一种二氧化碳爆破与酸化联合作用的含瓦斯煤体增透方法与流程

本发明涉及一种含瓦斯煤体增透方法，具体涉及一种二氧化碳爆破与酸化联合作用的含瓦斯煤体增透方法，属于煤矿防瓦斯突出安全治理技术领域。

背景技术：

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位。近年来，我国煤矿在安全上的投入极大，也取得了较好的效果。然而煤矿事故时有发生。统计表明，矿井瓦斯事故和顶板事故占总事故的80％以上，其中矿井瓦斯事故因危害度强、伤亡率高、造成经济损大而成为煤矿的第一杀手。可见，矿井瓦斯治理成为减少甚至杜绝瓦斯事故的根本所在。

随着我国煤矿开采深度的逐步加大，开采条件更趋于复杂，出现了高地应力、高瓦斯、高非均质性、低渗透性、低强度的煤体特征，煤体的原生裂隙和孔隙度逐渐变小，煤层的渗透率随之降低，而我国赋存煤层渗透率普遍差，进而使得工作面发生煤与瓦斯突出的危险性随之加剧。由此可见，渗透率低已经成为制约煤层瓦斯抽采的关键因素，提高煤层渗透率，是瓦斯灾害治理和资源利用的根本途径。瓦斯预抽已经成为我国煤矿瓦斯治理的一项重要技术，煤层透气性系数的高低直接决定着抽采效果的好坏。但是当前普遍存在预抽钻孔工程量大，抽采效率低，单个钻孔有效影响范围小等问题，导致常规瓦斯抽采方法难以发挥作用，瓦斯爆炸和瓦斯突出的威胁也愈加严重。

目前煤层增透的主要技术手段有深孔控制预裂爆破增透、水力增透等，其中水力增透又包括水力压裂增透及水力割缝增透等。上述技术手段在含瓦斯煤体增透方面均可取得一定的积极效果，然而也存在一定的局限性。深孔控制预裂爆破常出现拒爆、熄爆现象且一旦出现处理工序繁琐、极易为煤层的开采留下安全隐患，而且增透效果好坏不一；水力压裂及水力割缝目前应用较广，但是水力压裂在构造煤地带效果甚微，再加上有些地区煤层本身差异性以及水对瓦斯解吸的抑制作用，导致增透效果并不理想。因此，有必要提供一种针对含瓦斯煤体增透的新手段，使其无论是在适用性还是实用性上都起到较好的效果且具有一定的推广应用价值，真正实现含瓦斯煤体的增透，提高瓦斯抽采率。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种二氧化碳爆破与酸化联合作用的含瓦斯煤体增透方法，前期通过二氧化碳爆破使得煤体中裂隙充分扩展，在为后期酸液的注入创造有利条件同时增大酸液与煤体的接触面积及酸液的有效作用距离，在深度与广度上真正形成煤层深部酸化改造的同时提高煤质，而且无论是前期的二氧化碳爆破还是后期的酸化，煤体中均增加了大量的二氧化碳，而煤对二氧化碳的吸附能力远大于甲烷，进而对甲烷起到置换、驱替的作用，使得煤层透气性大大增加，最终达到提高煤层瓦斯抽采率的目的。

为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种二氧化碳爆破与酸化联合作用的含瓦斯煤体增透方法，包括以下步骤：

(a)制定增透方案：根据工作面参数及煤层厚度确定爆破孔和酸化孔的布置方式；

(b)二氧化碳爆破与酸化联合增透：首先利用爆破孔对含瓦斯煤体进行二氧化碳爆破，其次利用酸化孔注入酸液封孔并保持设定时间；

(c)瓦斯抽采：将爆破孔及酸化孔接入抽采系统进行瓦斯抽采。

所述步骤(a)中，制定的增透方案中包括若干增透单元，若煤厚M≤2m，则以1个爆破孔、1个酸化孔为一个增透单元；若煤厚M＞2m，则以1个爆破孔、4个酸化孔为一个增透单元。

煤厚M≤2m时，所有的爆破孔与酸化孔孔底的中心位于同一平面上。

煤厚M≤2m时，增透单元等间距布置。

煤厚M＞2m时，每个增透单元中以爆破孔为中心，菱形布置酸化孔且菱形长轴沿水平方向。

煤厚M＞2m时，分层布设增透单元，每层上设有若干个增透单元。

所述步骤(b)中的酸液为：质量分数分别对应为15％～20％、2％～4％、1％～2％的HCL、HF、CH₃COOH的混合酸液。

所述步骤(b)中的设定时间不少于48h。

本发明具有如下有益效果：

1.相比岩石，煤中层理、裂隙高度发育，可以看作是裂隙集合体，采用二氧化碳爆破使得煤层中裂隙扩展并增加，形成瓦斯流动通道，进而使得煤层中的游离瓦斯快速释放，吸附瓦斯也可解吸释放，有效降低了煤层中瓦斯含量；同时爆破后由于煤体中裂隙增多，此时注入酸性溶液更为容易且增加了与煤体的接触面积同时也增大了酸液的有效作用距离，在深度与广度上真正形成煤层的深部酸化改造，有利于煤层的进一步增透。

2.采用盐酸、氢氟酸及醋酸等多组分酸性溶液，其中以盐酸作为主体酸，可有效溶解煤中的碳酸盐岩类矿物成分及硫化物，并且在煤层中保持较低PH值，可抑制氢氧化铁沉淀生成；氢氟酸作为一种辅助酸，用于溶解煤层中所含有的硅酸盐岩类矿物成分；醋酸作为有机酸，属于弱酸起辅助作用，可缓蚀缓速酸化能力，进而可使酸化程度最优化，增加煤层透气性，提高瓦斯抽采率。

3.煤中所含可与酸性溶液反应的主要碳酸盐及硫化物属于煤的无机物质中的矿物质类，是有害成分且是煤中的主要杂质，注入酸液在实现增透的同时也提高了煤的质量和利用价值，是一种一举两得的举措。

4.前期的二氧化碳爆破及后期的酸化使得煤体中二氧化碳含量大大增加，而煤对二氧化碳的吸附能力远大于甲烷，进而对甲烷起到置换、驱替的作用，有利于瓦斯的抽采。

5.二氧化碳爆破与酸化联合作用于含瓦斯煤体，充分将二者的长处进行有机结合，相互促进，不仅显著增加了煤层的透气性，提高了瓦斯抽采率，同时破坏了坚硬煤体的完整性，显著降低了其储能特性，是一种一举多得的举措，易实施且适用范围广，增透效果好，具有广泛的推广应用价值，而且对于冲击地压-煤与瓦斯突出等煤矿复合动力灾害的防治也具有积极的意义。

附图说明

图1是本发明一种二氧化碳爆破与酸化联合作用的含瓦斯煤体增透方法流程图。

图2(a)是本发明一种二氧化碳爆破与酸化联合作用的含瓦斯煤体增透方法中煤厚M＜2m的增透单元钻孔布置方式图。

图2(b)是本发明一种二氧化碳爆破与酸化联合作用的含瓦斯煤体增透方法中煤厚M≥2m的增透单元钻孔布置方式图。

图3是采取本发明前、后的钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量分布柱状图。

具体实施方式

为充分体现本发明的特征与优点，下面将结合具体实施例及附图予以详细叙述。

研究背景：某矿C4煤层11103工作面，采用走向长壁采煤法开采，其中倾向长度80m，走向长度600m，煤层厚度0.75-2.05m，平均厚度1.40m，煤层结构较简单、层位较稳定、对比可靠、区内可采，属较稳定型煤层。上距C5煤层平均10.5m，下距C3煤层平均18.35m，顶板岩性为泥岩及砂质泥岩局部含有粉砂岩，底板岩性以粉砂质泥岩为主。现场测定绝对瓦斯压力最高达1.97MPa，最低1.82MPa，直接法测定煤层高瓦斯含量最高达19.7782m³/t，属于典型煤与瓦斯突出型矿井，煤层中硬，无烟煤，变质程度高，煤质较好，透气性系数0.029m²/(MPa²·d)，属于典型含瓦斯难抽煤层。

一种二氧化碳爆破与酸化联合作用的含瓦斯煤体增透方法，包含步骤如下：

(a)制定增透方案：根据工作面参数及煤层厚度、瓦斯含量等确定钻孔布置方式；

在该矿11103工作面以5m距离等间距分别在倾斜方向布置8个增透单元，走向方向布置7个增透单元作为一个增透阶段，根据走向长度总共划分为10个增透阶段，分阶段逐步实施。由于煤厚M≤2m，则以1个爆破孔、1个酸化孔为一个增透单元，爆破孔与酸化孔间距5m，爆破孔及酸化孔孔深均延伸至煤层中部且爆破孔与酸化孔底中心位于同一水平面上(图2(a))，由于煤厚不满足M＞2m，故未采用图2(b)增透单元钻孔布置方式。

(b)二氧化碳爆破与酸化联合增透：首先利用爆破孔对含瓦斯煤体进行二氧化碳爆破，其次利用酸化孔注入酸液封孔并保持设定时间；

其中，酸液质量分数确定操作过程如下：

现场取煤样，对取回的煤样进行加工使其满足实验室实验要求，利用电镜扫描、CT或核磁共振观测煤样的微观结构，利用X射线衍射及荧光光谱查明煤样中可与酸反应的碳酸盐岩、硅酸盐岩及硫化物种类并利用标定法确定含量。表1给出了本实施例煤样中所含可与酸性溶液反应的碳酸盐岩、硅酸盐岩及硫化物成分及含量。

表1

通过煤粉溶蚀率测定实验确定适合本煤层的复合酸液的质量分数，具体操作过程如下：将煤样研磨成80目的煤粉，用分析天平称取4份煤粉各3g，精度为0.001g；将煤粉与酸液按一定比例倒入玻璃量筒中，再放入60℃的恒温水浴台中进行加热反应；反应达到预定时间3h后，将量筒从恒温水浴台中取出，过滤把剩下的煤粉以及滤纸放入干燥箱中，直至恒重；根据酸化前后煤粉的质量变化，计算出不同质量分数混合酸液对煤粉的溶蚀率，确定出合适的酸液质量分数。

溶蚀率K计算表达式为：式中，m₁-酸化前煤粉质量，g；m₂-酸化后煤粉质量，g；

由表1分析可知，该煤样中碳酸盐岩、硅酸盐岩所占比重较大，在溶蚀率测定时，适当提高混合酸液中HCL、HF的比例，试验最终确定选取的适合本煤层的混合酸液为20％HCL+3％HF+2％CH₃COOH；

(c)瓦斯抽采：将爆破孔及酸化孔接入抽采系统进行瓦斯抽采。

将确定好质量分数的混合酸液注入二氧化碳爆破孔与酸化孔，封孔并保持设定时间不少于48h，本实施例优选48小时，之后将酸化孔和爆破孔封孔接入抽采系统进行联合抽采。

一个阶段操作结束，对剩余阶段逐一重复步骤(b)和步骤(c)，直至工作面增透结束。

根据现场实施方案监测的效果(图3)可知，对含瓦斯煤体采取二氧化碳爆破与酸化联合作用，钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量显著增加，增透效果明显。分析认为，二氧化碳爆破首先实现了含瓦斯煤体的一级增透，此时煤中游离瓦斯快速释放，吸附瓦斯也可解吸为游离瓦斯释放，同时压裂使煤体产生大量裂隙，增加了瓦斯运移通道，后期注入酸性溶液更为容易且增大了酸液与煤体的接触面积及有效作用距离，充分溶解煤中杂质的同时进一步增加煤体的渗透率，同时也净化了煤质，使酸化程度最优化，实现了含瓦斯煤体的二级增透，同时，前期的二氧化碳爆破及后期的酸化使得煤体中二氧化碳含量大大增加，而煤对二氧化碳的吸附能力远大于甲烷，进而对甲烷起到置换、驱替的作用，有利于瓦斯的抽采。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。