CN112963125A - 水力冲孔造穴与co2爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力冲孔造穴与CO₂爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法，包括以下步骤：1)水力冲孔造穴施工；2)CO₂爆破钻孔施工；3)CO₂爆破；4)瓦斯抽采、监控及驱替。通过水力冲孔造穴，孔洞周围煤体失稳破坏，形成一定范围的裂隙扩展网络，煤层渗透性显著提高；同时，造穴洞室周围煤体通过CO₂致裂器致裂扩大裂隙网格，再结合瓦斯驱替解吸，运移至造穴洞室内，并通过穿层钻孔运移至抽采管路。专门针对松软、低透气性、瓦斯含量高且难抽采煤层区域，提供了一种新的协同强化的瓦斯抽采治理方法，短时间内使煤层中的瓦斯达到抽采要求，加快煤层开采进度，同时提高煤炭开采的安全性。

Description

水力冲孔造穴与CO2爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法

技术领域

本发明属于煤层瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种水力冲孔造穴与CO₂爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法。

背景技术

煤在形成过程中首先经历了长期复杂的物理、化学和地球化学变化，然后经过长时间的地质构造运动，经历了一系列塑性、韧性、流动变形过程，导致煤体松软破碎。由于印支期、燕山期和喜马拉雅期的连续构造运动，我国大部分煤田都存在松软低透气性煤层。同时，我国含煤地层多以侏罗纪和石炭二叠纪为主，大多数煤层属于低透气性松软煤层，地质条件比较复杂。并且，随开采强度的增加逐年向深部延伸，进入深部开采后，煤层逐渐都升级为高突煤层，因此，我国目前很多煤层都呈现出了高地应力，高瓦斯压力和高瓦斯含量，使得煤矿瓦斯灾害更加严重。

为了消除煤层突出危险性，涌现了许多瓦斯抽采技术，包括施工密集钻孔，普通顺层钻孔，水力割缝钻孔等。但是由于我国煤层地质条件复杂的特殊性，煤层渗透率比美国、澳大利亚等国家低1-2个数量级，采用这些单一的增透措施效果有限，瓦斯抽采率低且时间较长，无法满足我国不断提高的煤炭开采需求。

此外，根据一些学者的相关研究，我国煤炭孔隙结构复杂，微孔占比较高，使得大量的瓦斯吸附在微孔内表面，导致煤层瓦斯含量高，且不易解吸出来，瓦斯抽采比较困难。现有研究表明，煤体对CO₂的吸附能力要高于瓦斯，因此，采用CO₂气体来驱替原有煤层中的瓦斯，可以有效提高煤层瓦斯抽采量，在较短的时间内完成煤层瓦斯的抽采。

发明内容

本发明针对松软、低透气性、瓦斯含量高且难抽采煤层区域，提供一种新的协同强化的瓦斯抽采治理方法，短时间内使煤层中的瓦斯达到抽采要求，加快煤层开采进度，同时提高煤炭开采的安全性。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种水力冲孔造穴与CO₂爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

1)水力冲孔造穴施工：采用矿用钻冲一体化装备，由底板抽采巷向松软、低透气性、瓦斯含量高且难抽采的煤层中施工穿层钻孔，向钻杆内通入压力为15-20MPa的高压水，对全煤层段进行水力冲孔造穴，形成0.5m-1m直径的水力冲孔造穴洞室，在洞室周围形成大量的第一裂隙网络，然后封孔并预留瓦斯抽采孔；

2)CO₂爆破钻孔施工：由底板抽采巷向松软、低透气性、瓦斯含量高且难抽采的煤层中施工多个CO₂爆破钻孔，所有CO₂爆破钻孔均布在水力冲孔造穴洞室周围，CO₂爆破钻孔从底板抽采巷穿过煤层底板和煤层直到煤层顶板，横贯整个煤层；

3)CO₂爆破：使用液压推送机将CO₂致裂器送入CO₂爆破钻孔内，向CO₂致裂器内注入压力60MPa以上的液态CO₂，使CO₂致裂器内的定压破裂片破裂实现高压增压物理起爆，从而实现煤层的致裂，在每个CO₂爆破钻孔的周围形成大量的第二裂隙网络，且第二裂隙网络的末端延伸至第一裂隙网络的末端形成贯通裂隙；

4)瓦斯抽采、监控及驱替：进行煤层瓦斯抽采，并实时监测瓦斯抽采孔的瓦斯浓度变化，当抽采管路中瓦斯浓度低于30％时，向CO₂致裂器内注入5—20MPa的CO₂气体，通过CO₂致裂器的释放孔排入致裂后的煤层中，并发生瓦斯解吸，解吸的瓦斯通过贯通裂隙运移到水力冲孔造穴洞室中，从而完成CO₂对煤层瓦斯的驱替，驱替的瓦斯通过穿层钻孔最后进入抽采管路中，强化煤层瓦斯抽采。

作为上述方案的优选，在步骤1)中，需要进行水力冲孔造穴影响范围考察，具体步骤如下：

1a)施工所要求的特定半径的水力冲孔造穴洞室：

水力冲孔造穴半径的大小采用钻孔出煤量进行控制，假设形成的造穴洞室为圆柱形，具体采用下式进行计算：

m＝ρV (1)

V＝πr²h (2)

式中：m为钻孔出煤的质量，单位kg；ρ为煤体的密度，单位kg/m³；V为造穴洞室的体积，单位m³；r为造穴洞室的半径，单位m；h为煤层的厚度，单位m；

结合式(1)和式(2)可得水力冲孔造穴半径为：

1b)对造穴钻孔进行密封，瓦斯抽采，施工探测钻孔：

造穴钻孔施工完成后进行密封，然后进行瓦斯抽采，当瓦斯抽采结束后，以造穴钻孔为圆心，在煤层周围0°方向2m处、90°方向3m处、180°方向4m处、270°方向5m处、0°方向6m处、90°方向7m处分别施工6个钻孔，对6个钻孔的煤层瓦斯含量进行测定，在瓦斯含量<8m³/t的最大距离处即为该造穴半径下的瓦斯抽采影响范围；

在步骤2)中，需要进行CO₂爆破钻孔的影响范围考察，具体步骤如下：

2a)根据施工现场情况，选用特定半径的钻杆进行CO₂爆破钻孔的施工，并计算CO₂爆破钻孔在爆破后的释放能量；

根据爆破原理，CO₂爆破装置中的CO₂为压缩态或液态时，在其爆破后释放的能量为：

式中：E为爆破产生的能量，单位kJ；P为二氧化碳爆破装置内CO₂的压力，单位MPa；V_CO2为二氧化碳爆破装置的容积，单位m³；k为绝热指数，CO₂取1.295，根据实际CO₂的装液量计算爆破时释放的能量；

2b)待CO₂爆破钻孔爆破完成后进行密封，瓦斯抽采，并施工CO₂爆破钻探测钻孔：

对特定半径和爆破释放能量下的CO₂爆破钻孔进行爆破施工，爆破完成后对CO₂爆破钻孔进行密封，然后进行瓦斯抽采，当瓦斯抽采结束后，以CO₂爆破钻孔为圆心，在煤层周围0°方向2m处、90°方向3m处、180°方向4m处、270°方向5m处、0°方向6m处、90°方向7m处分别施工6个CO₂爆破钻探测钻孔，对这6个爆破钻探测钻孔的煤层瓦斯含量进行测定，在瓦斯含量<8m³/t的最大距离处即为特定半径和CO₂爆破释放能量下的CO₂爆破钻孔瓦斯抽采影响范围。

进一步优选为，步骤1)中，水力冲孔造穴采用的压力根据煤层实际坚固性系数来确定，水力冲孔造穴采用的压力随坚固性系数增长而增长；水力造穴洞室的直径根据所需要的抽采范围进行调整。

进一步优选为，步骤4)中，向CO₂致裂器内注入10MPa的CO₂气体进行瓦斯驱替，10Mpa的CO₂气体需要持续注入，直至煤层中瓦斯含量达到要求。

进一步优选为，步骤2)中，CO₂爆破钻孔采用环绕水力冲孔造穴呈菱形布置。该布置方式可以极大地减少抽采盲区，消除局部瓦斯超限的问题。

本发明的有益效果：通过水力冲孔造穴，孔洞周围煤体失稳破坏，形成一定范围的裂隙扩展网络，煤层渗透性显著提高；同时，造穴洞室周围煤体通过CO₂致裂器致裂扩大裂隙网格，再结合瓦斯驱替解吸，运移至造穴洞室内，并通过穿层钻孔运移至抽采管路；通过CO₂爆破致裂，在CO₂爆破钻孔周围形成了大量的爆破裂隙网络，其中有一部分裂隙与水力冲孔造穴形成的扩展裂隙相贯通，促使CO₂爆破孔周围解吸的大量瓦斯通过这些贯通的裂隙进入造穴洞室内，然后通过钻孔进入抽采管路；通过CO₂致裂器的释放孔排入致裂后的煤层当中，由于煤对CO₂的吸附能力大于对瓦斯的吸附，所以煤的微孔当中较难解吸的瓦斯所占据的吸附位就会被CO₂分子所取代，进而发生瓦斯的解吸过程，解吸的瓦斯进入裂隙当中然后运移到造穴洞室中最后进入抽采管路，因此，注入的CO₂气体完成了对煤层瓦斯的驱替作用，强化了煤层瓦斯抽采。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为CO₂爆破钻孔均布在水力冲孔造穴洞室周围的状态。

图3为水力冲孔造穴和CO₂爆破影响范围考察施工示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1—图2所示，一种水力冲孔造穴与CO₂爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

1)水力冲孔造穴施工：采用矿用钻冲一体化装备，由底板抽采巷1向松软、低透气性、瓦斯含量高且难抽采的煤层中施工穿层钻孔2，向钻杆内通入压力为15-20MPa的高压水，对全煤层段进行水力冲孔造穴，形成0.5m-1m直径的水力冲孔造穴洞室3，在洞室周围形成大量的第一裂隙网络4，然后封孔并预留瓦斯抽采孔。

通过水力冲孔造穴，孔洞周围煤体失稳破坏，形成一定范围的裂隙扩展网络，煤层渗透性显著提高，同时造穴洞室周围煤体瓦斯大量解吸，运移至造穴洞室内。

在步骤1)中，水力冲孔造穴采用的压力根据煤层实际坚固性系数来确定，水力冲孔造穴采用的压力随坚固性系数增长而增长；水力造穴洞室的直径根据所需要的抽采范围进行调整。

2)CO₂爆破钻孔施工：由底板抽采巷1向松软、低透气性、瓦斯含量高且难抽采的煤层中施工多个CO₂爆破钻孔5，所有CO₂爆破钻孔5均布在水力冲孔造穴洞室3周围，CO₂爆破钻孔5从底板抽采巷1穿过煤层底板6和煤层7直到煤层顶板8，横贯整个煤层。

3)CO₂爆破：使用液压推送机将CO₂致裂器送入CO₂爆破钻孔5内，向CO₂致裂器内注入压力60MPa以上的液态CO₂，使CO₂致裂器内的定压破裂片破裂实现高压增压物理起爆，从而实现煤层的致裂，在每个CO₂爆破钻孔5的周围形成大量的第二裂隙网络9，且第二裂隙网络9的末端延伸至第一裂隙网络4的末端形成贯通裂隙，促使CO₂爆破钻孔周围解吸的大量瓦斯通过这些贯通裂隙进入水力冲孔造穴洞室3内。

4)瓦斯抽采、监控及驱替：进行煤层瓦斯抽采，并实时监测瓦斯抽采孔的瓦斯浓度变化，当抽采管路中瓦斯浓度低于30％时，向CO₂致裂器内注入5—20MPa的CO₂气体，通过CO₂致裂器的释放孔排入致裂后的煤层中，并发生瓦斯解吸，解吸的瓦斯通过贯通裂隙运移到水力冲孔造穴洞室中，从而完成CO₂对煤层瓦斯的驱替，驱替的瓦斯通过穿层钻孔最后进入抽采管路中，强化煤层瓦斯抽采。注入的CO₂气体完成了对煤层瓦斯的驱替作用，强化了煤层瓦斯抽采。

在步骤1)中，需要进行水力冲孔造穴影响范围考察，具体步骤如下：

1a)施工所要求的特定半径的水力冲孔造穴洞室3：

水力冲孔造穴半径的大小采用钻孔出煤量进行控制，假设形成的造穴洞室为圆柱形，具体采用下式进行计算：

m＝ρV (1)

V＝πr²h (2)

式中：m为钻孔出煤的质量，单位kg；ρ为煤体的密度，单位kg/m³；V为造穴洞室的体积，单位m³；r为造穴洞室的半径，单位m；h为煤层的厚度，单位m；

结合式(1)和式(2)可得水力冲孔造穴半径为：

1b)对造穴钻孔2进行密封，瓦斯抽采，施工探测钻孔10：

如图3所示，造穴钻孔2施工完成后进行密封，然后进行瓦斯抽采，当瓦斯抽采结束后，以造穴洞室3为圆心，在煤层周围0°方向2m处、90°方向3m处、180°方向4m处、270°方向5m处、0°方向6m处、90°方向7m处分别施工6个钻孔10，对6个钻孔的煤层瓦斯含量进行测定，在瓦斯含量<8m³/t的最大距离处即为该造穴半径下的瓦斯抽采影响范围；

在步骤2)中，需要进行CO₂爆破钻孔5的影响范围考察，具体步骤如下：

2a)根据施工现场情况，选用特定半径的钻杆进行CO₂爆破钻孔的施工，并计算CO₂爆破钻孔在爆破后的释放能量；

就近选取施工现场已有的钻杆进行CO₂爆破钻孔的施工。

根据爆破原理，CO₂爆破装置中的CO₂为压缩态或液态时，在其爆破后释放的能量为：

式中：E为爆破产生的能量，单位kJ；P为二氧化碳爆破装置内CO₂的压力，单位MPa；V_CO2为二氧化碳爆破装置的容积，单位m³；k为绝热指数，CO₂取1.295，根据实际CO₂的装液量计算爆破时释放的能量。例如，当定压泄能片的极限压力为200MPa，储液管的容积为1L，装液量为1kg时，液态CO₂爆破时释放的能量764kJ。

2b)待CO₂爆破钻孔爆破完成后进行密封，瓦斯抽采，并施工CO₂爆破钻探测钻孔。

对特定半径和爆破释放能量下的CO₂爆破钻孔进行爆破施工，爆破完成后对CO₂爆破钻孔进行密封，然后进行瓦斯抽采，当瓦斯抽采结束后，以CO₂爆破钻孔为圆心，在煤层周围0°方向2m处、90°方向3m处、180°方向4m处、270°方向5m处、0°方向6m处、90°方向7m处分别施工6个CO₂爆破钻探测钻孔，对这6个爆破钻探测钻孔的煤层瓦斯含量进行测定，在瓦斯含量<8m³/t的最大距离处即为特定半径和CO₂爆破释放能量下的CO₂爆破钻孔瓦斯抽采影响范围。

最好是，步骤4)中，向CO₂致裂器内注入10MPa的CO₂气体进行瓦斯驱替，10Mpa的CO₂气体需要持续注入，直至煤层中瓦斯含量达到要求。

步骤2)中，CO₂爆破钻孔采用环绕水力冲孔造穴最好呈菱形布置。

Claims (5)

1.一种水力冲孔造穴与CO₂爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)水力冲孔造穴施工：采用矿用钻冲一体化装备，由底板抽采巷向松软、低透气性、瓦斯含量高且难抽采的煤层中施工穿层钻孔，向钻杆内通入压力为15-20MPa的高压水，对全煤层段进行水力冲孔造穴，形成0.5m-1m直径的水力冲孔造穴洞室，在洞室周围形成大量的第一裂隙网络，然后封孔并预留瓦斯抽采孔；

2)CO₂爆破钻孔施工：由底板抽采巷向松软、低透气性、瓦斯含量高且难抽采的煤层中施工多个CO₂爆破钻孔，所有CO₂爆破钻孔均布在水力冲孔造穴洞室周围，CO₂爆破钻孔从底板抽采巷穿过煤层底板和煤层直到煤层顶板，横贯整个煤层；

3)CO₂爆破：使用液压推送机将CO₂致裂器送入CO₂爆破钻孔内，向CO₂致裂器内注入压力60MPa以上的液态CO₂，使CO₂致裂器内的定压破裂片破裂实现高压增压物理起爆，从而实现煤层的致裂，在每个CO₂爆破钻孔的周围形成大量的第二裂隙网络，且第二裂隙网络的末端延伸至第一裂隙网络的末端形成贯通裂隙；

4)瓦斯抽采、监控及驱替：进行煤层瓦斯抽采，并实时监测瓦斯抽采孔的瓦斯浓度变化，当抽采管路中瓦斯浓度低于30％时，向CO₂致裂器内注入5—20MPa的CO₂气体，通过CO₂致裂器的释放孔排入致裂后的煤层中，并发生瓦斯解吸，解吸的瓦斯通过贯通裂隙运移到水力冲孔造穴洞室中，从而完成CO₂对煤层瓦斯的驱替，驱替的瓦斯通过穿层钻孔最后进入抽采管路中，强化煤层瓦斯抽采。

2.根据权利要求1所述的水力冲孔造穴与CO₂爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，在步骤1)中，需要进行水力冲孔造穴影响范围考察，具体步骤如下：

1a)施工所要求的特定半径的水力冲孔造穴洞室：

水力冲孔造穴半径的大小采用钻孔出煤量进行控制，假设形成的造穴洞室为圆柱形，具体采用下式进行计算：

m＝ρV (1)

V＝πr²h (2)

式中：m为钻孔出煤的质量，单位kg；ρ为煤体的密度，单位kg/m³；V为造穴洞室的体积，单位m³；r为造穴洞室的半径，单位m；h为煤层的厚度，单位m；

结合式(1)和式(2)可得水力冲孔造穴半径为：

1b)对造穴钻孔进行密封，瓦斯抽采，施工水力冲孔造穴探测钻孔：

造穴钻孔施工完成后进行密封，然后进行瓦斯抽采，当瓦斯抽采结束后，以造穴钻孔为圆心，在煤层周围0°方向2m处、90°方向3m处、180°方向4m处、270°方向5m处、0°方向6m处、90°方向7m处分别施工6个水力冲孔造穴探测钻孔，对这6个水力冲孔造穴探测钻孔的煤层瓦斯含量进行测定，在瓦斯含量<8m³/t的最大距离处即为该造穴半径下的瓦斯抽采影响范围；

在步骤2)中，需要进行CO₂爆破钻孔的影响范围考察，具体步骤如下：

2a)根据施工现场情况，选用特定半径的钻杆进行CO₂爆破钻孔的施工，并计算CO₂爆破钻孔在爆破后的释放能量；

根据爆破原理，CO₂爆破装置中的CO₂为压缩态或液态时，在其爆破后释放的能量为：

式中：E为爆破产生的能量，单位kJ；P为二氧化碳爆破装置内CO₂的压力，单位MPa；V_CO2为二氧化碳爆破装置的容积，单位m³；k为绝热指数，CO₂取1.295，根据实际CO₂的装液量计算爆破时释放的能量；

2b)待CO₂爆破钻孔爆破完成后进行密封，瓦斯抽采，并施工CO₂爆破钻探测钻孔：

对特定半径和爆破释放能量下的CO₂爆破钻孔进行爆破施工，爆破完成后对CO₂爆破钻孔进行密封，然后进行瓦斯抽采，当瓦斯抽采结束后，以CO₂爆破钻孔为圆心，在煤层周围0°方向2m处、90°方向3m处、180°方向4m处、270°方向5m处、0°方向6m处、90°方向7m处分别施工6个CO₂爆破钻探测钻孔，对这6个爆破钻探测钻孔的煤层瓦斯含量进行测定，在瓦斯含量<8m³/t的最大距离处即为特定半径和CO₂爆破释放能量下的CO₂爆破钻孔瓦斯抽采影响范围。

3.根据权利要求1所述的水力冲孔造穴与CO₂爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤1)中，水力冲孔造穴采用的压力根据煤层实际坚固性系数来确定，水力冲孔造穴采用的压力随坚固性系数增长而增长；水力造穴洞室的直径根据所需要的抽采范围进行调整。

4.根据权利要求1所述的水力冲孔造穴与CO₂爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤4)中，向CO₂致裂器内注入10MPa的CO₂气体进行瓦斯驱替，10Mpa的CO₂气体需要持续注入，直至煤层中瓦斯含量达到要求。

5.根据权利要求1所述的水力冲孔造穴与CO₂爆破致裂驱替协同强化煤层瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤2)中，CO₂爆破钻孔采用环绕水力冲孔造穴呈菱形布置。

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