专利名称：一种基于瓦斯抽采的煤层预裂方法
技术领域：
本发明属于瓦斯抽采技术领域，涉及一种在瓦斯抽采前对煤层进行预裂的方法。
背景技术：
随着煤矿开采深度的增加，瓦斯涌出量也随之增大，高瓦斯矿井增多，特别是煤层 透气性差，瓦斯吸附性强的煤矿，使得瓦斯抽出难以进行，很难达到国家瓦斯治理“ 16字方 针”中的“抽采达标”这一核心标准，给我国煤炭的安全生产带来巨大威胁，严重制约着煤炭 工业的可持续发展。增强煤层裂隙，提高煤层的透气性，进而增强煤层中瓦斯的游离性，理论上讲不失 为一种解决“抽采难”的方法。事实上，我国当前解决瓦斯抽采难这一“难题”，也是从“增强 煤层裂隙，促进瓦斯游离”的方面着手，如“深孔炸药爆破预裂”、“水压预裂”等方法。“深孔炸药爆破预裂”是利用炸药爆炸时产生的高压和冲击波致煤体实现预裂的。 但炸药所具有的一些特性，导致了其的预裂效果并不好或不适合在煤矿井下使用1、炸药爆炸时产生高达数万兆帕的压强和巨大冲击波会对煤体造成粉碎性破坏， 进而使煤体产生的裂隙又为所粉碎的煤粉所充塞，严重影响预裂效果。经专家研究，若要有 理想的预裂效果，必须对炸药爆炸时数万兆帕的高压强峰值进行削峰，也就是说要生产出 较传统炸药爆炸压强峰值要低的多的“削峰炸药”。但就目前所知，深孔炸药预裂爆破所使 用的适合的炸药尚未得到很好解决，虽然国家出巨资将其列入计划进行研究，但至今尚无 成果产生。2、炸药爆破时产生明火，有可能将高浓度的瓦斯点燃或致爆，用于高瓦斯煤层增 加了安全风险。国家煤科总院的统计数据表明全国煤矿的瓦斯事故70%以上是因放炮引 起的。从近期宁夏石嘴山煤矿发生的深孔爆破引起瓦斯爆炸、辽宁阜新、陕西铜川等重特大 瓦斯事故等，均表明炸药爆破是引发重特大瓦斯事故的主要原因。综上所述，炸药用于预裂爆破效果差、安全性差，不适合于高瓦斯煤层瓦斯抽采预 m农。水压预裂是最近几年正在尝试和摸索的另一种煤层预裂方式，该方法与炸药爆破 预裂一样，均为增加煤层裂隙和驱赶瓦斯使之游离，具有一定的效果，但也存在如下缺点1、水压预裂升压缓慢，无传统的炸药爆炸时高达数万兆帕的高压强峰值，不会对 煤层产生粉碎性破坏。但由于水在煤体中的渗透性很差，根本无法到达煤体的微小裂隙中， 只能对少数相对较大的裂隙产生作用，因此，水压预裂有一定效果，但对透气性的彻底改善 作用不大。特别是煤体中停滞的水会对其毛细微隙产生封堵作用，对提高煤层中瓦斯的游 离性并不理想，没有被普遍推广。2、水压预裂时容易产生串流现象，对邻孔影响较大。尤其是在钻孔密度大、角度交 叉复杂的系统，会使水压升不起来，甚至影响到抽采系统不能正常运行，给管理带来不便， 甚至无法使用，出现有力使不上的现象，尤其是煤体中过量的水分恶化采煤作业环境。3、虽然对水压预裂的方法采取过多种方式，如定向压裂、大压力挤压、水中加附料等措施，但万变不离其水。用水作为预裂介质，有一定效果，但不会彻底解决低透气性、吸附性强煤层的“难抽”问题。由于以上两种预裂方法的局限，目前绝大多数进行瓦斯抽采的煤矿不进行煤层预 裂，而是采用高密度钻孔的方式抽采瓦斯气，钻孔孔距从5米到3、2. 5、2、1. 5,1. 0米不等。 由于煤矿地质条件的限制，钻孔很难打，有些矿打一个40米的孔需要2 3个班的时间，即 使如此，也不能将瓦斯抽尽快出，使抽采成本过高，而又不得不抽。从当前来看，我国虽已投入巨资，组织专业队伍进行煤层预裂的研究开发，但目前 来看还无突破性进展，仍为我国煤炭领域瓦斯治理的关健性技术难题。低温气体爆破器(ZL 200820227630. 2)是一种利用物理爆破方式进行矿山开采、 特别是煤矿开采的装置。该装置又叫做"CO2气体开采器”，其结构如图1所示，中间为一个 两端设有螺口的管形主体7，管形主体7的一端螺纹连接有充排气阀3，另一端以泄能阀9 螺纹连接封口。在充排气阀3上设有充排气通道2与管形主体7内的空腔连通，该充排气 通道2可以通过压紧密封螺钉1密封；泄能阀9上设有若干个成不同角度的泄能孔10，并 在泄能阀9内放置定压泄能片进行密封。内部装有发热装置6的金属网孔管8连接在充排 气阀3上，伸入管形主体7的空腔中。在充排气阀3上还安装有电极引出体4，该电极引出 体4的内端与安装在发热装置6上的电极5连接，外端置于充排气阀3的电极引出体腔内， 用于连接放炮引线。管形主体7空腔中的剩余空间用于通过充排气阀3充装液态C02。该 装置是一种适应各类矿产开采、能替代炸药的低温气体爆破器。使用时，松开"CO2气体开采器”充排气阀上的压紧密封螺钉，自充排气通道向管形 主体空腔中注入液态co2。将充好CO2的气体开采器装入钻好的煤体钻孔中，电极上连接的 引线引出钻孔，连接到矿用发爆器上。用矿用发爆器激活CO2气体开采器发热装置中的发 热材料，致使管形主体空腔中的液态CO2吸收热量温度升高，迅速汽化膨胀升压。当达到定 压泄能片的预设定压力时，定压泄能片断裂，泄能阀开启，CO2从泄能阀的泄能孔中多方向 向钻孔周围高速喷出，作用于煤体，使煤层崩塌，实现煤体的“爆破开采”。根据不同的地质条件、不同煤种、不同煤层硬度、不同透气性，可以调整"CO2气体 开采器”具有不同压力、不同排压速度和不同泄气量进行爆破开采。使用"CO2气体开采器”进行爆破开采时，每孔的落煤量大于炸药爆破的落煤量，而 对煤炭的粉碎性破坏却远远小于炸药爆破，落煤的块炭率较炸药可提高30 60%。使用“C02气体开采器”替代传统火工炸药爆破进行煤矿井下开采，操作简便且无 明火产生，安全可靠，是一种理想的本质安全型爆破。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的基于瓦斯抽采的煤层预裂方法，本发明提供的预裂 方法可以极大地增强煤层的透气性，提高煤层中瓦斯的游离状况，进而充分提高煤矿井下 现有瓦斯抽采系统的瓦斯抽采效率。在使用ZL 200820227630. 2公开的"CO2气体开采器”进行煤炭爆破开采的研发试 验过程中意外发现，"CO2气体开采器”增大煤层中固有裂隙，而非使其粉碎性破坏是"CO2气 体开采器”在开采过程中区别于炸药爆破的一个重要特性。根据这个特性联想到气体在 煤层中的渗透性要远远大于水在煤层中的渗透性，能够在较大范围内对煤层吸附的瓦斯进行驱赶，因此，如果使用气体对煤层进行预裂，可以极大的增强煤层的透气性和提高煤层中 瓦斯的游离状况，对于高瓦斯煤层开采前的瓦斯抽采将非常有利。基于以上原理，本发明赋予"CO2气体开采器” 一个全新的应用使用"CO2气体开 采器”作为工具，对煤层进行爆破预裂，增加煤层中裂隙，促进煤层中瓦斯气游离，进而提高 瓦斯气的抽采效率。本发明基于瓦斯抽采的煤层预裂方法包括以下步骤
a.钻孔在预开采煤层工作面上钻孔，钻孔深30 200米，孔径不小于75毫米；b.开采器装填将不少于2支的CO2气体开采器逐个串联在一起，连接上放炮引线 后装填入钻孔中，放炮引线引出钻孔外；c.钻孔密封使用封孔装置将钻孔密封严实；d.引爆预裂放炮引线连接发爆器，引爆CO2气体开采器，释放出高压CO2气体对 煤层进行深孔冲击预裂；e.瓦斯气抽采拆卸封孔装置，取出CO2气体开采器，将钻孔接入瓦斯抽采系统， 开始抽采瓦斯气。使用"CO2气体开采器”作为工具进行煤层预裂时，可以通过调节"CO2气体开采器” 的释放压强、排气速度并采取封孔装置封孔的方式，使"CO2气体开采器”瞬间释放出的能量 尽可能有效、较长时间地作用于煤层。因此，一个预裂钻孔的有效作用半径经试验可以达到 30 50米，甚至更大，影响半径在60米以远。基于此，在煤层工作面上布置预裂钻孔的间 距应控制在15 30米。一般地，预裂钻孔布置在煤层工作面高度的中部。与炸药预裂方法相比，本发明不需要在预裂钻孔之间再布置大孔径的控制孔，不 仅省工省时、还大大减化了抽采系统，在大幅度降低抽采成本的同时使抽采的管理和运行 变得轻松简单。同样，本发明在预裂后原则上也可以不布置辅助钻孔，但当要求瓦斯预抽期缩短 时，也可以在预裂钻孔之间适当布置辅助钻孔用于瓦斯抽采，辅助钻孔间距控制为5 10 米，且辅助钻孔与预裂钻孔之间距离不小于5米。一般是在钻孔内距孔口 6 10米处设置预裂封孔装置。所述的封孔装置可以是 现有炸药爆破预裂或水压预裂使用的封孔装置，本发明对其没有特殊要求，只要能将预裂 钻孔密封严实即可。在距钻孔孔口 6 10米处设置封孔装置的主要目的是使预裂钻孔严密封闭，可承 受CO2气体开采器起爆后孔内所生成的巨大压力，并保持孔内所生成的高压CO2气体的压力 状态在煤体中有较长的作用时间，实现已渗透CO2气体的远距离预裂功能。经现场试验，预裂后半小时开启封孔装置时，可听到明显的气体泄露声音，现场检 测逸出气体，CO2含量仅为0. 048%,而瓦斯含量则高达91.6%，分析表明CO2几乎已经完全 渗入煤层之中，并将煤层中所吸附的瓦斯激活、驱出。对高瓦斯煤层进行开采前的瓦斯预抽是国家瓦斯治理16字方针中“抽采达标”的 核心要求，要实现这一要求，必须对低透气性、瓦斯吸附性强的煤层进行预裂，预裂一般是 在不同孔径的深孔内进行的。使用"CO2气体开采器”预裂含瓦斯煤层的方法是解决煤炭生 产中瓦斯风险的有效方法。本发明的煤层预裂方法主要是利用了 CO2气体开采器的特性，以CO2气体开采器作为预裂工具，在高瓦斯煤层进行深孔预裂，以改善煤层的透气性和瓦斯吸附性，解决瓦斯抽 采难的问题。本发明使用"CO2气体开采器”为工具，以CO2作为工作介质用于高瓦斯、高突煤层 瓦斯抽采预裂会起到理想的效果。在使用"CO2气体开采器”进行煤炭爆破开采的过程中发 现，"CO2气体开采器”增大煤层中固有裂隙，而非使其粉碎性破坏是"CO2气体开采器”在开 采过程中的一个重要特性。由于"CO2气体开采器”压强的可控性，可以使对煤体的作用压 强控制在70 130Mpa范围内，这一压强要远远小于炸药所产生爆炸压强，不会对煤体产生 粉碎破坏，同时又大于水压预裂对煤体的压强，从而在其独有的优越特性中兼有了 “炸药预 裂”和“水压预裂”的优点，而又避免了其所具有的致命缺点。另外，气体在煤层中的渗透性要远远大于水在煤层中的渗透性，因而能够在较大 范围内对煤层所吸附的瓦斯进行驱赶，使用"CO2气体开采器”对煤层进行预裂，可以极大的 增强煤层的透气性和提高煤层中瓦斯的游离状况，对于高瓦斯煤层开采前的瓦斯抽采非常有利。本发明利用CO2液体受热汽化产生压力，且压力、施压时间可调、可控的特点，将液 态CO2注入CO2气体开采器中，置于煤层钻孔中，用矿用发爆器激活CO2气体开采器中的发热 材料，使开采器中的液态CO2吸收热量，迅速汽化膨胀，于设定的压强值下起爆，在预裂孔内 生成高压气体，在封孔装置的密封封堵下，较长时间作用于煤体，实现煤体的大范围预裂， 增加了煤层的透气性。在预裂煤体的同时，带有压力的CO2气体必将对煤体所吸附的瓦斯 产生驱赶作用，特别是CO2气体对煤有很好的亲附性，从而将驱赶出的瓦斯气体游离在煤层 缝隙当中，使瓦斯的抽采由难变得简单易行，这不仅解除了高瓦斯、高突煤层的瓦斯风险， 同时也拓宽了瓦斯的抽采利用。从现有资料表明，CO2是一种阻燃、抑爆气体，其比重大于瓦斯。根据有关检测报告 数据表明，煤体对CO2有吸附性，每千克煤可吸附CO2约48L，而吸附N2仅为8L，因此，CO2具 有很好的亲煤性。当高压CO2气体进入煤层后，首先是冲击煤层及“沉睡”(吸附)在煤层 中的瓦斯，打破原有的平衡。由于CO2比重大于瓦斯，可借助压力在充满瓦斯的煤层微小裂 隙中驱赶瓦斯，使瓦斯游离。二是CO2在深入煤层微小裂隙中后，当施加的压力变小或与瓦 斯压力相对平衡时，它便留在了煤层的微小裂隙中，并吸附于煤层中，利用其亲煤性，挤占 了一席之地，当瓦斯排或抽出过程中浓度逐渐降低、压力逐渐减小时，CO2对煤层中的瓦斯 又产生外排作用，因此对煤层中的瓦斯具有激活、驱赶、置换作用。因此，采用"CO2气体开采器”作为工具“预裂”低透气性、吸附性强的煤层，即使很 难抽的煤层，只要经过简单合理的布置钻孔进行预裂，煤层瓦斯含量一般1 3个月均可轻 松达标，可有效地解决瓦斯“难抽”问题，解决煤矿的重大安全隐患。同时，本发明预裂方法 抽出的瓦斯浓度提高，还为瓦斯的利用提供了条件，可以变害为利，实现采煤采气同步，节 约资源。经现场试验比较，采用本发明的方法对高瓦斯、高突煤层进行预裂可大幅提高现 有瓦斯抽采系统的抽出效率。例如，在相同时间内，长治市东庄煤矿预裂孔单孔瓦斯抽出量 是未预裂孔的10 45倍，在100天的抽出时间内，预裂孔瓦斯抽出浓度由近90%衰减至 36%，而该矿由抚顺煤科院瓦斯所设计的瓦斯抽采系统，孔口瓦斯抽出浓度在不超过20天 的时间内即由最高25%迅速衰减至3%上下。再比如，在长治市新源煤矿井下24个试验孔中，有10孔瓦斯浓度在20 %以上，最高接近90%，而且抽采两个月后仍无明显回落。这 一现象在其14顺槽内的100余个瓦斯抽放孔是没有的，这100余个孔中仅有一孔的瓦斯浓 度在40%左右，在一个月内也迅速衰减。新源煤矿该煤层的瓦斯含量仅为3. 18 9. 86M3/ 吨，平均6. 96M3/吨，表明本发明预裂方法在瓦斯含量较低的煤层中同样可以实现瓦斯的抽 采利用。本发明利用CO2气体的特性，以"CO2气体开采器”作为工具，进行煤层深孔预裂，不 仅提供了一种全新的基于瓦斯抽采的煤层预裂技术工艺，而且赋予了 "CO2气体开采器”一 种全新的应用用途，在国内外尚无先例，应用前景十分广阔，同时还具有如下特点1、使用"CO2气体开采器”对煤层进行预裂，释放的高压CO2气体对煤体作用平缓， 与炸药预裂方法比较，作用时间相对较长，压力适中、从而作用半径大，预裂效果明显，特别 是其释放压强的可调性，可广泛适应于各种煤层，是一种很好的煤层预裂方法。根据"CO2气 体开采器”在空气中自由排放的检测报告，压力曲线图中压力维持时间长约20毫秒左右，而 在钻孔中的维持时间会更长，再加上孔口密封处理人为保持其压力作用时间，可能达到数 秒或数十秒。而炸药爆破的过程曲线仅维持约数十微秒，相差千倍或数千倍。
2、使用CO2气体开采器进行煤层予裂没有明火产生，安全可靠。CO2气体作为煤层 预裂的工作介质，除其本身不具有爆炸性、可燃性和助燃性外，还具有抑制爆炸和燃烧的作 用，可以达到本质安全的基本要求。在预裂中，除CO2气体外不产生其它气体，于环保有益。3、瓦斯气与煤炭伴生，其主要成份为甲烷。由于开采技术限制，大多数煤矿企业在 煤炭开采过程中，利用各种手段将煤层瓦斯气排入大气中，以解决煤炭生产中的瓦斯安全 隐患问题。这既是对资源的浪费，也是对环境的污染(瓦斯的温室效应是CO2的21倍)。使 用本发明方法对煤层进行预裂后，煤层瓦斯气的抽采浓度由原来的2 3% (较难抽放煤层 中)骤升到30 90%，提高了 15 30倍，为煤层瓦斯气的回收利用打下了基础。拓宽了 抽采煤层瓦斯含量的下限，可以抽采利用煤层瓦斯的煤矿范围大增，改瓦斯安全隐患为瓦 斯资源，扩大了我国可利用能源储量，降低了环境污染。为煤、气共采战略提供技术支持。4、使用"CO2气体开采器”对煤层进行深孔预裂时，能够对高突煤层中的高压瓦斯 进行泄压，可有效防治煤与瓦斯突出，从根本上消除煤与瓦斯突出危险。5、现有国家标准(标准号AQ1026-2006)《煤矿瓦斯抽采基本指标》中规定，对于必 须进行瓦斯抽采的矿井，瓦斯抽采应达到的指标为煤层瓦斯含量降低到8m3/t以下。这一指 标值是基于目前的瓦斯抽采技术而确定的，也就是说，采用目前的瓦斯抽采技术，只能将煤 层瓦斯含量降低到这个指标，已经很难再降低了。但是抽采到这样程度的煤层在实际开采 过程中仍然会有大量的瓦斯气涌出，目前的解决办法只能是通过加大采掘工作面排风速度 来稀释瓦斯气，使工作空间瓦斯含量降低到《煤矿安全规程》规定的指标。而采用本发明预 裂方法后，则可以大大降低煤层瓦斯含量，根据已经进行的试验证实，煤层瓦斯含量至少可 以降低到3 5m3/t以下，甚至于更低(根据新源煤矿在3. 18 9. 86m3/吨，平均6. 96m3/ 吨较低瓦斯煤层中仍能抽出高浓度瓦斯的事实，降低到2m3/t是完全可能的)，这样就可以 减少开采过程中的瓦斯涌出量，降低采掘工作面排风量和风速，在节能降耗、降低成本的前 提下大大改善井下工作的恶劣环境。因此，如果本发明的预裂方法得以推广使用，将极有可 能大幅度降低瓦斯抽采达标的煤层瓦斯含量指标。综上所述，本发明拓展了"CO2气体开采器”的用途，将其作为预裂工具用于瓦斯抽采前的煤层预裂，对煤矿安全、瓦斯治理、节能、经济效益、社会安定等均有重大意义。本发 明的煤层预裂方法在煤层中具有大的预裂半径(有效半径30米以远，影响半径可达60 100米范围)，可有效减少煤矿井下现有抽采系统中的钻孔数量，其高浓度瓦斯的抽出，极 大的缩短了瓦斯的预抽时间，降低了煤矿瓦斯的抽采成本，提高了煤炭生产效率，增强了煤 矿生产安全。因此，本发明对煤矿瓦斯治理、减少环境污染、综合利用瓦斯资源意义重大，因 此而产生的经济效益、环境效益难以估算。
图1是本发明使用的"CO2气体开采器”的结构示意图。图2是实施例1中高瓦斯煤层深孔预裂后瓦斯抽采实验数据分析图。
具体实施例方式实施例1武乡县东庄煤矿是一座高瓦斯矿井，也是长治市目前瓦斯最难抽的矿井之一。其3 号煤层为主焦煤，煤层瓦斯含量高，而且透气性极差，瓦斯附着力极强，出井堆放数月的煤， 摔碎后仍能测出瓦斯。该矿在其3号煤层中布置30101回采工作面，由于煤层瓦斯含量高，达不到煤炭开 采标准，由抚顺煤科院瓦斯研究所为其设计并安装了井下瓦斯抽放系统进行瓦斯预抽放。 在该工作面两顺槽内，平均每5米左右打一抽放孔，孔径尝试有75、90、IlOmm三种，孔深 30 70米，平均50米左右，从2007年11月开始抽放，其抽放初始瓦斯浓度为20%左右，20 天后均衰减至3%上下，经过近两年的瓦斯抽放，该工作面瓦斯含量才降至8m3/t以下(抚 顺煤科院瓦斯研究所的测试数据为3. 87 7. 7m3/t，平均5. 29m3/t)。针对该矿上述实际情况，于2009年10月5日，开始在邻近该工作面的一条巷道内 进行"CO2气体开采器”预裂试验。试验方案及过程在巷道内同一侧煤壁布置三组钻孔，1#组，本孔预裂试验组，钻 2孔，孔深30米左右，孔间距3. 5米，在该两孔实施CO2气体开采器深孔预裂，使用1. 8米CO2 气体开采器8支放入孔内，在距孔口 6米处设封口装置，预裂结束后即接入抽放系统实施抽 放试验。2#组为近距离抽放试验组，钻3孔，孔间距3 5米，其下布置预裂孔4孔(其中 1孔借用1#组一预裂孔)，预裂孔距抽放孔距离2. 2 2. 3米之间。因在实施过程中封孔 不当，致使该组区域内巷道煤壁浅层破坏，在抽放10天后，该组抽放孔漏气，造成该组流量 骤增，瓦斯浓度下降，其后数据失去意义。3#组，远距离抽放试验组，共钻5孔，孔间距5米， 距1#组预裂孔最近距离27. 1米，最远距离43. 2米。在巷道另一侧煤壁布置一组钻孔，0# 组，试验对照组，2孔，孔间距5米，位于1#组区域对面。以上所有钻孔孔径75毫米，孔深 30米左右，全部接入抽放系统中实施抽放试验。抽气管道上装流量表，留瓦斯浓度测口，进 行实时计量，记录。整理并计算试验过程中日测报表纪录数据后，得到图2所示的CO2气体开采器深 孔预裂瓦斯抽采实验数据分析图。从图中可以看出:0#组数据与未预裂的抚顺煤科院瓦斯研究所设计的瓦斯抽放 系统数据近似，故将其确定为试验对照组是合理的。
1#组即本孔预裂的两个钻孔单孔流量稳定，从开始到一个月后，流量和瓦斯浓度 几乎没有大的波动，至40天时已抽出纯瓦斯近6000立方米。40天后其浓度仍稳定在40 50%范围内，看不出难抽的迹象。从现象上分析，甚至预裂局部已变为易抽煤层。计算比较 可知，1#组瓦斯浓度是0#对照孔瓦斯浓度的4 18倍，1#组单孔流量是0#组单孔流量的 1. 94 3. 75(平均2. 5)倍，则提高效率倍数=2. 5X (4 18) = 10 45倍。将3#组即远距离试验组与0#对照孔比较，其瓦斯浓度及单孔流量也明显高于对 照组抚顺煤科院瓦斯研究所设计的瓦斯抽放数据。由此推断3#组也受到了预裂孔作用的 影响。东庄煤矿3号煤层是较难抽的高瓦斯煤层，从试验情况来看，预裂试验100天后，1#组的瓦斯抽出浓度才由近90 %下降到36 %。而即便是100天后，36 %的瓦斯浓度也完全 可以作为民用，与该矿原有瓦斯抽放系统(由抚顺煤科院瓦斯研究所设计安装)抽放瓦斯 浓度仅在20天的时间内就已由20%左右衰减至3%上下相比，就浓度而言，预裂孔瓦斯抽 出浓度是未预裂孔的4 18倍，从流量上看，预裂抽放流量是未经预裂的1. 94 3. 75倍， 瓦斯抽出量是未经预裂的10 45倍。因此可以断定，对于高瓦斯、高突煤层开采前完全可以首先进行煤层瓦斯开采，在 其瓦斯含量下降至规定范围时(规定吨煤8立方米)或更低(按吨煤2立方米完全可能)， 再进行煤炭生产，这将彻底颠覆人们对高瓦斯、高突煤矿高风险的固有认识，是符合当前国 家安全政策、环保理念、低炭经济要求的。以下是东庄煤矿试验过程中具体试验单元的情况分析1、煤层厚度3. 2米，本孔预裂组的作用半径暂按5米估算，右边5米、左边1米 (因左边距抽采钻孔仅1. 9米)，则作用体积为(1+5+3. 45) X 3. 2 X 25 (孔深30米，钻孔密 封在距孔口约5米处)=756立方米，有756X 1.3 (容重)=982. 8吨原煤，共计瓦斯含量 928. 8X16. 8 (吨煤瓦斯含量)=16511. 04立方米，则累计应抽出16511. 04-928. 8X8 (吨 煤瓦斯8立方米以下达标)=7430. 4立方米后可以达标。根椐40天以后的流量和瓦斯抽出浓度计算，每天可抽出纯瓦斯约110立方米，如 果对该工作面进行规模性抽采，两个月便可轻松达标。2、2009年11月13日，为试验"CO2气体开采器”深孔预裂的作用半径，在东庄煤矿 3号煤层已抽放一年多，目前仍正在抽放的30101回采工作面上，在相距5米的两个抽放孔 中间打一 30米深孔。因未能及时到矿试验，故推延至11月19号，此时测孔内瓦斯浓度仅 为0. 6%，由于孔内约10米处被塌下的煤堵上，送不进去开采器，只用了 3支，于距孔口 3. 5 米处封闭，预裂10分钟后拆除设备，再测该孔瓦斯浓度达到100%。这一现象说明一、该矿的瓦斯吸附性极强，煤层透气性很低；二、该矿已抽采瓦 斯一年多，抽放效果不好，如果在现有抽放工作面上增补一些预裂孔进行邻孔预裂，将会明 显改善抽放效果；三、仅用三支CO2气体开采器作用就产生了如此大的效果，这次试验虽然 因塌孔没有达到预期目的，但意外发现了其它收获，说明CO2气体开采器用于高瓦斯煤层深 孔预裂是彻底解决瓦斯抽采难的理想方法。3、11月13日试验"CO2气体开采器”深孔预裂的作用半径时，因塌孔未能如数将 "CO2气体开采器”放入孔内，孔口又因故未能封好而漏气，即便如此，其作用半径仍达到12 米左右，若试验正常，作用半径保守估计也能超过15米。依据这个试验，现有抽采钻孔5米一个可以增大为20 30米一个，不仅节省工料4 6倍，大大简化了抽采系统，且能使抽采提前达标，节约抽采电费、通风电费、各种管理费用，使抽出的瓦斯气体浓度提高，成为可 直接民用的有用气体，符合国家采煤采气同步的要求，使珍贵的资源变害为利。本实施例进行了深孔预裂的初步试验，虽然只是一种不严密的尝试性试验，比如 孔距排列不合理，孔距过小、与邻孔预裂组抽放孔仅相距1. 9米，对照组距离余地不够等均 影响了效果，但结果还是证明了采用"CO2气体开采器”深孔预裂后大大提高了瓦斯的抽采 效果。实施例2长治市沁新煤焦公司新源煤矿，其煤层为主焦煤，煤层平均厚度1. 7米，吨煤瓦斯 含量3. 18 9. 86立方米，平均6. 96立方米。煤层坚固性系数0. 305，透气性系统0. 474 0. 961，百米钻孔瓦斯流量衰减系数0. 0927 0. 2453，属难抽煤层。该矿井下抽放系统由阳泉煤业集团设计，根据本煤层抽采原始记录表明，开始抽 放第一天瓦斯抽出浓度13%左右，第二天瓦斯抽出浓度7%左右，第三天瓦斯抽出浓度仅 2%左右，以后无回升现象。2009年12月28日在该矿1219工作面(备用工作面)20顺槽内进行旨在预裂作 用半径的试验，在该巷180m范围巷道，距现本煤层抽采区域(14顺槽)直线距离200米，共 打24个孔，孔深40米左右，预裂3孔。由于该矿井下地质条件复杂，在打钻孔时未能按预 定布置距离进行，钻孔从左到右按1 24号顺序排列，实际预裂孔为第6、16、20号孔，从1 号孔到6号孔46. 85米，从6号孔到10号孔29. 43米，间隔5. 07米后11号孔距16号孔 29. 93米，16号孔后5. 65米处仅打17号一孔，因井下地质原因在间隔28. 78米后打18号 孔，10. 65米打20号孔，20号孔距24号孔20. 31米。从开始接入抽放管路的两个月中，前40天瓦斯抽出浓度不仅未下降，而且逐步上 升，一部分孔达到60%以上，少数达到80%以上，个别有达到100%的现象，距预裂孔46. 85 米的最远一孔也达到30%以上的浓度。试验表明，本发明预裂作用的有效距离在30米以 远。在对这24孔中有漏气现象和浓度偏低的14孔关闭后，总管瓦斯浓度上升至77. 4%，而 抽出的瓦斯纯量减少甚微，因此可以说明，抽放瓦斯钻孔可以大大减少(原阳泉煤业集团 为该矿设计孔间距为3米)，两个月后才有轻微衰减。按试验结果重新布置抽放系统时，可以按孔距10 15米考虑。在大大节约工程 量、简化抽放系统、降低抽采成本的同时，还将大大缩短抽放周期，同时也表明在较低瓦斯 含量的较难抽采煤层中也同样可以进行瓦斯抽采利用。上述实施例试验结果表明，煤矿企业原先需要近两年才能抽采达标的，采用本发 明预裂方法2 3个月即可抽采达标，可以大大缩短抽采周期、简化抽采系统、降低抽采成 本。对于煤炭行业来说，在高瓦斯、高突煤层开采前完全可以首先进行煤层瓦斯开采，在其 瓦斯含量下降至规定范围或更低时，再进行煤炭生产，即使在吨煤瓦斯含量3. 18 9. 86立 方米，平均6. 96立方米(或更低)的煤层中，也可实现瓦斯抽采利用，这将彻底颠覆人们对 高瓦斯、高突煤矿高风险的固有认识，也改变了低瓦斯含量煤层瓦斯无法抽采利用的现状， 变煤炭生产中的瓦斯风险为瓦斯资源，拓展了瓦斯作为资源的利用范围，符合当前国家安 全政策、环保理念、低炭经济的要求。
权利要求
一种基于瓦斯抽采的煤层预裂方法，是使用“CO2气体开采器”对预开采煤层进行爆破预裂，利用“CO2气体开采器”爆破释放的高压CO2气体增加煤层裂隙和驱赶出煤层吸附的瓦斯，以对瓦斯进行抽采。
2.根据权利要求1所述的基于瓦斯抽采的煤层预裂方法，其特征是包括以下步骤a.钻孔在预开采煤层工作面上钻孔，钻孔深30 200米，孔径不小于75毫米；b.开采器装填将不少于2支的CO2气体开采器逐个串联在一起，连接上放炮引线后装 填入钻孔中，放炮引线引出钻孔外；c.钻孔密封使用封孔装置将钻孔密封严实；d.引爆预裂放炮引线连接发爆器，引爆CO2气体开采器，释放出高压CO2气体对煤层 进行深孔冲击预裂；e.瓦斯气抽采拆卸封孔装置，取出CO2气体开采器，将钻孔接入瓦斯抽采系统，开始 抽采瓦斯气。
3.根据权利要求2所述的基于瓦斯抽采的煤层预裂方法，其特征是在煤层工作面上布 置预裂钻孔的间距为15 30米。
4.根据权利要求2所述的基于瓦斯抽采的煤层预裂方法，其特征是在预裂钻孔之间布 置有仅用于抽采瓦斯的辅助钻孔。
5.根据权利要求4所述的基于瓦斯抽采的煤层预裂方法，其特征是所述辅助钻孔的间 距为5 10米，且辅助钻孔与预裂钻孔之间距离不小于5米。
6.根据权利要求2所述的基于瓦斯抽采的煤层预裂方法，其特征是所述的封孔装置设 置在钻孔内距孔口 6 10米深处。
7.根据权利要求2所述的基于瓦斯抽采的煤层预裂方法，其特征是抽采出的瓦斯气回 收作为煤层气利用。
全文摘要
一种基于瓦斯抽采的煤层预裂方法，是使用“CO2气体开采器”作为工具对预开采煤层进行爆破预裂，增加煤层裂隙和驱赶出煤层吸附的瓦斯，对瓦斯进行抽采。具体方法为在预开采煤层工作面上钻孔，将CO2气体开采器装入钻孔中，密封钻孔，引爆CO2气体开采器，释放出高压CO2气体对煤层进行深孔冲击预裂，最后取出CO2气体开采器，钻孔接入瓦斯抽采系统抽采瓦斯气。本发明的预裂方法可以极大地增强煤层透气性，促进煤层中瓦斯游离，提高煤矿井下瓦斯抽采效率。
文档编号E21F7/00GK101813002SQ20101015503
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月26日 优先权日2010年4月26日
发明者张海成, 张稳 申请人:张海成