李俊堂

低滲透煤層液態(tài)CO2壓裂增透研究

李俊堂

(山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司，山西 呂梁市 033000)

針對高瓦斯低的難題，滲透煤層抽采效率低，以山西某煤礦為實(shí)驗(yàn)礦井，基于液態(tài)CO2壓裂本構(gòu)模型，采用FLAC數(shù)值模擬軟件對液態(tài)CO2壓裂后的影響區(qū)域進(jìn)行分析，確定了鉆孔間距，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了應(yīng)用分析，研究結(jié)果表明，液態(tài)CO2爆破壓裂最優(yōu)的鉆孔爆破間距為8.5 m；液態(tài)CO2爆破后具有很好的消突效果，爆破后瓦斯抽采濃度增加了45.7%；液態(tài)CO2爆破后，煤層透氣性大幅提高，煤層透氣性系數(shù)提高了 18.3倍。

煤礦安全;液態(tài)CO2;數(shù)值模擬;壓裂增透

0 引 言

我國煤層開采已進(jìn)入深部開采階段，最大開采深度已達(dá)1400 m，深部開采面臨“三高一低”的問題，煤層透氣性低，瓦斯抽采難度增大，而卸壓增透技術(shù)是解決低滲透煤層的有力武器[1-4]。

對于卸壓增透技術(shù)，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。龐成[5]采用水力壓裂技術(shù)在白皎煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，針對該礦的地質(zhì)特征以及煤層賦存條件，分析了水力壓裂的力學(xué)機(jī)制，通過模擬計(jì)算了該礦的水力壓裂技術(shù)參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，水力壓裂后，單孔瓦斯抽采量是非壓裂區(qū)域的6.7倍，同時，水力壓裂半徑可達(dá)到80 m以上，水力壓裂后瓦斯抽采鉆孔施工量減少了33%，施工時間得到大幅降低；鄭迅[6]以丁56～22240工作面為試驗(yàn)工作面，針對該工作面長期瓦斯異常現(xiàn)象，采用深孔松動爆破技術(shù)進(jìn)行瓦斯治理，闡述了深孔松動爆破治理瓦斯機(jī)理，并給出了深孔松動爆破鉆孔裝藥流程，松動爆破后該工作面風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺３衷?.32%左右，且在工作面回采過程中，沒有出現(xiàn)瓦斯異?，F(xiàn)象；張建軍等[7]針對煤礦煤層低滲透的問題，采用液態(tài)CO2技術(shù)進(jìn)行壓裂，闡述了液態(tài)CO2爆破增透機(jī)理，并對壓裂過程中裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明，液態(tài)CO2增透技術(shù)可以產(chǎn)生高壓氣體、沖擊波，液態(tài)CO2增透爆破最終形成以爆破孔為中心的粉碎區(qū)、破裂區(qū)和震動區(qū)3個 區(qū)域。

以上學(xué)者針對低滲透煤層卸壓增透技術(shù)主要采用的是松動爆破、水力壓裂、液態(tài)氮?dú)鈮毫?種方法，前2種壓裂技術(shù)存在一定安全隱患，第3種方法由于其吸附性弱于甲烷，因此，效果極差，本文以山西某礦為試驗(yàn)礦井，采用液態(tài)CO2技術(shù)進(jìn)行壓裂增透。

1 CO2增透機(jī)理

CO2氣相壓裂增透技術(shù)主要是CO2由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程中體積迅速變大，讓煤層產(chǎn)生裂隙并且進(jìn)一步發(fā)育，使得煤層中的瓦斯流通通道進(jìn)一步增多，流速加快。在CO2由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的瞬間，能夠使得煤層產(chǎn)生大量裂隙，煤層中被壓實(shí)的裂隙重新被打開，煤層滲透率、透氣性得到有效提高，煤層中吸附狀態(tài)的瓦斯大量轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)的瓦斯。同時，CO2吸附能力大于瓦斯吸附能力，瓦斯被CO2置換出來，瓦斯通過裂隙流出，極大地降低了煤層中的瓦斯含量[8-16]。其裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CO2壓裂系統(tǒng)

2 CO2壓裂模擬

2.1 模型建立

采用FLAC數(shù)值模擬對CO2壓裂裂隙發(fā)育特征進(jìn)行數(shù)值模擬。壓裂模型為50 m×35 m×5 m。在模型中心位置布置壓裂鉆孔，壓裂鉆孔設(shè)置為97 mm，壓裂鉆孔設(shè)置長度為20 m，裝入CO2的量為1.5 kg，瞬時最大沖擊力為300 MPa，相關(guān)參數(shù)煤層容重為1.42 g/cm3，剪切模量為0.48 GPa，煤層內(nèi)聚力為1.1 MPa，煤層單軸抗拉強(qiáng)度為0.58 MPa，煤層體積模量為1.39 GPa。

圖2 模型建立

2.2 模擬結(jié)果與分析

數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)爆破鉆孔的間距為12 m時，由于爆破沖擊半徑小于6 m，因此，大部分煤層沒有受到液態(tài)CO2的沖擊，煤層沒有受到影響，沒有起到壓裂作用；當(dāng)爆破鉆孔間距為10 m時，爆破有效區(qū)域大幅度提高，僅有很小的一部分沒有受到影響；當(dāng)爆破鉆孔的間距為8 m時，整個煤層區(qū)域全部被液態(tài)CO2沖擊波影響，爆破區(qū)域不存在未被壓裂的區(qū)域，效果較好。綜合以上模擬結(jié)果以及鉆孔施工量的成本問題，將爆破鉆孔布置為8.5 m時，就可以達(dá)到最好的壓裂效果[12-17]。

3 應(yīng)用分析

3.1 鉆孔布置

按照數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行鉆孔布置，鉆孔直徑設(shè)置為97 mm，鉆孔深度為60 m，具體布置如圖4所示，壓裂裝置如圖5所示。

3.2 效果分析

（1）消突效果。壓裂過程中對工作面巷道瓦斯進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，其數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，工作面進(jìn)行CO2爆破后，其1值多在0.37～0.41 mL/(g?min1/2)，值多集中在1.8～2.1 kg/m之間，瓦斯含量為6.49 m3/t。說明進(jìn)行CO2爆破后具有很好的消突效果。

圖4 鉆孔布置

圖5 壓裂裝置

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

（2）增透技術(shù)。對CO2壓裂后瓦斯抽采濃度進(jìn)行分析，爆破后瓦斯抽采濃度增加了45.7%，經(jīng)分析，CO2爆破后，產(chǎn)生大量的裂隙，同時，吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)的瓦斯，這些瓦斯經(jīng)爆破產(chǎn)生的裂隙進(jìn)入瓦斯抽采巷道里，同時，CO2的吸附能力明顯高于甲烷，使得瓦斯抽采保持高水平狀態(tài)。

（3）煤層滲透率。液態(tài)CO2壓裂結(jié)束后對壓裂后的煤層透氣性進(jìn)行測試分析，發(fā)現(xiàn)煤層透氣性由壓裂前的0.068 m2/(MPa2?d)升高到壓裂后的1.25 m2/(MPa2?d)，煤層透氣性系數(shù)提高了18.3倍，保證了瓦斯抽采效果。

4 結(jié) 論

基于液態(tài)CO2壓裂本構(gòu)模型，采用FLAC數(shù)值模擬軟件對液態(tài)CO2壓裂后的影響區(qū)域進(jìn)行分析，確定了最佳鉆孔間距，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了應(yīng)用分析，得出以下結(jié)論：

（1）運(yùn)用數(shù)值模擬以及有效鉆孔間距理論，得出最優(yōu)的鉆孔爆破間距為8.5 m。

（2）液態(tài)CO2爆破后具有很好的消突效果。

（3）爆破后瓦斯抽采濃度增加了45.7%，CO2爆破后，產(chǎn)生大量的裂隙，同時，吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)的瓦斯，這些瓦斯經(jīng)爆破產(chǎn)生的裂隙進(jìn)入瓦斯抽采巷道里，同時，CO2的吸附能力明顯高于甲烷，使得瓦斯抽采保持高水平狀態(tài)。

（4）液態(tài)CO2爆破后，煤層透氣性由壓裂前的0.068 m2/(MPa2?d)升高到壓裂后的1.25 m2/(MPa2?d)，煤層透氣性系數(shù)提高了18.3倍。

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(2018-12-06)

李俊堂(1964—)，男，主要從事煤礦安全的研究與管理工作，Email:3042994613@qq.com。