机巷掘进条带煤层瓦斯CO2致裂增透治理技术运用

机巷掘进条带煤层瓦斯
CO2致裂增透治理技术运用
姓名：徐华
单位：六枝工矿（集团）化处煤炭分公司日期： 2016年4月
前言
化处煤矿主采7号层，属单一煤层开采，不具备保护层开采条件，为解决煤层透气性差、瓦斯抽采工艺有待提高、现有瓦斯抽采技术预抽困难，煤层松软，抽采钻孔经常出现塌孔、卡钻、喷孔现象，钻孔流量不稳定、衰减很快，流量只能稳定在一月内，有的甚至更短，难以保证抽采效果，瓦斯治理投入大等问题。

按照国家“先抽后釆、监测监控、以风定产”的瓦斯治理方针，坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则，我矿于2015年底在北一采区1076机巷选择使用CO2致裂增透解吸技术，增加煤层透气性，提高抽放效果。

一、CO2致裂增透解吸技术原理
CO2在31℃以下，7.2MPa压力时以液态存在，1kg液态CO2吸收60KJ的热量能够汽化，当温度超过31℃时，无论压力多大，液态CO2将在40ms内汽化。

CO2正常存放和运输不会激活液态CO2，CO2汽化产生高压波，致裂煤层增透，提高瓦斯抽采效率。

利用C02的亲煤特性和其膨胀过程对煤层吸附瓦斯的驱赶，实现解吸，促进游离，使煤层透气性和瓦斯游离度双重提高。

在具有突出威胁的煤层中使用，可安全有效地卸压煤层中“瓦斯突出源”，根据该技术的基本原理结合1076机巷实际情况，在1076机巷选用该技术治理瓦斯。

二、1076机巷条带实施CO2致裂增透解吸技术可行性和必要性
1、CO2致裂增透解吸技术的可行性
二氧化碳致裂增透解吸技术在国际上发展历史较长，主要用于井下煤炭开采、地面建筑拆迁、大块石料破碎、水泥窖炉和煤仓清堵等，煤炭开采则以增加块煤率，提高煤炭价格为目的。

这类二氧化碳炮CARDOX只有四米长,仅适用于局部爆破作业，但不适合低渗煤层致裂
增透抽采。

在国内，晋城市鑫曜科技矿山服务有限公司和山西锦浩城科技有限公司合作一直致力于CO2致裂技术的开发研究工作，2008年CO2煤层致裂器列入国家计划（国家安监局[2008]47号文“国家安监总局关于印发2008年度安全科技发展计划的通知”中，把二氧化碳致裂技术研发和应用列入国家计划），2009年10月1日研制成功了适合于煤与瓦斯突出快速消突、高瓦斯低透气性煤层致裂增透、高浓度大流量抽采的CO2致裂器（包括：开发研制了深孔多个开采器的快速连接件、开发研制了第三代大功率产品和深孔及群孔按先后顺序可控引发系统和热反应材料的生产包装等工艺项目）。

2011年11月16日获国家发明专利（专利号：ZL2010 1 0155037.3）。

CO2致裂技术先后在潞安集团高河煤矿（高瓦斯煤层区域瓦斯治理本煤层快速抽采）、兰花集团（高瓦斯煤层区域瓦斯治理本煤层快速抽采）、晋城集团长平煤矿（高瓦斯煤层区域瓦斯治理本煤层快速抽采）、阳泉集团寺家庄煤矿（突出煤层掘进条带瓦斯治理穿层钻孔快速抽采）、水矿集团大湾煤矿（突出煤层掘进条带瓦斯治理穿层钻孔快速抽采消突和石门揭煤快速高效抽采消突）、六枝工矿集团玉舍煤业（强突出煤层掘进条带瓦斯治理本煤层顺层条带致裂快速掘进）等各种煤层条件下进行了工业性试验和推广应用并均获得了成功。

2012年8月25日经山西省科学技术厅组织相关专家进行了成果鉴定，鉴定结果为“该项目在将液态CO2应用于煤矿井下煤层致裂增透、提高瓦斯抽采效率方面达到国际领先水平”。

2015年5月5日致裂器取得矿用产品安全标志（安全标志编号：
MFA150099）。

用于煤层致裂增透的“CO2煤层致裂器”和相关技术已经成熟。

拥有十余项专利，包括两项已授权的实用新型专利、九项已受理的实用新型专利、一项授权发明专利。

经2011年查新，确认该发明专利为目前全世界独有。

该技术部分装备、致裂工艺和技术以及配套抽采技术全部完善，已在全国各煤矿企业大规模应用和推广，达到加速煤矿瓦斯抽采效率、缩短抽采时间、提高采掘效率和保障煤矿安全生产目的。

CO2致裂煤层瓦斯增透解吸技术2015年5月已被国家发展和改革委员会列入第二批《国家重点推广的低碳技术目录》（序号23）。

综上所述：CO2致裂技术是一项能够有效解决煤矿煤层瓦斯安全问题、实现瓦斯高浓高效快速抽采利用、节能减排和低碳环保具有国际先进水平的成熟技术。

2、CO2致裂增透解吸技术的必要性
由于1076机巷条带所在煤层为原始煤体，为松软（坚固性系数0.375）、低透气性高吸附强突出性煤层，采取常规穿层钻孔抽采法不仅抽采钻孔工程量大、成本高、抽放时间长、效果差。

而且由于钻孔间距小、密度高、封孔难度大、极易因孔间裂隙造成窜孔和形成抽采盲区。

因此采取先进的CO2致裂增透解吸技术，提高瓦斯治理效果和抽采效率、降低抽采成本是必要的。

2.1通过CO2致裂增透解吸技术研究和实施，利用煤体对CO2的吸附率是瓦斯8倍的特性；使大量吸附瓦斯被CO2驱离变为游离瓦斯，依据大量推广实践使得低透气高吸附强突出性煤层的瓦斯治理效率能够比原有的抽采效率提高10倍以上，达到安全快速抽采和消突的
目标；
2.2运用CO2致裂增透解吸技术比传统的瓦斯治理技术少打一半以上的钻孔。

同时CO2致裂不会对煤体造成破坏，反而由于大量CO2被煤体吸附将瓦斯趋赶替换解吸成为游离瓦斯，使煤体强度提高有利于抽采和顶板管理。

2.3化处矿井煤层透气性较差，且属于难抽煤层，根据该技术的应用特点形成适应化处煤矿低透气高吸附强突出性煤层的瓦斯治理
技术和工艺。

2.4通过测试CO2致裂技术在低透气高吸附强突出性煤层中的物理性能，建立完整的瓦斯治理办法，结合测试数值进行理论分析并提出合理的致裂参数。

2.5运用CO2致裂对煤层裂隙及透气性的影响，做出高压气体对煤层的致裂强度及高压气体使用量的界定。

三、CO2致裂增透解吸技术钻孔布置施工要求
从1076中巷向1076机巷条带施工CO2致裂增透解吸钻孔抽放机巷条带瓦斯。

按巷道轮廓线往外上下各15m的控制范围进行布孔，共16组64个钻孔，钻孔的致裂半径采用现场实际经验及数据分析为6m。

每组布置4个致裂孔，组间距为10米。

采用Ø75mm的钻杆配Ø94mm钻头进行施工，施工过程中要固定好钻机位置，严格按设计参数施工，采用慢速推进，保证孔身直，内壁光滑、孔内干净。

施工致裂抽放钻孔时，避免与邻近孔打穿或者距离太近，防止致裂的时候高压气体从邻近孔喷出，影响致裂效果。

为防止塌孔，致裂孔当天成孔或提前一天成孔较好。

四、致裂的工艺流程及技术要求：
（一）致裂器安装
1、按操作程序C02致裂增透器逐个按次序连接在一起，并逐节检查电路情况，当电路状况完好后将C02致裂增透器推进钻孔内。

2、当推入孔内的C02致裂增透器的数量达到要求时。

在将封孔器与致裂器连接，连接封孔器所使用的封孔高压管路、测试孔内压力管路以及导出发爆母线，将所有管路连接稳固，并将其固定于顶杆之上，随着顶杆的推进而逐步将线路导出。

3、当顶杆推入到符合设计的封孔深度时，停止推进。

封孔规定：封孔深度按照打钻时的见煤点深度为依据。

见煤点往孔口方向封孔长度为4m。

致裂孔见顶停钻。

4、封孔
当孔内所有设备连接可靠，测试导线的电阻稳定后，将高压打压管路连接至注水压力泵，测压管路连接至测试压力表上。

然后可利用注水式打压泵对孔内的封孔器进行注水打压。

封孔器注水打压达到4—6Mpa后，对可调式顶杆进行加力，使致裂器全部固定实。

做到万无一失。

致裂器材连接示意图
（二）起动致裂
1、致裂前由专职瓦斯检查员测量作业地点附近的瓦斯、CO2浓度，待瓦斯浓度低于0.8%、CO2浓度低于0.5%方可开始作业。

2、为保证致裂期间的安全，启动致裂时要布置警戒线，安排专人在警戒线处站岗，严禁其他人员进入，警戒处人员没有得到撤除警戒命令前，不得私自撤除警戒。

3、启动致裂前，必须指定专人对周围的电器设备进行检查，保证警戒区内的电器设备完好无失爆，方可启动致裂。

4、将发爆母线引至防突风门外，检查整个电路系统完好无失爆现象后，将发爆母线连接发爆器，充足电压激活C02致裂增透器，释放出高压C02对煤体进行深孔致裂增透。

5、致裂后孔内保压时间：
致裂后要随时观测孔内的瓦斯压力，保压一般15分钟。

（三）致裂器拆除
致裂完成15分钟后由专职瓦检员及时对致裂孔附近20m范围内瓦斯CO2浓度进行检查，当瓦斯浓度低于0.8%时，CO2浓度低于0.5%时，人员才能进入致裂地点进行拆除工作。

1、当孔内的压力降至O.2Mpa时，打开低压测试阀门，直至其降低到小于0.1Mpa，保证孔内无压力后，方可组织人员进行拆卸。

2、拆卸前，首先进行封孔器的卸压，在卸压期间致裂孔孔口5米范围内严禁站人，缓慢将封孔器内的水全部放出。

3、封孔器卸压完毕后，启动钻机将封孔器及致裂器一起退出。

4、若发生致裂器卡在钻孔内不好拔出等问题时，可上下抽送致裂器数次，缓慢拔出，不可强行硬拔。

5、致裂器取出后逐根检查并测量电阻，确认是否成功爆破，如有异常，杜绝继续使用，并在上紧后仔细查找原因。

6、拆除人员必须认真对致裂过的C02致裂增透器进行认真的清点，尤其是长期放在井下反复使用的设备，要进行认真的清理、维护保养，并将其放在干燥，通风良好的地方，将使用过的致裂器回收。

（四）封孔接抽
1、施工要求：致裂钻孔中的致裂器全部拆除完毕后煤体部分下筛管并进行封孔，封孔长度不小于10m。

2、封孔材料及设备：封孔杆采用直径50mmPVC管加工，钻孔孔
口及末端段封孔材料为赛瑞、棉纱，封孔长度为1m。

中间段封孔为水泥浆，水泥采用普通水泥、膨胀水泥。

3、采用“两堵一注”封孔工艺进行封孔，普通水泥按照灰水比1:1配比，膨胀水泥按照灰水比2:1配比。

4、注浆压力为0.5～4Mpa，注浆管采用5mm的塑料软管，利用
ZY-1200或ZY-2300型钻机油泵为动力，利用钻机操作台进行带压注浆封孔。

五、安全防范技术措施
1、致裂期间致裂区域需全部撤人，并设好警戒，严格按照按相关规定执行；
2、施工每组致裂钻孔时，必须先施工每组的地质钻孔，探清煤层厚度及顶底板变化情况，保证抽放钻孔能控制机巷轮廓线上下15m 范围。

3、施工地点加强通风瓦斯管理，施工地区要形成独立回风系统，在进风侧建立两道坚固的符合《煤矿安全规程》规定的反向风门。

4、在施工钻孔期间，回风侧按规定安设监测探头，监测探头必须可靠，报警浓度：≥0.8%，断电浓度：≥1.5%，复电浓度：＜0.8% （人工复电）。

断电范围：钻机及其回风流电器设备。

回风系统的供
电设备要确保安全可靠、无失爆。

5、致裂前后，由专职瓦检员测量作业地点附近20m范围内风流中瓦斯和CO2浓度，当瓦斯浓度低于0.8%、CO2浓度低于0.5％时，方可继续其他作业。

致裂前后对致裂孔内的浓度，自涌量进行观测。

6、在钻孔施工过程中，孔内有劲、顶钻、终孔时均要校测残尺，计算深度，并认真做好原始记录。

7、在实施致裂前，必须对“三条生命线”、避难硐室、反向风门组织一次检查，保证致裂期间的安全。