CN113431543A - 一种多脉冲式co2致裂煤层瓦斯治理方法 - Google Patents
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Abstract
一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法，选择在硬分层施工钻孔施工，优选ZDY4000以上钻机进行钻孔施工，低速慢进，排出钻孔内的钻屑，钻孔平直光滑；CO2致裂器采用软连接双向缓冲装置连接，采用两段式封孔技术，封孔器一连接CO2致裂器，封孔器外径为钻孔孔径的40％～50％，使用钻机将封孔器推送到距离孔口15～18m；连接封孔器二，封孔器外径为钻孔孔径的60％～80％，使用钻机将封孔器推送到距离孔口3～5m；两个封孔器使用连接杆连接；采用上述方案，CO2致裂器产生多次高压脉冲射流，对高瓦斯和突出煤层持续性多次冲击，使煤层产生损伤破裂，形成复杂裂缝网络系统，均衡并降低地应力和瓦斯压力，促进瓦斯快速解吸、扩散和运移，均化瓦斯涌出量，提高瓦斯抽采速度和效率。
Description
技术领域
本发明属于高瓦斯和突出矿井瓦斯治理领域，尤其涉及一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法。
背景技术
中国煤矿瓦斯事故的现状是与中国煤矿安全生产的历史分不开的。我国煤矿安全形势趋向好转的同时，瓦斯事故仍然是煤矿安全生产的重大威胁,其占煤矿事故总量的30％以上。根据事故案例统计，2001～2018年全国煤矿共发生瓦斯类事故1752起，死亡11260人。其中瓦斯爆炸事故发生1086起,死亡8230 人,占瓦斯事故总数的62.4％,瓦斯事故总死亡人数的73.4％；煤与瓦斯突出事故共发生551起,死亡2749人,占瓦斯事故总起数的1.2％,占瓦斯事故总死亡人数的 24.8％；斯中毒窒息引起的事故发生115起,死亡226人,占瓦斯事故总数的6.4％, 占瓦斯事故总死亡人数的1.8％。
我国煤矿开采深度由浅部向深部以每年8～12m的速度增加，其中东部矿井开采深度的增加尤为迅速，达到每年10～25m的速度。开采深度越深，煤层赋含的瓦斯压力越大，所受瓦斯等灾害的威胁就越大，更多的瓦斯矿井向高瓦斯矿井或突出矿井转化。在矿井进入深部开采以后，瓦斯涌出量逐渐增加，甚至出现涌出异常的情况。在深部矿井中，煤层压力大，在巷道掘进、采煤作业过程中，更容易出现煤与瓦斯突出，这就为瓦斯事故的防控增加了难度。
经过大量的研究和试验，提出了普遍适用的几种方法：开采解放层、底板岩石巷道上行穿层孔瓦斯抽采、顶板抽采巷道、顶板岩巷下向穿层孔瓦斯抽采；密集钻孔、水力压裂、水力割缝、水力冲孔、水力挤出、密集钻孔、气体驱替、控制预裂爆破等增透卸压方法。以物理的方式在煤体中形成孔洞，进一步形成一定范围的卸压区域，或者爆破方式造成煤体损伤形成大范围裂隙传播演化。这些技术均具有一定局限性，不能大规模推广应用。
CO2致裂技术是非炸药爆破技术，施工全过程中不产生火花，不会引发瓦斯和煤尘事故，操作方便适用范围较广。现有用于瓦斯治理的CO2致裂技术存在的技术问题，包括单根充装量1Kg左右、单孔致裂器串联数量低于15根，并且均采用同一充装量、爆破压力，不产生脉冲式作用效果，瓦斯治理达不到预期效果。
发明内容
本发明为解决现有技术中的不足之处，提供一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法。为高瓦斯、突出煤层CO2致裂煤层瓦斯治理提供现场技术实施指导方法。
为了达到上述发明的目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法，其特征在于以下实施步骤，
(1)在高瓦斯及突出煤层区域根据煤层分布结构，选择在硬分层施工钻孔；
(2)选用ZDY4000以上钻机进行钻孔施工，低速慢进，排出钻孔内的钻屑，钻孔平直光滑，钻孔孔径d为：63～131mm，钻孔深度L为：80～300m；
(3)用欧姆表检测CO2致裂器，其电阻在1.3～1.8Ω之间；
(4)选用不同充装量、爆破压力CO2致裂器置入钻孔，2～4支CO2致裂器为一组，CO2致裂器总长度占钻孔深度L的50％～85％，检测合格的CO2致裂器采用软连接双向缓冲装置，使用钻机逐一将CO2致裂器推入钻孔；
(5)采用两个封孔器进行封孔：其中封孔器一连接CO2致裂器，封孔器二外径为钻孔孔径的40％～50％，使用钻机将封孔器一推送到距离孔口15～18m；连接封孔器二，封孔器外径为钻孔孔径的60％～80％，使用钻机将封孔器推送到距离孔口3～5m；两个封孔器使用连接杆连接。分别将封孔器一、封孔器二注水，压力8～10MPa；
(6)固定CO2致裂系统，防止致裂器飞出钻孔，保证安全施工。调整钻机方位，将钻机液压立柱升起顶在巷道顶板，稳定钻机，使用钻杆链接封孔器二4，并将钻杆牢固在钻机的动力头上，钻杆与动力头之间放置道木，关闭钻机电源；
(7)设置警戒线，禁止所有人员进入施工区域，将导线引置警戒线以外，通电启动钻孔内的CO2致裂系统，完成多次脉冲式CO2致裂施工；
(8)完成多次脉冲式CO2致裂施工后，将致裂系统退卸出钻孔；
(9)实施瓦斯抽采钻孔，进一步瓦斯抽采。
进一步的，为了适应不同煤层的地质条件，步骤(2)所述CO2致裂钻孔间距为6～12m。
进一步的，步骤(4)所述CO2致裂器的充装量为2.0～2.8Kg；爆破压力为 80～300MPa，破裂压力误差小于5％。
进一步的，为保证瓦斯抽采钻孔密封效果，提高瓦斯抽采效果，步骤(9) 所述瓦斯抽采钻孔，钻孔孔径为113mm，深度大于CO2致裂钻孔深度，钻孔间距2、3、5m；注浆封孔深度大于18m，封孔段长度大于8m。
进一步的，所述的CO2致裂工艺和瓦斯抽采工艺施工顺序可以调整先后。
多脉冲式CO2致裂煤层原理：
第一阶段，爆破片破裂后，由于储液管内的超临界CO2发生剧烈大规模核化沸腾效应，形成多个脉冲的压力峰值，储液管内的高温高压混合相的CO2以低频、多脉动方式冲击煤层，煤岩介质受交变应力场的扰动，煤层原始孔隙、裂隙等会使加载力产生应力集中，出现局域的拉伸和剪切变形，导致裂隙扩展和相互连通，形成围绕钻孔四周的放射状裂缝系统。
第二阶段，多相CO2射流由于高压CO2气相的掺入使得流体更容易产生空化气泡，空化气泡和液相压缩的气泡发生溃灭，产生高压脉冲和高速微射流。
第三阶段，高压CO2在裂隙网络中的准静态膨胀阶段。管内泄放速率与气化速率平衡时，储液管内CO2的完全释放在煤层钻孔中，完全汽化的高压CO2 气体沿着前两阶段产生的宏-微观多级裂隙进入煤体内部，使煤体孔裂隙相对表面间的摩擦系数和摩擦阻力降低，积聚在其内部的CO2气体压力升高，对煤体孔裂隙具有“楔开”效应，孔裂隙尖端产生拉应力。当其破坏强度大于煤体的破坏极限时，裂隙尖端形成损伤区域而失稳破
与现有技术相比，采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
(1)采用不同规格CO2致裂器进行实施，差异的爆破压力决定脉动持续时间和脉冲峰值，其发生先后顺序和持续的时间不同，实现对煤层的多次脉冲式作用效果。
(2)采用双向缓冲装置，单孔安装CO2致裂器10～15组，钻孔覆盖率 50％～85％以上，作用效果好；能够适应不同的煤层及钻孔质量，保证整个钻孔的CO2致裂器起爆率在95％以上；
(3)采用两段式封孔技术，采用两种大小不同的规格注水封孔器，提高钻孔的封孔质量。
(4)对于不同煤层地质条件，调整CO2致裂施工工艺和瓦斯抽采孔施工工艺的先后顺序，使得裂缝网络系统复杂化，煤层充分卸压，大幅度提高煤层透气性，均化地应力和瓦斯压力，促进瓦斯快速解吸、扩散和运移，均衡瓦斯涌出量。
附图说明
图1为本发明实施例1实施方案示意图；
图2为实施例2管内120MPa压力时程曲线图；
图3为实施例2管内185MPa压力时程曲线图；
图4为实施例3CO2致裂器管外爆破压力曲线图；
图5为实施例4的瓦斯涌出量监测曲线图。
具体实施方式
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明的一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法，采用设备包括导向9、三种不同致裂器5、6、7封孔器一2和4、钻杆3、钻机1、等。采取上述技术方案，具体实施方式为：
(1)CO2致裂器参数选取：
根据瓦斯地质条件，选取3种规格CO2致裂器5、6、7，及不同爆破压力，同种规格爆破压力相同，3支CO2致裂器为一组，CO2致裂器按照不同的充装量和爆破压力进行组装，组装后充装液态CO2。
(2)CO2致裂钻孔施工方法：
(a)钻孔定位：根据煤层结构11确定开孔位置，按照设计钻孔参数调整钻机1；
(b)钻孔钻进，打起钻机1立柱，钻机固定稳定；严格控制钻孔10的开孔位置、钻孔及钻孔方位角；遵循低压慢速，边进边退，定深洗孔，掏空前进的原则；
(c)洗孔：每钻进1.5m，洗孔一次。
(3)CO2致裂瓦斯治理现场实施：
(a)导向9连接在致裂器的前端，导向为圆锥状，上设置有接线柱；
(b)3种致裂器为一组，依次连接，两个致裂器之间使用双向缓冲器连接；
(c)缓冲器有连接套、连接销、缓冲垫等组成，在受到剧烈冲击时，缓冲垫可以起到双向缓冲的作用；
(d)注水封孔器二4与CO2致裂器连接，注水封孔器为滑动式沟槽密封结构，采用六层钢丝环绕结构，注水口设置在封孔器二4前端，与手压泵连接，通过手压泵可以控制封孔器，注水使封孔器膨胀，泄水使封孔器收缩；封孔器一2连接钻杆3，钻杆为合金钻杆，内置导电电缆，一端与封孔器二4连接，一端与另一支钻杆3连接；2号注水封孔器两端与钻杆连接，作用原理同封孔器一 2；
(e)钻杆3延伸到钻孔10孔口，与钻机1连接，调整钻机1方位，将钻机液压立柱升起顶在巷道顶板，稳定钻机，使用钻杆3链接封孔器一2，并将钻杆牢固的顶在钻机的动力头上，钻杆与动力头之间放置道木，关闭钻机电源，将放炮线引置警戒线以外，通电，启动钻孔内的CO2致裂器；
(f)等待30min后进入现场，首先将封孔器一2卸压，等待10min后，将封孔器二4卸压；使用钻机将CO2致裂器从钻孔中退出。
(4)抽采钻孔的实施：
为缩短瓦斯治理时间，根据CO2致裂技术的有效影响半径，CO2致裂钻孔间距12m。CO2致裂钻孔之间布置抽采钻孔，钻孔孔径为113mm，深度大于CO2 致裂钻孔深度，钻孔间距3m、4m、5m、6m；CO2致裂钻孔和抽采钻孔施工顺序可以调整；注浆封孔深度大于18m,封孔段长度大于8m。
实施实例2
采用Omega压力传感器对爆破压力120MPa和185MPa CO2致裂器爆破片破裂前后储液管内压力时程曲线测试。图2和3分别给出120MPa和150MPa 压力时程测试曲线。压力时程曲线反映了爆破片破裂前后的整体压力呈先增后降的多压力峰值脉动变化规律。
图2采集到的数据可知，120MPa的CO2致裂器爆破时最大压力为106.76MPa(15481.167psi)，从记录的数据到最大压力共耗时14.826ms，从开始反应到冲破爆破片压力降到最低这一反应过程耗时47.502ms。图3测试曲线显示，185MPa的CO2致裂器爆破时最大压力为211.12MPa(30602.828psi)，从记录的数据到最大压力共耗时10.399ms，从开始反应到冲破爆破片压力降到最低这一反应过程耗时59.601ms。
实施实例3
采用Omega压力传感器对爆破压力185MPa的CO2致裂器在装满水的密封钢管进行压力时程曲线测,见图4。管外压力时程曲线呈现多峰值、脉冲式震荡增加至压力最高峰，然后快速下降至最低点规律。
作为优选方案，采用三种规格不同的CO2致裂器产生的爆破压力与压力持续时间不同，导致煤层可以达到多次、多压力、多持续时间的脉动改造效果。
实施实例4
玉溪煤矿隶属于山西兰花集团。主采山西组3号煤层，3#煤层原煤瓦斯含量15.43～18.68m3/t，瓦斯压力为1.50～1.65MPa；百米钻孔自然初始瓦斯涌出强度0.0559～0.091m3/(min.100m)，煤层钻孔瓦斯涌出衰减系数为0.042～0.046d-1；煤层透气性系数为0.134～0.26m2/MPa2.d，属于可以抽放类型。瓦斯放散初速度△P为25.2～27.8，煤的坚固性系数f值0.45～1.09之间，属于煤与瓦斯突出矿井。
玉溪煤矿为煤与瓦斯突出矿井，采取底抽巷穿层钻孔进行区域治理。按照瓦斯抽放设计，南底抽巷距离3#煤层底板平均14m，水平方向距离两个顺槽的距离是20m、45m，北底抽巷距离3#煤层底板平均31m，水平方向距离三个回风巷的距离是20m、55、80m，底抽巷穿层每60m设计一个钻场，每个钻场设计8-13排钻孔，共计63～103个钻孔，终孔距离6.8m，单个钻场钻孔累计进尺 3684～7000m。按照抽放设计，预计273天可以将瓦斯含量降低到8m3/t，实现区域瓦斯抽采达标。
对1301北底抽巷和1301底抽巷联络巷进行区域效果检查，1301北底抽巷最大残余瓦斯含量为6.5m3/t，瓦斯压力为0.3MPa；1301底抽巷联络巷最大残余瓦斯含量为7.8m3/t，瓦斯压力为0.46MPa。但是由于钻孔长度较大(最长钻孔124m，其中岩孔段100m，煤孔段24m)，钻孔轨迹较难控制，导致煤层瓦斯抽采存在一定的盲区，瓦斯抽采不均匀，抽采效果差。
针对上述问题，2018年7月10日，采用本发明的一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法，对煤层进行多脉冲致裂实施方案。致裂钻孔开孔位置位于中部硬煤层距离顶板1.8m，平行巷道掘进方向钻进，钻头直径113mm，钻孔孔深80m，间距12m，采用上述封孔器一2、封孔器二4对钻孔封孔，封孔器一的封孔深度17m，封孔器二的深度为4m；CO2致裂器爆破压力为120MPa、150MPa、 185MPa，单支液态CO2充装量分别为2.2Kg、2.6Kg。
采用上述方案后，1301回风3巷煤巷掘进期间煤头及回风流中瓦斯浓度变化趋势见图5。煤巷掘进期间回风流瓦斯浓度明显稳定，瓦斯涌出趋于均匀化，瓦斯涌出峰值由最大浓度2.04％降至0.3％～0.4％，回风流瓦斯涌出峰值由1.46％降至0.4％。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.根据权利要求1所述的一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在高瓦斯及突出煤层区域根据煤层分布结构，选择在硬分层施工钻孔；
(2)选用ZDY4000以上钻机进行钻孔施工，低速慢进，排出钻孔内的钻屑，钻孔平直光滑，钻孔孔径d为：63～131mm，钻孔深度L为：80～300m；
(3)用欧姆表检测CO2致裂器，其电阻在1.3～1.8Ω之间；
(4)选用不同充装量、爆破压力CO2致裂器置入钻孔，2～4支CO2致裂器为一组，CO2致裂器总长度占钻孔深度L的50％～85％，检测合格的CO2致裂器采用软连接双向缓冲装置，使用钻机逐一将CO2致裂器推入钻孔；
(5)采用两个封孔器进行封孔：其中封孔器一连接CO2致裂器，封孔器二外径为钻孔孔径的40％～50％，使用钻机将封孔器一推送到距离孔口15～18m；连接封孔器二，封孔器外径为钻孔孔径的60％～80％，使用钻机将封孔器推送到距离孔口3～5m；两个封孔器使用连接杆连接。分别将封孔器一、封孔器二注水，压力8～10MPa；
(6)固定CO2致裂系统，防止致裂器飞出钻孔，保证安全施工。调整钻机方位，将钻机液压立柱升起顶在巷道顶板，稳定钻机，使用钻杆链接封孔器二4，并将钻杆牢固在钻机的动力头上，钻杆与动力头之间放置道木，关闭钻机电源；
(7)设置警戒线，禁止所有人员进入施工区域，将导线引置警戒线以外，通电启动钻孔内的CO2致裂系统，完成多次脉冲式CO2致裂施工；
(8)完成多次脉冲式CO2致裂施工后，将致裂系统退卸出钻孔；
(9)实施瓦斯抽采钻孔，进一步瓦斯抽采。
2.根据权利要求1所述的一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法，其特征在于：CO2致裂钻孔间距为6～12m。
3.根据权利1要求所述的一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法，其特征在于：CO2致裂器的充装量为2.0～2.8Kg；爆破压力为80～300MPa，破裂压力误差小于5％。
4.根据权利要求1所述的一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法，其特征在于：瓦斯抽采钻孔，钻孔孔径为113mm，深度大于CO2致裂钻孔深度，钻孔间距2、3、5m；注浆封孔深度大于18m，封孔段长度大于8m。
5.根据权利要求1所述的一种多脉冲式CO2致裂煤层瓦斯治理方法，其特征在于：CO2致裂工艺和瓦斯抽采钻孔工艺先后顺序可以调整。
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