專利名稱：一種基于瓦斯抽采的煤層預裂方法
技術領域：
本發(fā)明屬于瓦斯抽采技術領域，涉及一種在瓦斯抽采前對煤層進行預裂的方法。
背景技術：
隨著煤礦開采深度的增加，瓦斯涌出量也隨之增大，高瓦斯礦井增多，特別是煤層 透氣性差，瓦斯吸附性強的煤礦，使得瓦斯抽出難以進行，很難達到國家瓦斯治理“ 16字方 針”中的“抽采達標”這一核心標準，給我國煤炭的安全生產帶來巨大威脅，嚴重制約著煤炭 工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。增強煤層裂隙，提高煤層的透氣性，進而增強煤層中瓦斯的游離性，理論上講不失 為一種解決“抽采難”的方法。事實上，我國當前解決瓦斯抽采難這一“難題”，也是從“增強 煤層裂隙，促進瓦斯游離”的方面著手，如“深孔炸藥爆破預裂”、“水壓預裂”等方法?！吧羁渍ㄋ幈祁A裂”是利用炸藥爆炸時產生的高壓和沖擊波致煤體實現(xiàn)預裂的。 但炸藥所具有的一些特性，導致了其的預裂效果并不好或不適合在煤礦井下使用1、炸藥爆炸時產生高達數萬兆帕的壓強和巨大沖擊波會對煤體造成粉碎性破壞， 進而使煤體產生的裂隙又為所粉碎的煤粉所充塞，嚴重影響預裂效果。經專家研究，若要有 理想的預裂效果，必須對炸藥爆炸時數萬兆帕的高壓強峰值進行削峰，也就是說要生產出 較傳統(tǒng)炸藥爆炸壓強峰值要低的多的“削峰炸藥”。但就目前所知，深孔炸藥預裂爆破所使 用的適合的炸藥尚未得到很好解決，雖然國家出巨資將其列入計劃進行研究，但至今尚無 成果產生。2、炸藥爆破時產生明火，有可能將高濃度的瓦斯點燃或致爆，用于高瓦斯煤層增 加了安全風險。國家煤科總院的統(tǒng)計數據表明全國煤礦的瓦斯事故70%以上是因放炮引 起的。從近期寧夏石嘴山煤礦發(fā)生的深孔爆破引起瓦斯爆炸、遼寧阜新、陜西銅川等重特大 瓦斯事故等，均表明炸藥爆破是引發(fā)重特大瓦斯事故的主要原因。綜上所述，炸藥用于預裂爆破效果差、安全性差，不適合于高瓦斯煤層瓦斯抽采預 m農。水壓預裂是最近幾年正在嘗試和摸索的另一種煤層預裂方式，該方法與炸藥爆破 預裂一樣，均為增加煤層裂隙和驅趕瓦斯使之游離，具有一定的效果，但也存在如下缺點1、水壓預裂升壓緩慢，無傳統(tǒng)的炸藥爆炸時高達數萬兆帕的高壓強峰值，不會對 煤層產生粉碎性破壞。但由于水在煤體中的滲透性很差，根本無法到達煤體的微小裂隙中， 只能對少數相對較大的裂隙產生作用，因此，水壓預裂有一定效果，但對透氣性的徹底改善 作用不大。特別是煤體中停滯的水會對其毛細微隙產生封堵作用，對提高煤層中瓦斯的游 離性并不理想，沒有被普遍推廣。2、水壓預裂時容易產生串流現(xiàn)象，對鄰孔影響較大。尤其是在鉆孔密度大、角度交 叉復雜的系統(tǒng)，會使水壓升不起來，甚至影響到抽采系統(tǒng)不能正常運行，給管理帶來不便， 甚至無法使用，出現(xiàn)有力使不上的現(xiàn)象，尤其是煤體中過量的水分惡化采煤作業(yè)環(huán)境。3、雖然對水壓預裂的方法采取過多種方式，如定向壓裂、大壓力擠壓、水中加附料等措施，但萬變不離其水。用水作為預裂介質，有一定效果，但不會徹底解決低透氣性、吸附性強煤層的“難抽”問題。由于以上兩種預裂方法的局限，目前絕大多數進行瓦斯抽采的煤礦不進行煤層預 裂，而是采用高密度鉆孔的方式抽采瓦斯氣，鉆孔孔距從5米到3、2. 5、2、1. 5,1. 0米不等。 由于煤礦地質條件的限制，鉆孔很難打，有些礦打一個40米的孔需要2 3個班的時間，即 使如此，也不能將瓦斯抽盡快出，使抽采成本過高，而又不得不抽。從當前來看，我國雖已投入巨資，組織專業(yè)隊伍進行煤層預裂的研究開發(fā)，但目前 來看還無突破性進展，仍為我國煤炭領域瓦斯治理的關健性技術難題。低溫氣體爆破器(ZL 200820227630. 2)是一種利用物理爆破方式進行礦山開采、 特別是煤礦開采的裝置。該裝置又叫做"CO2氣體開采器”，其結構如圖1所示，中間為一個 兩端設有螺口的管形主體7，管形主體7的一端螺紋連接有充排氣閥3，另一端以泄能閥9 螺紋連接封口。在充排氣閥3上設有充排氣通道2與管形主體7內的空腔連通，該充排氣 通道2可以通過壓緊密封螺釘1密封；泄能閥9上設有若干個成不同角度的泄能孔10，并 在泄能閥9內放置定壓泄能片進行密封。內部裝有發(fā)熱裝置6的金屬網孔管8連接在充排 氣閥3上，伸入管形主體7的空腔中。在充排氣閥3上還安裝有電極引出體4，該電極引出 體4的內端與安裝在發(fā)熱裝置6上的電極5連接，外端置于充排氣閥3的電極引出體腔內， 用于連接放炮引線。管形主體7空腔中的剩余空間用于通過充排氣閥3充裝液態(tài)C02。該 裝置是一種適應各類礦產開采、能替代炸藥的低溫氣體爆破器。使用時，松開"CO2氣體開采器”充排氣閥上的壓緊密封螺釘，自充排氣通道向管形 主體空腔中注入液態(tài)co2。將充好CO2的氣體開采器裝入鉆好的煤體鉆孔中，電極上連接的 引線引出鉆孔，連接到礦用發(fā)爆器上。用礦用發(fā)爆器激活CO2氣體開采器發(fā)熱裝置中的發(fā) 熱材料，致使管形主體空腔中的液態(tài)CO2吸收熱量溫度升高，迅速汽化膨脹升壓。當達到定 壓泄能片的預設定壓力時，定壓泄能片斷裂，泄能閥開啟，CO2從泄能閥的泄能孔中多方向 向鉆孔周圍高速噴出，作用于煤體，使煤層崩塌，實現(xiàn)煤體的“爆破開采”。根據不同的地質條件、不同煤種、不同煤層硬度、不同透氣性，可以調整"CO2氣體 開采器”具有不同壓力、不同排壓速度和不同泄氣量進行爆破開采。使用"CO2氣體開采器”進行爆破開采時，每孔的落煤量大于炸藥爆破的落煤量，而 對煤炭的粉碎性破壞卻遠遠小于炸藥爆破，落煤的塊炭率較炸藥可提高30 60%。使用“C02氣體開采器”替代傳統(tǒng)火工炸藥爆破進行煤礦井下開采，操作簡便且無 明火產生，安全可靠，是一種理想的本質安全型爆破。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種新的基于瓦斯抽采的煤層預裂方法，本發(fā)明提供的預裂 方法可以極大地增強煤層的透氣性，提高煤層中瓦斯的游離狀況，進而充分提高煤礦井下 現(xiàn)有瓦斯抽采系統(tǒng)的瓦斯抽采效率。在使用ZL 200820227630. 2公開的"CO2氣體開采器”進行煤炭爆破開采的研發(fā)試 驗過程中意外發(fā)現(xiàn)，"CO2氣體開采器”增大煤層中固有裂隙，而非使其粉碎性破壞是"CO2氣 體開采器”在開采過程中區(qū)別于炸藥爆破的一個重要特性。根據這個特性聯(lián)想到氣體在 煤層中的滲透性要遠遠大于水在煤層中的滲透性，能夠在較大范圍內對煤層吸附的瓦斯進行驅趕，因此，如果使用氣體對煤層進行預裂，可以極大的增強煤層的透氣性和提高煤層中 瓦斯的游離狀況，對于高瓦斯煤層開采前的瓦斯抽采將非常有利?；谝陨显恚景l(fā)明賦予"CO2氣體開采器” 一個全新的應用使用"CO2氣體開 采器”作為工具，對煤層進行爆破預裂，增加煤層中裂隙，促進煤層中瓦斯氣游離，進而提高 瓦斯氣的抽采效率。本發(fā)明基于瓦斯抽采的煤層預裂方法包括以下步驟
a.鉆孔在預開采煤層工作面上鉆孔，鉆孔深30 200米，孔徑不小于75毫米；b.開采器裝填將不少于2支的CO2氣體開采器逐個串聯(lián)在一起，連接上放炮引線 后裝填入鉆孔中，放炮引線引出鉆孔外；c.鉆孔密封使用封孔裝置將鉆孔密封嚴實；d.引爆預裂放炮引線連接發(fā)爆器，引爆CO2氣體開采器，釋放出高壓CO2氣體對 煤層進行深孔沖擊預裂；e.瓦斯氣抽采拆卸封孔裝置，取出CO2氣體開采器，將鉆孔接入瓦斯抽采系統(tǒng)， 開始抽采瓦斯氣。使用"CO2氣體開采器”作為工具進行煤層預裂時，可以通過調節(jié)"CO2氣體開采器” 的釋放壓強、排氣速度并采取封孔裝置封孔的方式，使"CO2氣體開采器”瞬間釋放出的能量 盡可能有效、較長時間地作用于煤層。因此，一個預裂鉆孔的有效作用半徑經試驗可以達到 30 50米，甚至更大，影響半徑在60米以遠?；诖?，在煤層工作面上布置預裂鉆孔的間 距應控制在15 30米。一般地，預裂鉆孔布置在煤層工作面高度的中部。與炸藥預裂方法相比，本發(fā)明不需要在預裂鉆孔之間再布置大孔徑的控制孔，不 僅省工省時、還大大減化了抽采系統(tǒng)，在大幅度降低抽采成本的同時使抽采的管理和運行 變得輕松簡單。同樣，本發(fā)明在預裂后原則上也可以不布置輔助鉆孔，但當要求瓦斯預抽期縮短 時，也可以在預裂鉆孔之間適當布置輔助鉆孔用于瓦斯抽采，輔助鉆孔間距控制為5 10 米，且輔助鉆孔與預裂鉆孔之間距離不小于5米。一般是在鉆孔內距孔口 6 10米處設置預裂封孔裝置。所述的封孔裝置可以是 現(xiàn)有炸藥爆破預裂或水壓預裂使用的封孔裝置，本發(fā)明對其沒有特殊要求，只要能將預裂 鉆孔密封嚴實即可。在距鉆孔孔口 6 10米處設置封孔裝置的主要目的是使預裂鉆孔嚴密封閉，可承 受CO2氣體開采器起爆后孔內所生成的巨大壓力，并保持孔內所生成的高壓CO2氣體的壓力 狀態(tài)在煤體中有較長的作用時間，實現(xiàn)已滲透CO2氣體的遠距離預裂功能。經現(xiàn)場試驗，預裂后半小時開啟封孔裝置時，可聽到明顯的氣體泄露聲音，現(xiàn)場檢 測逸出氣體，CO2含量僅為0. 048%,而瓦斯含量則高達91.6%，分析表明CO2幾乎已經完全 滲入煤層之中，并將煤層中所吸附的瓦斯激活、驅出。對高瓦斯煤層進行開采前的瓦斯預抽是國家瓦斯治理16字方針中“抽采達標”的 核心要求，要實現(xiàn)這一要求，必須對低透氣性、瓦斯吸附性強的煤層進行預裂，預裂一般是 在不同孔徑的深孔內進行的。使用"CO2氣體開采器”預裂含瓦斯煤層的方法是解決煤炭生 產中瓦斯風險的有效方法。本發(fā)明的煤層預裂方法主要是利用了 CO2氣體開采器的特性，以CO2氣體開采器作為預裂工具，在高瓦斯煤層進行深孔預裂，以改善煤層的透氣性和瓦斯吸附性，解決瓦斯抽 采難的問題。本發(fā)明使用"CO2氣體開采器”為工具，以CO2作為工作介質用于高瓦斯、高突煤層 瓦斯抽采預裂會起到理想的效果。在使用"CO2氣體開采器”進行煤炭爆破開采的過程中發(fā) 現(xiàn)，"CO2氣體開采器”增大煤層中固有裂隙，而非使其粉碎性破壞是"CO2氣體開采器”在開 采過程中的一個重要特性。由于"CO2氣體開采器”壓強的可控性，可以使對煤體的作用壓 強控制在70 130Mpa范圍內，這一壓強要遠遠小于炸藥所產生爆炸壓強，不會對煤體產生 粉碎破壞，同時又大于水壓預裂對煤體的壓強，從而在其獨有的優(yōu)越特性中兼有了 “炸藥預 裂”和“水壓預裂”的優(yōu)點，而又避免了其所具有的致命缺點。另外，氣體在煤層中的滲透性要遠遠大于水在煤層中的滲透性，因而能夠在較大 范圍內對煤層所吸附的瓦斯進行驅趕，使用"CO2氣體開采器”對煤層進行預裂，可以極大的 增強煤層的透氣性和提高煤層中瓦斯的游離狀況，對于高瓦斯煤層開采前的瓦斯抽采非常有利。本發(fā)明利用CO2液體受熱汽化產生壓力，且壓力、施壓時間可調、可控的特點，將液 態(tài)CO2注入CO2氣體開采器中，置于煤層鉆孔中，用礦用發(fā)爆器激活CO2氣體開采器中的發(fā)熱 材料，使開采器中的液態(tài)CO2吸收熱量，迅速汽化膨脹，于設定的壓強值下起爆，在預裂孔內 生成高壓氣體，在封孔裝置的密封封堵下，較長時間作用于煤體，實現(xiàn)煤體的大范圍預裂， 增加了煤層的透氣性。在預裂煤體的同時，帶有壓力的CO2氣體必將對煤體所吸附的瓦斯 產生驅趕作用，特別是CO2氣體對煤有很好的親附性，從而將驅趕出的瓦斯氣體游離在煤層 縫隙當中，使瓦斯的抽采由難變得簡單易行，這不僅解除了高瓦斯、高突煤層的瓦斯風險， 同時也拓寬了瓦斯的抽采利用。從現(xiàn)有資料表明，CO2是一種阻燃、抑爆氣體，其比重大于瓦斯。根據有關檢測報告 數據表明，煤體對CO2有吸附性，每千克煤可吸附CO2約48L，而吸附N2僅為8L，因此，CO2具 有很好的親煤性。當高壓CO2氣體進入煤層后，首先是沖擊煤層及“沉睡”(吸附)在煤層 中的瓦斯，打破原有的平衡。由于CO2比重大于瓦斯，可借助壓力在充滿瓦斯的煤層微小裂 隙中驅趕瓦斯，使瓦斯游離。二是CO2在深入煤層微小裂隙中后，當施加的壓力變小或與瓦 斯壓力相對平衡時，它便留在了煤層的微小裂隙中，并吸附于煤層中，利用其親煤性，擠占 了一席之地，當瓦斯排或抽出過程中濃度逐漸降低、壓力逐漸減小時，CO2對煤層中的瓦斯 又產生外排作用，因此對煤層中的瓦斯具有激活、驅趕、置換作用。因此，采用"CO2氣體開采器”作為工具“預裂”低透氣性、吸附性強的煤層，即使很 難抽的煤層，只要經過簡單合理的布置鉆孔進行預裂，煤層瓦斯含量一般1 3個月均可輕 松達標，可有效地解決瓦斯“難抽”問題，解決煤礦的重大安全隱患。同時，本發(fā)明預裂方法 抽出的瓦斯?jié)舛忍岣?，還為瓦斯的利用提供了條件，可以變害為利，實現(xiàn)采煤采氣同步，節(jié) 約資源。經現(xiàn)場試驗比較，采用本發(fā)明的方法對高瓦斯、高突煤層進行預裂可大幅提高現(xiàn) 有瓦斯抽采系統(tǒng)的抽出效率。例如，在相同時間內，長治市東莊煤礦預裂孔單孔瓦斯抽出量 是未預裂孔的10 45倍，在100天的抽出時間內，預裂孔瓦斯抽出濃度由近90%衰減至 36%，而該礦由撫順煤科院瓦斯所設計的瓦斯抽采系統(tǒng)，孔口瓦斯抽出濃度在不超過20天 的時間內即由最高25%迅速衰減至3%上下。再比如，在長治市新源煤礦井下24個試驗孔中，有10孔瓦斯?jié)舛仍?0 %以上，最高接近90%，而且抽采兩個月后仍無明顯回落。這 一現(xiàn)象在其14順槽內的100余個瓦斯抽放孔是沒有的，這100余個孔中僅有一孔的瓦斯?jié)?度在40%左右，在一個月內也迅速衰減。新源煤礦該煤層的瓦斯含量僅為3. 18 9. 86M3/ 噸，平均6. 96M3/噸，表明本發(fā)明預裂方法在瓦斯含量較低的煤層中同樣可以實現(xiàn)瓦斯的抽 采利用。本發(fā)明利用CO2氣體的特性，以"CO2氣體開采器”作為工具，進行煤層深孔預裂，不 僅提供了一種全新的基于瓦斯抽采的煤層預裂技術工藝，而且賦予了 "CO2氣體開采器”一 種全新的應用用途，在國內外尚無先例，應用前景十分廣闊，同時還具有如下特點1、使用"CO2氣體開采器”對煤層進行預裂，釋放的高壓CO2氣體對煤體作用平緩， 與炸藥預裂方法比較，作用時間相對較長，壓力適中、從而作用半徑大，預裂效果明顯，特別 是其釋放壓強的可調性，可廣泛適應于各種煤層，是一種很好的煤層預裂方法。根據"CO2氣 體開采器”在空氣中自由排放的檢測報告，壓力曲線圖中壓力維持時間長約20毫秒左右，而 在鉆孔中的維持時間會更長，再加上孔口密封處理人為保持其壓力作用時間，可能達到數 秒或數十秒。而炸藥爆破的過程曲線僅維持約數十微秒，相差千倍或數千倍。
2、使用CO2氣體開采器進行煤層予裂沒有明火產生，安全可靠。CO2氣體作為煤層 預裂的工作介質，除其本身不具有爆炸性、可燃性和助燃性外，還具有抑制爆炸和燃燒的作 用，可以達到本質安全的基本要求。在預裂中，除CO2氣體外不產生其它氣體，于環(huán)保有益。3、瓦斯氣與煤炭伴生，其主要成份為甲烷。由于開采技術限制，大多數煤礦企業(yè)在 煤炭開采過程中，利用各種手段將煤層瓦斯氣排入大氣中，以解決煤炭生產中的瓦斯安全 隱患問題。這既是對資源的浪費，也是對環(huán)境的污染(瓦斯的溫室效應是CO2的21倍)。使 用本發(fā)明方法對煤層進行預裂后，煤層瓦斯氣的抽采濃度由原來的2 3% (較難抽放煤層 中)驟升到30 90%，提高了 15 30倍，為煤層瓦斯氣的回收利用打下了基礎。拓寬了 抽采煤層瓦斯含量的下限，可以抽采利用煤層瓦斯的煤礦范圍大增，改瓦斯安全隱患為瓦 斯資源，擴大了我國可利用能源儲量，降低了環(huán)境污染。為煤、氣共采戰(zhàn)略提供技術支持。4、使用"CO2氣體開采器”對煤層進行深孔預裂時，能夠對高突煤層中的高壓瓦斯 進行泄壓，可有效防治煤與瓦斯突出，從根本上消除煤與瓦斯突出危險。5、現(xiàn)有國家標準(標準號AQ1026-2006)《煤礦瓦斯抽采基本指標》中規(guī)定，對于必 須進行瓦斯抽采的礦井，瓦斯抽采應達到的指標為煤層瓦斯含量降低到8m3/t以下。這一指 標值是基于目前的瓦斯抽采技術而確定的，也就是說，采用目前的瓦斯抽采技術，只能將煤 層瓦斯含量降低到這個指標，已經很難再降低了。但是抽采到這樣程度的煤層在實際開采 過程中仍然會有大量的瓦斯氣涌出，目前的解決辦法只能是通過加大采掘工作面排風速度 來稀釋瓦斯氣，使工作空間瓦斯含量降低到《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的指標。而采用本發(fā)明預 裂方法后，則可以大大降低煤層瓦斯含量，根據已經進行的試驗證實，煤層瓦斯含量至少可 以降低到3 5m3/t以下，甚至于更低(根據新源煤礦在3. 18 9. 86m3/噸，平均6. 96m3/ 噸較低瓦斯煤層中仍能抽出高濃度瓦斯的事實，降低到2m3/t是完全可能的)，這樣就可以 減少開采過程中的瓦斯涌出量，降低采掘工作面排風量和風速，在節(jié)能降耗、降低成本的前 提下大大改善井下工作的惡劣環(huán)境。因此，如果本發(fā)明的預裂方法得以推廣使用，將極有可 能大幅度降低瓦斯抽采達標的煤層瓦斯含量指標。綜上所述，本發(fā)明拓展了"CO2氣體開采器”的用途，將其作為預裂工具用于瓦斯抽采前的煤層預裂，對煤礦安全、瓦斯治理、節(jié)能、經濟效益、社會安定等均有重大意義。本發(fā) 明的煤層預裂方法在煤層中具有大的預裂半徑(有效半徑30米以遠，影響半徑可達60 100米范圍)，可有效減少煤礦井下現(xiàn)有抽采系統(tǒng)中的鉆孔數量，其高濃度瓦斯的抽出，極 大的縮短了瓦斯的預抽時間，降低了煤礦瓦斯的抽采成本，提高了煤炭生產效率，增強了煤 礦生產安全。因此，本發(fā)明對煤礦瓦斯治理、減少環(huán)境污染、綜合利用瓦斯資源意義重大，因 此而產生的經濟效益、環(huán)境效益難以估算。
圖1是本發(fā)明使用的"CO2氣體開采器”的結構示意圖。圖2是實施例1中高瓦斯煤層深孔預裂后瓦斯抽采實驗數據分析圖。
具體實施例方式實施例1武鄉(xiāng)縣東莊煤礦是一座高瓦斯礦井，也是長治市目前瓦斯最難抽的礦井之一。其3 號煤層為主焦煤，煤層瓦斯含量高，而且透氣性極差，瓦斯附著力極強，出井堆放數月的煤， 摔碎后仍能測出瓦斯。該礦在其3號煤層中布置30101回采工作面，由于煤層瓦斯含量高，達不到煤炭開 采標準，由撫順煤科院瓦斯研究所為其設計并安裝了井下瓦斯抽放系統(tǒng)進行瓦斯預抽放。 在該工作面兩順槽內，平均每5米左右打一抽放孔，孔徑嘗試有75、90、IlOmm三種，孔深 30 70米，平均50米左右，從2007年11月開始抽放，其抽放初始瓦斯?jié)舛葹?0%左右，20 天后均衰減至3%上下，經過近兩年的瓦斯抽放，該工作面瓦斯含量才降至8m3/t以下(撫 順煤科院瓦斯研究所的測試數據為3. 87 7. 7m3/t，平均5. 29m3/t)。針對該礦上述實際情況，于2009年10月5日，開始在鄰近該工作面的一條巷道內 進行"CO2氣體開采器”預裂試驗。試驗方案及過程在巷道內同一側煤壁布置三組鉆孔，1#組，本孔預裂試驗組，鉆 2孔，孔深30米左右，孔間距3. 5米，在該兩孔實施CO2氣體開采器深孔預裂，使用1. 8米CO2 氣體開采器8支放入孔內，在距孔口 6米處設封口裝置，預裂結束后即接入抽放系統(tǒng)實施抽 放試驗。2#組為近距離抽放試驗組，鉆3孔，孔間距3 5米，其下布置預裂孔4孔(其中 1孔借用1#組一預裂孔)，預裂孔距抽放孔距離2. 2 2. 3米之間。因在實施過程中封孔 不當，致使該組區(qū)域內巷道煤壁淺層破壞，在抽放10天后，該組抽放孔漏氣，造成該組流量 驟增，瓦斯?jié)舛认陆?，其后數據失去意義。3#組，遠距離抽放試驗組，共鉆5孔，孔間距5米， 距1#組預裂孔最近距離27. 1米，最遠距離43. 2米。在巷道另一側煤壁布置一組鉆孔，0# 組，試驗對照組，2孔，孔間距5米，位于1#組區(qū)域對面。以上所有鉆孔孔徑75毫米，孔深 30米左右，全部接入抽放系統(tǒng)中實施抽放試驗。抽氣管道上裝流量表，留瓦斯?jié)舛葴y口，進 行實時計量，記錄。整理并計算試驗過程中日測報表紀錄數據后，得到圖2所示的CO2氣體開采器深 孔預裂瓦斯抽采實驗數據分析圖。從圖中可以看出:0#組數據與未預裂的撫順煤科院瓦斯研究所設計的瓦斯抽放 系統(tǒng)數據近似，故將其確定為試驗對照組是合理的。
1#組即本孔預裂的兩個鉆孔單孔流量穩(wěn)定，從開始到一個月后，流量和瓦斯?jié)舛?幾乎沒有大的波動，至40天時已抽出純瓦斯近6000立方米。40天后其濃度仍穩(wěn)定在40 50%范圍內，看不出難抽的跡象。從現(xiàn)象上分析，甚至預裂局部已變?yōu)橐壮槊簩印Ｓ嬎惚容^ 可知，1#組瓦斯?jié)舛仁?#對照孔瓦斯?jié)舛鹊? 18倍，1#組單孔流量是0#組單孔流量的 1. 94 3. 75(平均2. 5)倍，則提高效率倍數=2. 5X (4 18) = 10 45倍。將3#組即遠距離試驗組與0#對照孔比較，其瓦斯?jié)舛燃皢慰琢髁恳裁黠@高于對 照組撫順煤科院瓦斯研究所設計的瓦斯抽放數據。由此推斷3#組也受到了預裂孔作用的 影響。東莊煤礦3號煤層是較難抽的高瓦斯煤層，從試驗情況來看，預裂試驗100天后，1#組的瓦斯抽出濃度才由近90 %下降到36 %。而即便是100天后，36 %的瓦斯?jié)舛纫餐耆?可以作為民用，與該礦原有瓦斯抽放系統(tǒng)(由撫順煤科院瓦斯研究所設計安裝)抽放瓦斯 濃度僅在20天的時間內就已由20%左右衰減至3%上下相比，就濃度而言，預裂孔瓦斯抽 出濃度是未預裂孔的4 18倍，從流量上看，預裂抽放流量是未經預裂的1. 94 3. 75倍， 瓦斯抽出量是未經預裂的10 45倍。因此可以斷定，對于高瓦斯、高突煤層開采前完全可以首先進行煤層瓦斯開采，在 其瓦斯含量下降至規(guī)定范圍時(規(guī)定噸煤8立方米)或更低(按噸煤2立方米完全可能)， 再進行煤炭生產，這將徹底顛覆人們對高瓦斯、高突煤礦高風險的固有認識，是符合當前國 家安全政策、環(huán)保理念、低炭經濟要求的。以下是東莊煤礦試驗過程中具體試驗單元的情況分析1、煤層厚度3. 2米，本孔預裂組的作用半徑暫按5米估算，右邊5米、左邊1米 (因左邊距抽采鉆孔僅1. 9米)，則作用體積為(1+5+3. 45) X 3. 2 X 25 (孔深30米，鉆孔密 封在距孔口約5米處)=756立方米，有756X 1.3 (容重)=982. 8噸原煤，共計瓦斯含量 928. 8X16. 8 (噸煤瓦斯含量)=16511. 04立方米，則累計應抽出16511. 04-928. 8X8 (噸 煤瓦斯8立方米以下達標)=7430. 4立方米后可以達標。根椐40天以后的流量和瓦斯抽出濃度計算，每天可抽出純瓦斯約110立方米，如 果對該工作面進行規(guī)模性抽采，兩個月便可輕松達標。2、2009年11月13日，為試驗"CO2氣體開采器”深孔預裂的作用半徑，在東莊煤礦 3號煤層已抽放一年多，目前仍正在抽放的30101回采工作面上，在相距5米的兩個抽放孔 中間打一 30米深孔。因未能及時到礦試驗，故推延至11月19號，此時測孔內瓦斯?jié)舛葍H 為0. 6%，由于孔內約10米處被塌下的煤堵上，送不進去開采器，只用了 3支，于距孔口 3. 5 米處封閉，預裂10分鐘后拆除設備，再測該孔瓦斯?jié)舛冗_到100%。這一現(xiàn)象說明一、該礦的瓦斯吸附性極強，煤層透氣性很低；二、該礦已抽采瓦 斯一年多，抽放效果不好，如果在現(xiàn)有抽放工作面上增補一些預裂孔進行鄰孔預裂，將會明 顯改善抽放效果；三、僅用三支CO2氣體開采器作用就產生了如此大的效果，這次試驗雖然 因塌孔沒有達到預期目的，但意外發(fā)現(xiàn)了其它收獲，說明CO2氣體開采器用于高瓦斯煤層深 孔預裂是徹底解決瓦斯抽采難的理想方法。3、11月13日試驗"CO2氣體開采器”深孔預裂的作用半徑時，因塌孔未能如數將 "CO2氣體開采器”放入孔內，孔口又因故未能封好而漏氣，即便如此，其作用半徑仍達到12 米左右，若試驗正常，作用半徑保守估計也能超過15米。依據這個試驗，現(xiàn)有抽采鉆孔5米一個可以增大為20 30米一個，不僅節(jié)省工料4 6倍，大大簡化了抽采系統(tǒng)，且能使抽采提前達標，節(jié)約抽采電費、通風電費、各種管理費用，使抽出的瓦斯氣體濃度提高，成為可 直接民用的有用氣體，符合國家采煤采氣同步的要求，使珍貴的資源變害為利。本實施例進行了深孔預裂的初步試驗，雖然只是一種不嚴密的嘗試性試驗，比如 孔距排列不合理，孔距過小、與鄰孔預裂組抽放孔僅相距1. 9米，對照組距離余地不夠等均 影響了效果，但結果還是證明了采用"CO2氣體開采器”深孔預裂后大大提高了瓦斯的抽采 效果。實施例2長治市沁新煤焦公司新源煤礦，其煤層為主焦煤，煤層平均厚度1. 7米，噸煤瓦斯 含量3. 18 9. 86立方米，平均6. 96立方米。煤層堅固性系數0. 305，透氣性系統(tǒng)0. 474 0. 961，百米鉆孔瓦斯流量衰減系數0. 0927 0. 2453，屬難抽煤層。該礦井下抽放系統(tǒng)由陽泉煤業(yè)集團設計，根據本煤層抽采原始記錄表明，開始抽 放第一天瓦斯抽出濃度13%左右，第二天瓦斯抽出濃度7%左右，第三天瓦斯抽出濃度僅 2%左右，以后無回升現(xiàn)象。2009年12月28日在該礦1219工作面(備用工作面)20順槽內進行旨在預裂作 用半徑的試驗，在該巷180m范圍巷道，距現(xiàn)本煤層抽采區(qū)域(14順槽)直線距離200米，共 打24個孔，孔深40米左右，預裂3孔。由于該礦井下地質條件復雜，在打鉆孔時未能按預 定布置距離進行，鉆孔從左到右按1 24號順序排列，實際預裂孔為第6、16、20號孔，從1 號孔到6號孔46. 85米，從6號孔到10號孔29. 43米，間隔5. 07米后11號孔距16號孔 29. 93米，16號孔后5. 65米處僅打17號一孔，因井下地質原因在間隔28. 78米后打18號 孔，10. 65米打20號孔，20號孔距24號孔20. 31米。從開始接入抽放管路的兩個月中，前40天瓦斯抽出濃度不僅未下降，而且逐步上 升，一部分孔達到60%以上，少數達到80%以上，個別有達到100%的現(xiàn)象，距預裂孔46. 85 米的最遠一孔也達到30%以上的濃度。試驗表明，本發(fā)明預裂作用的有效距離在30米以 遠。在對這24孔中有漏氣現(xiàn)象和濃度偏低的14孔關閉后，總管瓦斯?jié)舛壬仙?7. 4%，而 抽出的瓦斯純量減少甚微，因此可以說明，抽放瓦斯鉆孔可以大大減少(原陽泉煤業(yè)集團 為該礦設計孔間距為3米)，兩個月后才有輕微衰減。按試驗結果重新布置抽放系統(tǒng)時，可以按孔距10 15米考慮。在大大節(jié)約工程 量、簡化抽放系統(tǒng)、降低抽采成本的同時，還將大大縮短抽放周期，同時也表明在較低瓦斯 含量的較難抽采煤層中也同樣可以進行瓦斯抽采利用。上述實施例試驗結果表明，煤礦企業(yè)原先需要近兩年才能抽采達標的，采用本發(fā) 明預裂方法2 3個月即可抽采達標，可以大大縮短抽采周期、簡化抽采系統(tǒng)、降低抽采成 本。對于煤炭行業(yè)來說，在高瓦斯、高突煤層開采前完全可以首先進行煤層瓦斯開采，在其 瓦斯含量下降至規(guī)定范圍或更低時，再進行煤炭生產，即使在噸煤瓦斯含量3. 18 9. 86立 方米，平均6. 96立方米(或更低)的煤層中，也可實現(xiàn)瓦斯抽采利用，這將徹底顛覆人們對 高瓦斯、高突煤礦高風險的固有認識，也改變了低瓦斯含量煤層瓦斯無法抽采利用的現(xiàn)狀， 變煤炭生產中的瓦斯風險為瓦斯資源，拓展了瓦斯作為資源的利用范圍，符合當前國家安 全政策、環(huán)保理念、低炭經濟的要求。
權利要求
一種基于瓦斯抽采的煤層預裂方法，是使用“CO2氣體開采器”對預開采煤層進行爆破預裂，利用“CO2氣體開采器”爆破釋放的高壓CO2氣體增加煤層裂隙和驅趕出煤層吸附的瓦斯，以對瓦斯進行抽采。
2.根據權利要求1所述的基于瓦斯抽采的煤層預裂方法，其特征是包括以下步驟a.鉆孔在預開采煤層工作面上鉆孔，鉆孔深30 200米，孔徑不小于75毫米；b.開采器裝填將不少于2支的CO2氣體開采器逐個串聯(lián)在一起，連接上放炮引線后裝 填入鉆孔中，放炮引線引出鉆孔外；c.鉆孔密封使用封孔裝置將鉆孔密封嚴實；d.引爆預裂放炮引線連接發(fā)爆器，引爆CO2氣體開采器，釋放出高壓CO2氣體對煤層 進行深孔沖擊預裂；e.瓦斯氣抽采拆卸封孔裝置，取出CO2氣體開采器，將鉆孔接入瓦斯抽采系統(tǒng)，開始 抽采瓦斯氣。
3.根據權利要求2所述的基于瓦斯抽采的煤層預裂方法，其特征是在煤層工作面上布 置預裂鉆孔的間距為15 30米。
4.根據權利要求2所述的基于瓦斯抽采的煤層預裂方法，其特征是在預裂鉆孔之間布 置有僅用于抽采瓦斯的輔助鉆孔。
5.根據權利要求4所述的基于瓦斯抽采的煤層預裂方法，其特征是所述輔助鉆孔的間 距為5 10米，且輔助鉆孔與預裂鉆孔之間距離不小于5米。
6.根據權利要求2所述的基于瓦斯抽采的煤層預裂方法，其特征是所述的封孔裝置設 置在鉆孔內距孔口 6 10米深處。
7.根據權利要求2所述的基于瓦斯抽采的煤層預裂方法，其特征是抽采出的瓦斯氣回 收作為煤層氣利用。
全文摘要
一種基于瓦斯抽采的煤層預裂方法，是使用“CO2氣體開采器”作為工具對預開采煤層進行爆破預裂，增加煤層裂隙和驅趕出煤層吸附的瓦斯，對瓦斯進行抽采。具體方法為在預開采煤層工作面上鉆孔，將CO2氣體開采器裝入鉆孔中，密封鉆孔，引爆CO2氣體開采器，釋放出高壓CO2氣體對煤層進行深孔沖擊預裂，最后取出CO2氣體開采器，鉆孔接入瓦斯抽采系統(tǒng)抽采瓦斯氣。本發(fā)明的預裂方法可以極大地增強煤層透氣性，促進煤層中瓦斯游離，提高煤礦井下瓦斯抽采效率。
文檔編號E21F7/00GK101813002SQ20101015503
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月26日 優(yōu)先權日2010年4月26日
發(fā)明者張海成, 張穩(wěn) 申請人:張海成