一種二氧化碳爆破與酸化聯合作用的含瓦斯煤體增透方法與流程
2023-12-12 23:47:52 4
本發明涉及一種含瓦斯煤體增透方法，具體涉及一種二氧化碳爆破與酸化聯合作用的含瓦斯煤體增透方法，屬於煤礦防瓦斯突出安全治理技術領域。
背景技術：
我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭在我國能源結構中佔有重要地位。近年來，我國煤礦在安全上的投入極大，也取得了較好的效果。然而煤礦事故時有發生。統計表明，礦井瓦斯事故和頂板事故佔總事故的80％以上，其中礦井瓦斯事故因危害度強、傷亡率高、造成經濟損大而成為煤礦的第一殺手。可見，礦井瓦斯治理成為減少甚至杜絕瓦斯事故的根本所在。
隨著我國煤礦開採深度的逐步加大，開採條件更趨於複雜，出現了高地應力、高瓦斯、高非均質性、低滲透性、低強度的煤體特徵，煤體的原生裂隙和孔隙度逐漸變小，煤層的滲透率隨之降低，而我國賦存煤層滲透率普遍差，進而使得工作面發生煤與瓦斯突出的危險性隨之加劇。由此可見，滲透率低已經成為制約煤層瓦斯抽採的關鍵因素，提高煤層滲透率，是瓦斯災害治理和資源利用的根本途徑。瓦斯預抽已經成為我國煤礦瓦斯治理的一項重要技術，煤層透氣性係數的高低直接決定著抽採效果的好壞。但是當前普遍存在預抽鑽孔工程量大，抽採效率低，單個鑽孔有效影響範圍小等問題，導致常規瓦斯抽採方法難以發揮作用，瓦斯爆炸和瓦斯突出的威脅也愈加嚴重。
目前煤層增透的主要技術手段有深孔控制預裂爆破增透、水力增透等，其中水力增透又包括水力壓裂增透及水力割縫增透等。上述技術手段在含瓦斯煤體增透方面均可取得一定的積極效果，然而也存在一定的局限性。深孔控制預裂爆破常出現拒爆、熄爆現象且一旦出現處理工序繁瑣、極易為煤層的開採留下安全隱患，而且增透效果好壞不一；水力壓裂及水力割縫目前應用較廣，但是水力壓裂在構造煤地帶效果甚微，再加上有些地區煤層本身差異性以及水對瓦斯解吸的抑制作用，導致增透效果並不理想。因此，有必要提供一種針對含瓦斯煤體增透的新手段，使其無論是在適用性還是實用性上都起到較好的效果且具有一定的推廣應用價值，真正實現含瓦斯煤體的增透，提高瓦斯抽採率。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種二氧化碳爆破與酸化聯合作用的含瓦斯煤體增透方法，前期通過二氧化碳爆破使得煤體中裂隙充分擴展，在為後期酸液的注入創造有利條件同時增大酸液與煤體的接觸面積及酸液的有效作用距離，在深度與廣度上真正形成煤層深部酸化改造的同時提高煤質，而且無論是前期的二氧化碳爆破還是後期的酸化，煤體中均增加了大量的二氧化碳，而煤對二氧化碳的吸附能力遠大於甲烷，進而對甲烷起到置換、驅替的作用，使得煤層透氣性大大增加，最終達到提高煤層瓦斯抽採率的目的。
為實現上述目的，採用如下技術方案：
一種二氧化碳爆破與酸化聯合作用的含瓦斯煤體增透方法，包括以下步驟：
(a)制定增透方案：根據工作面參數及煤層厚度確定爆破孔和酸化孔的布置方式；
(b)二氧化碳爆破與酸化聯合增透：首先利用爆破孔對含瓦斯煤體進行二氧化碳爆破，其次利用酸化孔注入酸液封孔並保持設定時間；
(c)瓦斯抽採：將爆破孔及酸化孔接入抽採系統進行瓦斯抽採。
所述步驟(a)中，制定的增透方案中包括若干增透單元，若煤厚M≤2m，則以1個爆破孔、1個酸化孔為一個增透單元；若煤厚M＞2m，則以1個爆破孔、4個酸化孔為一個增透單元。
煤厚M≤2m時，所有的爆破孔與酸化孔孔底的中心位於同一平面上。
煤厚M≤2m時，增透單元等間距布置。
煤厚M＞2m時，每個增透單元中以爆破孔為中心，菱形布置酸化孔且菱形長軸沿水平方向。
煤厚M＞2m時，分層布設增透單元，每層上設有若干個增透單元。
所述步驟(b)中的酸液為：質量分數分別對應為15％～20％、2％～4％、1％～2％的HCL、HF、CH3COOH的混合酸液。
所述步驟(b)中的設定時間不少於48h。
本發明具有如下有益效果：
1.相比巖石，煤中層理、裂隙高度發育，可以看作是裂隙集合體，採用二氧化碳爆破使得煤層中裂隙擴展並增加，形成瓦斯流動通道，進而使得煤層中的游離瓦斯快速釋放，吸附瓦斯也可解吸釋放，有效降低了煤層中瓦斯含量；同時爆破後由於煤體中裂隙增多，此時注入酸性溶液更為容易且增加了與煤體的接觸面積同時也增大了酸液的有效作用距離，在深度與廣度上真正形成煤層的深部酸化改造，有利於煤層的進一步增透。
2.採用鹽酸、氫氟酸及醋酸等多組分酸性溶液，其中以鹽酸作為主體酸，可有效溶解煤中的碳酸鹽巖類礦物成分及硫化物，並且在煤層中保持較低PH值，可抑制氫氧化鐵沉澱生成；氫氟酸作為一種輔助酸，用於溶解煤層中所含有的矽酸鹽巖類礦物成分；醋酸作為有機酸，屬於弱酸起輔助作用，可緩蝕緩速酸化能力，進而可使酸化程度最優化，增加煤層透氣性，提高瓦斯抽採率。
3.煤中所含可與酸性溶液反應的主要碳酸鹽及硫化物屬於煤的無機物質中的礦物質類，是有害成分且是煤中的主要雜質，注入酸液在實現增透的同時也提高了煤的質量和利用價值，是一種一舉兩得的舉措。
4.前期的二氧化碳爆破及後期的酸化使得煤體中二氧化碳含量大大增加，而煤對二氧化碳的吸附能力遠大於甲烷，進而對甲烷起到置換、驅替的作用，有利於瓦斯的抽採。
5.二氧化碳爆破與酸化聯合作用於含瓦斯煤體，充分將二者的長處進行有機結合，相互促進，不僅顯著增加了煤層的透氣性，提高了瓦斯抽採率，同時破壞了堅硬煤體的完整性，顯著降低了其儲能特性，是一種一舉多得的舉措，易實施且適用範圍廣，增透效果好，具有廣泛的推廣應用價值，而且對於衝擊地壓-煤與瓦斯突出等煤礦複合動力災害的防治也具有積極的意義。
附圖說明
圖1是本發明一種二氧化碳爆破與酸化聯合作用的含瓦斯煤體增透方法流程圖。
圖2(a)是本發明一種二氧化碳爆破與酸化聯合作用的含瓦斯煤體增透方法中煤厚M＜2m的增透單元鑽孔布置方式圖。
圖2(b)是本發明一種二氧化碳爆破與酸化聯合作用的含瓦斯煤體增透方法中煤厚M≥2m的增透單元鑽孔布置方式圖。
圖3是採取本發明前、後的鑽孔單孔平均瓦斯抽採純量分布柱狀圖。
具體實施方式
為充分體現本發明的特徵與優點，下面將結合具體實施例及附圖予以詳細敘述。
研究背景：某礦C4煤層11103工作面，採用走向長壁採煤法開採，其中傾向長度80m，走向長度600m，煤層厚度0.75-2.05m，平均厚度1.40m，煤層結構較簡單、層位較穩定、對比可靠、區內可採，屬較穩定型煤層。上距C5煤層平均10.5m，下距C3煤層平均18.35m，頂板巖性為泥巖及砂質泥巖局部含有粉砂巖，底板巖性以粉砂質泥巖為主。現場測定絕對瓦斯壓力最高達1.97MPa，最低1.82MPa，直接法測定煤層高瓦斯含量最高達19.7782m3/t，屬於典型煤與瓦斯突出型礦井，煤層中硬，無煙煤，變質程度高，煤質較好，透氣性係數0.029m2/(MPa2·d)，屬於典型含瓦斯難抽煤層。
一種二氧化碳爆破與酸化聯合作用的含瓦斯煤體增透方法，包含步驟如下：
(a)制定增透方案：根據工作面參數及煤層厚度、瓦斯含量等確定鑽孔布置方式；
在該礦11103工作面以5m距離等間距分別在傾斜方向布置8個增透單元，走向方向布置7個增透單元作為一個增透階段，根據走向長度總共劃分為10個增透階段，分階段逐步實施。由於煤厚M≤2m，則以1個爆破孔、1個酸化孔為一個增透單元，爆破孔與酸化孔間距5m，爆破孔及酸化孔孔深均延伸至煤層中部且爆破孔與酸化孔底中心位於同一水平面上(圖2(a))，由於煤厚不滿足M＞2m，故未採用圖2(b)增透單元鑽孔布置方式。
(b)二氧化碳爆破與酸化聯合增透：首先利用爆破孔對含瓦斯煤體進行二氧化碳爆破，其次利用酸化孔注入酸液封孔並保持設定時間；
其中，酸液質量分數確定操作過程如下：
現場取煤樣，對取回的煤樣進行加工使其滿足實驗室實驗要求，利用電鏡掃描、CT或核磁共振觀測煤樣的微觀結構，利用X射線衍射及螢光光譜查明煤樣中可與酸反應的碳酸鹽巖、矽酸鹽巖及硫化物種類並利用標定法確定含量。表1給出了本實施例煤樣中所含可與酸性溶液反應的碳酸鹽巖、矽酸鹽巖及硫化物成分及含量。
表1
通過煤粉溶蝕率測定實驗確定適合本煤層的複合酸液的質量分數，具體操作過程如下：將煤樣研磨成80目的煤粉，用分析天平稱取4份煤粉各3g，精度為0.001g；將煤粉與酸液按一定比例倒入玻璃量筒中，再放入60℃的恆溫水浴臺中進行加熱反應；反應達到預定時間3h後，將量筒從恆溫水浴臺中取出，過濾把剩下的煤粉以及濾紙放入乾燥箱中，直至恆重；根據酸化前後煤粉的質量變化，計算出不同質量分數混合酸液對煤粉的溶蝕率，確定出合適的酸液質量分數。
溶蝕率K計算表達式為：式中，m1-酸化前煤粉質量，g；m2-酸化後煤粉質量，g；
由表1分析可知，該煤樣中碳酸鹽巖、矽酸鹽巖所佔比重較大，在溶蝕率測定時，適當提高混合酸液中HCL、HF的比例，試驗最終確定選取的適合本煤層的混合酸液為20％HCL+3％HF+2％CH3COOH；
(c)瓦斯抽採：將爆破孔及酸化孔接入抽採系統進行瓦斯抽採。
將確定好質量分數的混合酸液注入二氧化碳爆破孔與酸化孔，封孔並保持設定時間不少於48h，本實施例優選48小時，之後將酸化孔和爆破孔封孔接入抽採系統進行聯合抽採。
一個階段操作結束，對剩餘階段逐一重複步驟(b)和步驟(c)，直至工作面增透結束。
根據現場實施方案監測的效果(圖3)可知，對含瓦斯煤體採取二氧化碳爆破與酸化聯合作用，鑽孔單孔平均瓦斯抽採純量顯著增加，增透效果明顯。分析認為，二氧化碳爆破首先實現了含瓦斯煤體的一級增透，此時煤中游離瓦斯快速釋放，吸附瓦斯也可解吸為游離瓦斯釋放，同時壓裂使煤體產生大量裂隙，增加了瓦斯運移通道，後期注入酸性溶液更為容易且增大了酸液與煤體的接觸面積及有效作用距離，充分溶解煤中雜質的同時進一步增加煤體的滲透率，同時也淨化了煤質，使酸化程度最優化，實現了含瓦斯煤體的二級增透，同時，前期的二氧化碳爆破及後期的酸化使得煤體中二氧化碳含量大大增加，而煤對二氧化碳的吸附能力遠大於甲烷，進而對甲烷起到置換、驅替的作用，有利於瓦斯的抽採。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。