CN104989362A - 促进瓦斯抽采的液态co2爆破后煤层注气膨胀二次增透方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种促进瓦斯抽采的液态CO₂爆破后煤层注气膨胀二次增透方法。本发明是在工作面上同时施工爆破孔和瓦斯抽采孔，爆破孔和瓦斯抽采孔等距离间隔布置，在爆破孔中安装液态CO₂爆破器进行液态CO₂爆破，然后在瓦斯抽采孔内铺设瓦斯抽采管路并封孔，以煤矿井下压风系统的空气作为注气气源，进行煤层注气膨胀二次增透，注气气源接入爆破孔中并封孔，开启注气和瓦斯抽采系统，进行瓦斯抽采。采用本发明方法瓦斯抽采纯量大大提高，具有巨大经济效益和社会效益，同时技术工艺简单，具有很好的推广应用前景。

Description

促进瓦斯抽采的液态CO2爆破后煤层注气膨胀二次增透方法

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种促进瓦斯抽采的液态CO₂爆破后煤层注气膨胀二次增透方法。

背景技术

煤层增透是提高瓦斯抽采效率的技术关键，现有技术中常用的煤层增透方法包括深孔预裂爆破、水力压裂、水力冲孔和水力割缝等。由于煤层是由孔隙和裂隙构成的可压缩各向异性双重介质系统，在井下煤层各种水力化措施实施过程中，当水压大于煤层地应力时，煤体破坏变形，产生裂隙，达到增透目的，当水排出煤层后，裂隙会重新闭合，增透效果不明显。采用深孔预裂爆破和现有的液态CO₂爆破煤层增透，爆破后确实达到了一定的增透效果，但是煤层在吸附解吸甲烷过程中，煤体会发生膨胀和收缩变形，随着煤层和煤层气开采，瓦斯大量解吸，煤基质发生收缩变形，煤体内的裂隙通道缩小甚至闭合，煤层渗透率进一步降低，严重影响了煤层和煤层气开采效率和安全生产。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种促进瓦斯抽采的液态CO₂爆破后煤层注气膨胀二次增透方法，目的是在提高煤层透气性系数的同时维持煤层裂隙、维持煤层瓦斯流动速度，提高瓦斯抽采纯量和效率。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）在工作面上施工爆破孔和瓦斯抽采孔，爆破孔和瓦斯抽采孔等距离间隔布置；

（2）在爆破器中充装液态CO₂，在爆破孔中安装液态CO₂爆破器，启动爆破器，爆破器主管内液态CO₂气化变为高压气体冲出，煤体开裂，完成第一次煤层增透，液态CO₂爆破器回收待下次使用；

（3）在瓦斯抽采孔内铺设瓦斯抽采管路并封孔，以煤矿井下压风系统的空气作为注气气源，进行煤层注气膨胀二次增透，注气气源接入爆破孔中并封孔，开启注气和瓦斯抽采系统，进行瓦斯抽采。

其中，所述的相邻的爆破孔间隔7.5m，相邻瓦斯抽采孔间隔7.5m。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明首先进行液态CO₂爆破，煤体破碎，新裂隙产生，原裂隙二次扩展，增透效果明显，然后进行低压注气抽采，注气压力直接采用井下压风系统压力维持爆破裂隙通道，减缓了抽采后煤体收缩变形导致裂隙闭合的速度，相当于进行了二次增透，比未爆破煤层注气膨胀增透效果更明显，而且井下有完善的压风设备，低压注气抽采所需的注气气源及压力设施使用简单，投入成本较低，可以达到较好效果，可行性和可操作性优势明显。

本发明选用井下压风系统空气作为注气源是基于在吸附过程中，煤对瓦斯的主要组成气体的吸附能力由大到小依次为CO₂＞CH₄＞N₂，解吸过程中，大多情况下CH₄优先解吸，但因煤级差异，也有CO₂优先解吸的现象，所以煤层注气首选气源为CO₂，但是CO₂在井下制备、运输极不方便，而且需求量较大，煤层中大量注入可能导致煤岩与CO₂的突出，由于CO₂的抑燃特性，大量注入CO₂可能导致抽采的煤层气中CO₂浓度过高，失去燃烧性，故不宜选取CO₂作为注气气源；N₂有多种制取设备，但是经济成本都较高，选取空气作为注气气源具有较大的优势，首先空气无处不在，井下有完善的压风设备，井下压风的压力一般在0.3~0.5MPa，可以进行低压注气，其次，空气中含有大量N₂，依靠高浓度N₂对煤基质吸附N₂造成分压比，N₂吸附导致吸附位的竞争，促进CH₄解吸，可以达到较好的注气抽采效果。

本发明中采用低压注气是基于对于高地应力、高瓦斯压力和含Ⅲ、Ⅳ类构造煤等的煤与瓦斯突出煤层，高压注气会增加煤层应力，大大增加煤与瓦斯突出的几率和危险性。采用井下压风系统的空气作为注气气源在井下随处可见，注气压力较低无突出危险性，经济成本较低，可行性较高，整体瓦斯抽采效果明显，可行性高，具有很好的推广应用前景。

本发明在液态CO₂爆破煤层后瓦斯抽采浓度和混量明显提高的原因在于：爆破后煤体破碎，形成大量孔裂隙，随着瓦斯抽采的进行，深埋煤层地应力导致部分裂隙逐渐闭合，进行煤层注气后，注气压力和注入的气体会为孔裂隙提供支撑作用，维持渗流速度，达到膨胀增透的目的；同时，注入气体增加了煤层气向抽采孔流动的能量，为煤体中流体流动提供驱动力，克服在低渗透煤层中的流动阻力；由于空气中含有大量的N₂，由于注气孔与抽采孔之间的压力差，空气和游离瓦斯加速在煤体中流动，煤体孔裂隙中N₂浓度明显提升，对煤基质中N₂造成较大的分压比，煤基质吸附大量N₂，由于吸附位的竞争和煤基质中的CH₄对孔裂隙中CH₄的分压比，煤基质大量中CH₄解吸为游离瓦斯，促进了煤层瓦斯抽采浓度和混量的提高。

本发明的突出优势是：

（1）本发明方法减少了爆破增透过程中的CO等有毒有害气体，基本无扬尘大大降低粉尘爆炸可能性，液态CO₂爆破属于物理爆破过程，无明火出现，杜绝瓦斯爆炸可能性，保证了施工人员的人身安全；

（2）本发明方法钻孔工程量少，减少工人的劳动强度，成本低廉，具有巨大的经济效益；

（3）采用本发明方法瓦斯抽采纯量大大提高，具有巨大经济效益和社会效益，同时技术工艺简单，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明采用的液态CO₂爆破器结构示意图；

其中1：起爆头；2：发热管；3：主管；4：密封垫；5：泻能片；6：泄能头；

图2 是本发明实施例中爆破孔和瓦斯抽采孔布置示意图；

图3 是本发明实施例中布置液态CO₂爆破器示意图；

其中：7：工作面；8：煤层；9：液态CO₂爆破器；10：连接管；11：封孔器；

图4是液态CO₂爆破器起爆后的工作面俯视角度示意图；

其中：A：粉碎区；B：破裂区；C：震动区；

图5是本发明实施例中注气后瓦斯抽采孔有效影响半径监测示意图；

图6 是不同抽采条件下注气压力与有效抽采半径关系示意图；

其中：（a）是未进行液态CO₂爆破后低压注气抽采；（b）是未进行液态CO₂爆破后高压注气抽采；（c）是进行液态CO₂爆破后低压注气抽采。

具体实施方式

下面结合具体实施对本发明做进一步说明。

本发明实施例使用的液态CO₂爆破器结构如图1所示，型号是MZL200-1180/50。

实施例

本实施例的促进瓦斯抽采的液态CO₂爆破后煤层注气膨胀二次增透方法按照以下步骤进行：

（1）在工作面7上施工爆破孔和瓦斯抽采孔，孔径100mm，爆破孔和瓦斯抽采孔等距离间隔布置，相邻的爆破孔间隔7.5m，如图2所示；

（2）在爆破器中充装液态CO₂，液态CO₂充装压力为8~10MPa，在爆破孔中安装液态CO₂爆破器9，如图3所示，爆破器插入爆破孔中，并通过连接管10到达工作面7，并采用封孔器封孔11，启动爆破器，爆破器主管3内液态CO₂在40ms内迅速气化变为高压气体，达到泄能片极限压力后，泄能片破断，高压气体冲击煤体，煤体开裂，如图4所示，以爆破孔为中心形成粉碎区A、破裂区B和震动区C，完成第一次煤层增透，液态CO₂爆破器9回收待下次使用；

根据理论分析和数值模拟得出10MPa地应力下，煤层水平层理上，液态CO₂爆破有效影响半径为：出气孔方向6m，出气孔法向4m，爆破后煤层透气性系数提升17.49~22.76倍。

（3）在瓦斯抽采孔内铺设瓦斯抽采管路并封孔，以煤矿井下压风系统的空气作为注气气源，进行煤层注气膨胀二次增透，注气气源接入爆破孔中并封孔，选择注汽压力为0.5MPa，开启注气和瓦斯抽采系统，进行瓦斯抽采。

在本技术领域中利用煤层注气或固定抽采压力下的煤层注气抽采有效影响半径来表征不同注气压力下的煤层膨胀增透效果，煤层注气压力一般较低，低压注气为0.65MPa 以下，高压注气为4.0MPa以下，注气压力的大小决定注气对煤层的膨胀增透效果。本实施例中进行液态CO₂爆破的煤层低压注气压力为0.5MPa、以液态CO₂爆破后高压4.0MPa注气瓦斯抽采和爆破后低压0.5MPa注气瓦斯抽采作为对比例，监测钻孔瓦斯抽采有效影响半径。由于注气气源的供给决定注气流量大小，而注气流量又决定注气范围浓度差的大小，由Fick定律知流体扩散速度与流体浓度梯度成正比，也就是说注气流量越大，注气有效影响范围也越大，因此本实施例与对比例是采用较为接近的注气流量进行的试验，其中注气流量0.00035m³/s是低压注气流量参考。

有效影响半径监测方法如下：

为了避免钻孔之间的截流作用，在每一个注气试验地点（本实施例中的为爆破孔），按照不同距离分组布置瓦斯抽采孔，如图5所示，抽采孔与注气孔距离设定为r _i=1.5m、2m、…、4m。如果在某注气压力下，13KPa负压抽采孔的稳定流量比注气前稳定流量增加30%以上，则认为此抽采孔在注气孔的影响范围之内，满足条件的r _i中最大值即为该注气孔在该注气压力下的注气抽采有效影响半径。

上述三种条件下注气压力与有效抽采半径关系示意图如图6所示，未进行液态CO₂爆破的高压注气抽采有效影响半径在20d后稳定于3.5~4m之间，进行液态CO₂爆破后低压注气有效影响半径在21d后稳定于3.5~4m之间，差距较小，都可以在较短的时间内迅速提高有效影响半径，达到膨胀增透的效果，促进瓦斯抽采效率的提高。但是，对于高地应力、高瓦斯压力和含Ⅲ、Ⅳ类构造煤等的煤与瓦斯突出煤层，高压注气会增加煤层应力，大大增加煤与瓦斯突出的几率和危险性。进行液态CO₂爆破，煤体破碎，新裂隙产生，原裂隙二次扩展，增透效果明显，然后进行低压注气抽采，注气压力维持爆破裂隙通道，减缓抽采后煤体收缩变形导致裂隙闭合的速度，相当于进行了二次增透，比未爆破煤层注气膨胀增透效果更明显，而且井下有完善的压风设备，低压注气抽采所需的注气气源及压力设施使用简单，投入成本较低，可以达到较好效果，可行性和可操作性优势明显。

进行液态CO₂爆破后煤层注气瓦斯抽采并监测瓦斯抽采数据，相比未爆破未注气煤层，爆破后未注气瓦斯抽采浓度平均提高3.16倍，瓦斯抽采混量提高约1.71倍；爆破后注气抽采平均瓦斯抽采浓度提高2.57倍，瓦斯抽采混量提高3.43倍。

Claims (2)

1.一种促进瓦斯抽采的液态CO₂爆破后煤层注气膨胀二次增透方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）在工作面上同时施工爆破孔和瓦斯抽采孔，爆破孔和瓦斯抽采孔等距离间隔布置；

（2）在爆破器中充装液态CO₂，在爆破孔中安装液态CO₂爆破器，启动爆破器，爆破器主管内液态CO₂气化变为高压气体冲出，煤体开裂，完成第一次煤层增透，液态CO₂爆破器回收待下次使用；

（3）在瓦斯抽采孔内铺设瓦斯抽采管路并封孔，以煤矿井下压风系统的空气作为注气气源，进行煤层注气膨胀二次增透，注气气源接入爆破孔中并封孔，开启注气和瓦斯抽采系统，进行瓦斯抽采。

2.根据权利要求1所述的一种促进瓦斯抽采的液态CO₂爆破后煤层注气膨胀二次增透方法，其特征在于所述的相邻的爆破孔之间间隔7.5m。