瓦斯治理是制约煤矿安全高效生产的难题，尤其是对高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿井而言，瓦斯抽采更是矿井生产的主要工作。我国煤层瓦斯赋存条件复杂，普遍存在煤层透气性系数较低以及钻孔流量衰减系数较高等问题，瓦斯较难抽放，给矿井的安全生产带来较大隐患。目前矿井区域瓦斯治理多采用钻孔抽放的方法，但钻孔数量较多，施工工程量大，抽采时间长而抽采效果较差，其他瓦斯治理方法如预裂爆破、水压致裂以及水力割缝等，虽起到一定的作用，但都有较大限制。

CO2致裂增透技术是近年来逐渐兴起的煤矿瓦斯治理技术，已成功应用于煤层开采等领域，并取得了良好的效果。但在巷道掘进方面应用的较少，其致裂效果以及参数设计方面的研究也不完善。针对这一问题，本文以常村煤矿23采区胶带运输大巷为研究背景，对CO2的致裂原理以及参数设计进行研究，实现CO2致裂增透技术在巷道掘进中的成功应用。

1 工程背景

常村煤矿主采3#煤层，煤层厚度在5.95～6.10 m之间，平均厚度为6.05 m，夹矸的厚度为0.23 m，煤层埋藏深度为489～548 m，煤层倾角为0°～8°。+470 m水平23采区胶带运输大巷处于3#煤层中，沿底板掘进，巷道平面图见图1。巷道断面形状为矩形，设计尺寸为宽5.04 m、高3.42 m，净断面达17.24 m2，胶带大巷设计全长为2150 m。根据常村煤矿3#煤层瓦斯地质图显示，常村煤矿23采区煤层原始瓦斯压力最大可达0.9 MPa，3#煤层掘进期间瓦斯含量最高达15 m3/t，经巷道开口处实测数据表明，3#煤层实测瓦斯含量为6.7564 m3/t，可解吸量为5.1538 m3/t，胶带大巷掘进面预测绝对瓦斯涌出量为5.5 m3/min，具有瓦斯突出的危险。3#煤层初始透气性系数在0.003237～0.2419 m2/(MPa2·d)之间，衰减系数在0.1726～0.3025 d-1之间，故3#煤层属于低透气性且瓦斯较难被抽采煤层。

2 CO2致裂增透技术原理

煤层中瓦斯主要有游离瓦斯与吸附瓦斯两种状态。游离状态的瓦斯越多，则煤层透气性越好，煤层中的瓦斯越容易抽采。CO2致裂增透技术是在致裂管中放置液态的CO2，装置起爆后，CO2会由液体状态向气体状态转化，在这种变化过程中，大量的能量得到释放，并沿着钻孔向四周扩散。由于起爆后所引起的爆破压力远大于煤层的抗压强度，在钻孔周围一定范围内的煤体会迅速破碎，从而形成一定范围内的粉碎区。由于装置起爆后，转变后的CO2气体会迅速膨胀，在钻孔周围形成环向以及径向裂隙，裂隙之间相互交错，形成一定范围内的裂隙区。当起爆后的应力在往钻孔深部扩散时，并不会对煤层造成损害，只能引起煤体局部震动，此区域称之为震动区，如图2所示。正是由于钻孔周围粉碎区以及裂隙区的存在，极大扩展了瓦斯的运移途径，增加了煤层的透气性，提高了煤层瓦斯的抽采量。另外，CO2的存在可驱使更多的吸附瓦斯转变为游离瓦斯，进一步增加了瓦斯的解吸量，加之CO2的存在隔绝了氧气，不会因为装置起爆而引起火花，是一种安全可靠的技术方法。

3 常村矿CO2致裂增透方案设计

3.1 致裂钻孔布置方案

CO2致裂钻孔深度为60 m，致裂孔直径选取94 mm，根据钻孔安设需要，扩孔至直径113 mm，沿巷道掘进方向顺层布置，压裂杆数量为20根/孔，单致裂管长1.5 m，每根内充1.5 kg的液态CO2，进行致裂钻孔时，采用专用封孔器进行操作。致裂相关参数：致裂孔方位角180°，与煤层倾角夹角3°，封孔深度15 m，封孔压力7～8 MPa。

3.2 预抽钻孔布置方案

在胶带大巷两侧开挖了瓦斯抽采迈步钻场，用于更好地提升煤层瓦斯预抽的效果。具体尺寸为：深5 m，里宽4 m，外宽9 m，高3.42 m。同侧及异侧钻场的间距分别为120 m和60 m。在两侧的瓦斯钻场中向巷道掘进方向进行预抽钻孔的施工，用于抽采前方煤层中的瓦斯，每个钻场内布置有6个瓦斯预抽钻孔，预抽孔直径94 mm，扩孔至113 mm，长度为140 m，沿煤层倾角方向布置。这种瓦斯预抽方式不占用胶带大巷的掘进时间，巷道掘进和瓦斯预抽工作同时进行，实现了平行作业。具体布置形式如图3所示。为避免CO2致裂对胶带大巷煤层巷道帮部造成破坏，在距胶带大巷与回风大巷各取20 m的安全距离。

4 常村矿CO2致裂增透效果分析

4.1 致裂后瓦斯抽采浓度变化

为了对比分析CO2致裂增透对瓦斯抽采的效果，在CO2致裂试验前后分别测定了抽采体积分数、瓦斯抽采纯量，根据现场致裂试验前后测出的数据，绘制了其相应的变化趋势图，如图4～5所示。

从图4～5中可以看出：CO2致裂增透前，瓦斯抽采浓度普遍低于40%，煤层瓦斯含量较大，煤层瓦斯抽采效率低；CO2致裂增透后瓦斯抽采浓度大幅提升，且较长时间内维持在40%左右，瓦斯抽采总量得到提高；CO2致裂后单孔瓦斯日抽采纯量也呈现不断增加的趋势，高于CO2致裂前。致裂前抽采20 d时，瓦斯体积分数呈现衰减状态，最低至10%以下，而CO2致裂后钻孔抽采40 d后，瓦斯抽采浓度仍维持在较高水平，这表明在CO2致裂的影响下瓦斯衰减速率降低，显著改善了瓦斯抽采效率低的难题。

4.2 巷道煤层瓦斯含量的变化

为了进一步分析CO2致裂增透对胶带大巷煤层瓦斯的影响，对CO2致裂前后的煤层瓦斯含量进行了为期2个月的连续观测，试验地点对应的煤体瓦斯参数如表1所示。致裂前后瓦斯含量变化趋势如图6所示。

由图6和表1数据可知，致裂抽采后胶带大巷巷道煤体中的瓦斯含量平均减少了2.37 m3/t，最高减幅达到42.36%，瓦斯解吸速率不断提高，瓦斯抽采量明显增多。CO2致裂增透技术实施后，在煤层中形成了一定范围的裂隙扩展发育区域，钻孔抽采后，3#煤层瓦斯含量处于降低的阶段。由于CO2致裂压力可控，可保证煤体主体结构不被严重破坏，可有效提升煤层渗透能力，从而提高煤层瓦斯抽采效率。

5 结论

(1)分析了CO2致裂增透技术原理，得到了CO2致裂后会在钻孔周围形成粉碎区、裂隙区以及震动区，粉碎区与裂隙区的存在增加了瓦斯运移的途径，而CO2的存在促使更多的吸附瓦斯向游离瓦斯转变，增加了煤层的透气性，提高了煤层瓦斯的抽采量。

(2)根据CO2致裂增透技术原理，结合常村煤矿23采区胶带运输大巷地质条件，设计了常村矿胶带运输大巷CO2致裂增透方案，确定CO2致裂钻孔深度为60 m，致裂孔直径为113 mm，沿巷道掘进方向顺层布置，并在巷道两侧开挖了瓦斯抽采迈步钻场，用于更好地提升煤层瓦斯预抽的效果。

(3)将设计的CO2致裂增透方案在常村煤矿23采区胶带运输大巷进行试验，现场应用表明，采用CO2致裂增透技术后，瓦斯抽采浓度由原来普遍低于40%，到现在较长时间内维持在40%左右；胶带大巷煤体中的瓦斯含量平均减少了2.37 m3/t，最高减幅达到42.36%，瓦斯抽采效果明显提高。

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Study on CO2 fracturing technology for permeability improvement in high-gas and low-permeability coal seam of Changcun Coal Mine

Qin Yong

(Changcun Coal Mine, Shanxi Lu'an Environment Protection and Energy Development Co., Ltd.,Changzhi, Shanxi 046100, China)

Abstract In order to solve the problem of gas control in low-permeability coal seam, the author analyzed the principle of CO2 fracturing technology for permeability improvement by taking belt transportation roadway in No. 23 mining area of Changcun Coal Mine, and designed the scheme of CO2 fracturing technology for the roadway and determined its fracturing parameters and range. The field application results showed that the gas extraction concentration kept around 40% for a long time while it was generally less than 40% before, and the gas content in the coal body of the belt roadway was reduced 2.37m3/t, the maximum reduction reached 42.36%. The gas extraction efficiency was improved obviously.

Key words high gas, low-permeability coal seam, CO2 fracturing, permeability improvement of coal seam, gas control

中图分类号 TD712.6

文献标识码 A

引用格式：秦勇.常村煤矿高瓦斯低透气性煤层CO2致裂增透技术研究[J].中国煤炭，2019,45(3)∶83-86，93.

Qin Yong . Study on CO2 fracturing technology for permeability improvement in high-gas and low-permeability coal seam of Changcun Coal Mine[J]. China Coal, 2019，45(3):83-86，93.

作者简介：秦勇(1981-)，男，山西长子人，本科学历，工程师，现从事煤矿生产管理工作。E-mail:qinyong1111@163.com。

(责任编辑 张艳华)