抽率η不小于12.67%. 施工完成后,監測氣相壓裂孔及考察孔瓦斯抽采參數,連續監測90 d. 原始孔抽采90 d抽采半徑為0.82 m,壓裂后抽采半徑提高到2.07 m,相比原始孔提高了153%. 010911預采面壓裂前后瓦斯抽采半徑對比見表3.

表3 010911預采面壓裂前后瓦斯抽采半徑對比

根據計算,鉆孔間距為5 m時,采用氣相壓裂技術,抽采達標時間為180 d,遠低于礦井原設計的9#煤層抽采時間370 d,因而可以考慮在9#煤層回采工作面采用氣相壓裂技術提高瓦斯抽采效率,縮短抽采達標時間。

4 結 語

1) CO2氣相壓裂技術能有效提高壓裂孔瓦斯抽采效率。4個壓裂鉆孔,瓦斯抽采濃度平均值79.8%,瓦斯抽采純量平均值0.112 m3/min,流量衰減系數0.000 4 d-1;與原始孔相比,瓦斯抽采濃度平均值提高1.46倍,瓦斯抽采純量平均值提高1.49倍,流量衰減系數降低67%.

2) CO2氣相壓裂技術能有效提高壓裂影響區域孔瓦斯抽采效率。7個壓裂影響區域孔,瓦斯抽采濃度平均值67.8%,瓦斯抽采純量平均值0.109 m3/min,流量衰減系數0.001 0 d-1;與原始孔相比,瓦斯抽采濃度平均值提高1.09倍,瓦斯抽采純量平均值提高1.42倍,流量衰減系數降低17%.

3) 氣相壓裂孔抽采90 d瓦斯抽采半徑2.07 m,相比原始孔的0.82 m,提高了153%,抽采達標時間從原設計的370 d降低到180 d,縮短了抽采達標時間,實現了瓦斯高效抽采的技術目標。

4) 研究成果表明,CO2氣相壓裂技術是難抽采高瓦斯煤層瓦斯高效抽采的可行技術,可用于本煤層近切眼段瓦斯快速抽采達標。下一步應繼續在其他煤層推廣應用,探究該技術對于提高瓦斯抽采效率的適配性方案。