摘要：建新公司井田回采至42盘区时，出现瓦斯异常区域。由于煤层厚度、顶底板岩性及瓦斯赋存差异导致煤层瓦斯分布不均匀，特别是煤层透气性差、吸附性强、瓦斯解吸慢，给煤层瓦斯预抽带来了极大的难题。在采取CO2预裂增透技术后，可以促使工作面未回采区煤层产生新的裂隙，增加煤层透气性、增大钻孔瓦斯抽采半径，另外预裂后，使煤体产生更多裂隙，极利于顶煤的回收，也提高了顶煤回收率。
关键词：煤层；二氧化碳预裂；瓦斯；抽采
1.问题的提出
建新煤化公司回采至42盘区时，由于煤层厚度、顶底板岩性及煤层原始赋存瓦斯差异导致工作面瓦斯分布不均匀。为主动采取措施，超前治理瓦斯，主要以采空区埋管、上隅角插管、卸压区高低位裂隙钻孔和未采区深孔预抽开展瓦斯抽放为主、风排为辅的方案积极开展瓦斯治理工作。但由于煤层透气性差，本煤层瓦斯预抽效果较差，预抽浓度在0.5%—1%之间，如何进一步提高本煤层瓦斯预抽效果，提高钻孔利用率，就成为了瓦斯治理方面的难题。
2.CO2预裂增透技术原理及特点
在爆破孔内装入预先注入液态CO2的爆破管，并将其与低压起爆器间连接；接通电流引爆爆破管的起爆头后，管内CO2迅速从液态转化为气态，当爆破管内气态CO2压力达到预设压力时，释放头内的破裂盘被打开，CO2气体透过排放孔迅速向外爆发，瞬间产生强大的膨胀能破碎煤体，膨胀系数为600倍，从而达到煤体预裂效果，增加透气性系数的目的。
3.主要技术创新点
3.1 CO2预裂爆破全过程没有火花外露,?安全度高。
3.2 采用低压起爆器,?起爆电压只有9V,?安全可靠。
3.3 通过预裂技术，提升煤层透气性，提高瓦斯预抽效果。
3.4 同水力压裂、水力割缝相比，CO2预裂爆破高效增透技术和装备的作用范围更大、效果更好、系统更简单、操作更灵活。
3.5 该技术的单孔预裂有效半径在10m以上，在较难抽采煤层中瓦斯抽出浓度可由原来的2-3%骤升至5-10%，瓦斯抽采纯量也相应增加，从而大幅度减少钻孔工程量、简化抽采系统、降低抽采成本，极大地提高了抽采效率。
3.6 CO2预裂增透技术投入实施后，有效的增加了煤层透气性，增大了瓦斯抽放钻孔抽放半径，提高了瓦斯抽放浓度和流量，在较短的时间了将煤层瓦斯进行释放，便于抽放高浓度的瓦斯。而预裂产生的裂隙，也让综放工作面放顶煤作业难度降低，避免了顶板完整条件下顶煤不易回收的问题，提高了采面顶煤回收率。
3.7 CO2预裂器可回收、重复使用。一定程度上也降低了预裂成本。
4.二氧化碳预裂钻孔的布置
建新煤化公司4207综放面设计预裂钻孔60个（为与预裂效果进行比较，4207工作面中1—9#、11—13#、25—29#钻场未进行二氧化碳预裂）钻场中钻孔为扇形孔布置，其中走向本煤层预裂钻孔15个，倾向本煤层预裂钻孔45个，实际预裂钻孔57个，其中预裂走向本煤层钻孔13个，共安装预裂器347根，平均安装预裂器 27根；预裂倾向本煤层钻孔44个，共安装预裂器1181根，平均安装预裂器 27根。
图1 建新矿瓦斯预裂钻孔布置示意图
5 使用效果
5.1.1瓦斯抽放钻孔瓦斯浓度明显增加
建新矿4207工作面预裂前预裂钻孔平均瓦斯浓度1.23%，预裂后平均瓦斯浓度为5.68%，预裂后平均瓦斯浓度是预裂前的4.62倍。
5.1.2在透气性较低煤层中效果明显优于透气性较高煤层
建新矿煤层透气性系数为0.20—0.33m2/(MPa2·d)，预裂后平均瓦斯浓度是预裂前的4.62倍。
5.1.3预裂钻孔浓度衰减比不预裂钻孔快
预裂钻孔瓦斯浓度普遍衰减较快，由于预裂，钻孔裂隙范围扩大，部分吸附瓦斯转换游离瓦斯，开始抽放时，预裂钻孔瓦斯浓度明显高于未预裂钻孔瓦斯，但抽放一段时间后，预裂钻孔瓦斯浓度明显降低，衰减速度较快，1周以后与未预裂瓦斯浓度基本持平，抽放1个月后，预裂相比未预裂钻孔瓦斯浓度略低。
5.1.4延长了瓦斯预抽时间
建新4207综放面未预裂钻场设计走向本煤层17个，倾向本煤层4个，预裂钻场设计走向本煤层8个，倾向本煤层25个，钻孔量减小36%，预裂后减少钻孔施工288个，每个钻场施工时间缩短4天，总工期缩短了96天。
5.1.5抽放半径明显增大
建新矿4207回顺预裂较不预裂钻场施工钻孔少12个孔，但钻场间距80m未改变，钻场钻孔整体抽放瓦斯量略增大，瓦斯残存量略减小，综合比较，瓦斯抽放半径为增大状态。经西安科技大学对4-2煤层瓦斯抽采半径及巷道松动圈测定显示建新矿钻孔瓦斯抽采半径为2～2.5m，预裂后钻孔抽采半径由2～2.5m增加至6.5m，抽采半径增大2.5倍。
5.1.6“全煤”比“夹矸”好
全煤地质条件区域比煤层中有夹矸或地质变化带的区域预裂效果好。建新矿4207工作面煤层夹矸0.2m～1.0m，平均0.6m，对CO2预裂效果造成一定的影响，减小了预裂半径。4207工作面靠近切眼钻场预裂钻孔预裂后平均瓦斯浓度为0.47%，工作面中前部钻场预裂钻孔预裂后平均瓦斯浓度为0.82%，明显不含夹矸煤层预裂比含夹矸煤层预裂效果好。
5.2顶煤回收方面
通过CO2预裂，建新矿采煤工作面顶煤回收较未预裂区域日平均增加1600吨，每天可多产生利润30万元，月产生利润700余万元。
6 结论
建新煤化公司通过在特厚煤层采用CO2预裂增透技术之后，通过对预裂钻孔和未预裂钻孔抽放瓦斯浓度、流量的数据进行对比的结果来看，预裂后的钻孔内静态瓦斯浓度、动态瓦斯浓度和抽放瓦斯流量、浓度均大于未预裂钻孔数据。但该技术受煤层厚度及夹矸影响，如煤层厚度低于8m时，预裂成本较高。而由于煤层夹矸及技术人员熟练程度等因素影响，出现预裂器掉入钻孔无法回收的情况，因此在进行二氧化碳预裂时，一定要掌握预裂区域煤层赋存及地质变化情况，为二氧化碳预裂取得预期目标做好地质勘查，确保该技术得以顺利实施。
参考文献：
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论文作者:屈明山
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/8/30
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