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摘要：针对单一低透气性煤层瓦斯含量高、预抽效果不理想的情况，采用液态CO2相变致裂技术，在穿层钻孔中利用瞬间产生的高压CO2气体冲击煤体，产生大量裂隙并促使裂隙发育、扩展，以达到提高煤层透气性的目的。在绿塘煤矿南二采区S204工作面进行的试验表明： 液态CO2相变致裂技术可有效提高瓦斯抽采效果，试验后平均抽采流量0.057 m3/min，是试验前平均流量的4.3倍，是相同抽采时间内水力冲孔措施平均抽采流量的2.3倍; 抽采浓度也有所提升; 在试验考察期内流量衰减系数降低到0.046 d-1，增透效果显著。
关键词： 单一低渗低透煤层; 液态CO2; 相变致裂增透
1 引言
我国95%以上的高瓦斯、突出矿井开采的煤层是低渗、低透煤层[1]。并且只有少部分煤矿具有保护层开采条件，多数矿井为单一煤层开采。
单一低渗、低透煤层具有瓦斯含量高，抽采难度大等特点。在瓦斯抽采治理过程中存在瓦斯抽采流量小、衰减快，预抽时间长、钻孔利用率低等弊端，给矿井安全生产、采掘接替造成极大困难。为了解决单一低渗、低透煤层瓦斯治理难题，国内学者提出了水力割缝、水力压裂、预裂爆破等增透增渗措施，这些干预预抽措施在提高煤层透气性、强化瓦斯抽采措施方面起到了显著作用。但是，这些增透增渗措施同样存在缺陷：水力冲孔技术在硬煤中冲孔难度大，在软煤中又容易造成塌孔压埋钻具;水力割缝存在喷孔严重，导致作业场所环境恶劣;深孔预裂爆破主要存在装药量难以控制、易出现哑炮等缺陷，且出现哑炮后处理难度极大。
2 液态CO2相变致裂技术
2.1 技术原理
CO2在31°C以下，7.2MPa压力时以液态存在，1kg液态CO2吸收60KJ的热量能够汽化，当温度超过31℃时，无论压力多大，液态CO2将在40ms内汽化。CO2正常存放和运输不会激活汽化液态CO2汽化产生高压波，致裂煤层增透，提高瓦斯抽采效率。利用CO2的亲煤特性和其膨胀过程对煤层吸附瓦斯的驱赶，实现解吸，促进游离，使煤层透气性和瓦斯游离度双重提高。在具有突出威胁的煤层中使用，可安全有效地卸压煤层中“瓦斯突出源”。
CO2预裂增透技术，是近几年来发展起来的新型煤层瓦斯增透技术，是通过将高压的液态CO2置入钻孔内，通过发生装置将液态CO2瞬间气化，气化后，CO2体积急速膨胀，一方面，利用巨大的膨胀能对煤层进行预裂增透，另一个方面，利用煤层对CO2的吸附作用是瓦斯的8倍，煤层对其亲和力远远高于瓦斯，来对瓦斯进行置换作用。
2.2 技术工艺
CO2预裂技术是在瓦斯抽采的同时进行CO2预裂驱离，具体工艺流程为：先施工瓦斯抽采钻孔并接抽→施工CO2预裂驱离钻孔→CO2预裂→取出预裂器→所有钻孔接抽。
CO2预裂增透工艺如下：
（1）预裂器入孔前逐一檢查是否存在异常现象，确认正常后方可将预裂器推入钻孔。
（2）检测全部的线路是否达到预裂的标准，达到预裂标准后，用施压泵对封孔器进行加压。加压完成后方可起爆预裂。
（3）启动预裂
a）启动预裂前，必须将周围的电器设备和材料保护好，保证预裂的成功。
b）预裂前测量作业地点附近的瓦斯、CO2浓度，待瓦斯浓度低于0.5%、CO2浓度低于0.5%方可开始作业。
c）预裂作业时要布置警戒线，并悬挂警戒牌，严禁人员进入工作面。
d）将引发线引至警戒线以外的新鲜风流中，经专业人员检查整个电路系统无误后，将引发线与发爆器连接，接到跟班队干引发命令后方可启动发爆器。
（4）杆体的拆除
a）压裂完成30min后由专职瓦检员及时对压裂孔附近20m内瓦斯、二氧化碳浓度进行测量，浓度正常时方可进行下一步作业，发现异常严禁作业，及时通知调度室。
b）经检查瓦斯及CO2浓度正常后，经专业人员检测一切都正常后方可进行退预裂器作业。
3现场试验
3.1工作面概况
绿塘煤矿南二采区S204工作面走向长度为1585m，斜长为115m，埋深为177～322m，顶板为粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩，底板为泥岩、粉砂质泥岩。开采的6中煤层在本工作面平均厚度3.19m，平均倾角为6°，煤层硬度f在0.16～0.468之间，结构较复杂，夹矸0～6层，煤层层位、厚度、结构基本稳定。S204工作面6中煤层瓦斯原始含量平均为14.53m3/t（当煤层埋深在154m时瓦斯含量为10.8m3/t，埋深每100m增加3.7284m3/t）。
根据6中S204运输巷区域条带预抽瓦斯治理及穿层钻孔布置情况，6中S 204运输巷局部瓦斯治理方案为“两抽、三控、两致、三爆”。
“两抽”即在6中S204运输巷掘进工作面迎头在巷道两侧各施工一个瓦斯抽采孔;“三控”即除巷道两侧抽采孔兼做二氧化碳致裂和深孔预裂爆破控制孔外，在实施深孔预裂爆破前在巷道中间沿巷道中轴线方向再施工一个爆破控制孔;“两致”即在6中S204运输巷距巷帮0.5m处各施工一个致裂孔分别进行一次二氧化碳致裂;“三爆”即在两个致裂孔二氧化碳致裂结束后及时进行全孔装药及在爆破控制孔内装药实施深孔卸压控制爆破。
3.2致裂效果分析
（1）抽采浓度对比
在6中S204顶抽巷未致裂区域挑选两排抽采效果较好的钻孔，某天的瓦斯抽采数据分析。
钻孔抽采浓度参差不齐，个别钻孔抽采效果较好，多数钻孔浓度偏低，两排钻孔平均浓度为27.8%。相变致裂措施后进行封孔连抽，对所有连抽钻孔数据进行监测，所测第9组、第10组和第11组钻孔平均浓度和平均工况流量.
各组致裂孔平均抽采瓦斯浓度均在70%左右，平均流量在0.2m3/min以上;未致裂前，该区域钻场内穿层钻孔平均瓦斯浓度约为10%，排放钻孔平均瓦斯浓度约为27.8%。实施CO2致裂后，致裂孔平均瓦斯抽采浓度是钻场穿层钻孔瓦斯浓度的7倍，是排放钻孔瓦斯浓度的2.5倍。
抽采流量增大的同时，钻孔流量衰减系数也比原来减小。相变致裂试验前，1号孔的衰减系数为0.384 d-1; 相变致裂后，在10 d的考察期内，1号预裂孔的流量衰减系数降为0.046 d-1。相变致裂后，抽采流量的升高，以及流量衰减系数的降低，表明通过相变致裂，在煤体中产生了利于瓦斯抽采的裂缝、裂隙，改善了煤体的应力条件，促进了瓦斯的解吸，使钻孔瓦斯抽采更具有可持续性。
4 结论
（1） 液态CO2相变致裂技术利用瞬间释放的高压、高速CO2气体冲击煤体产生大量裂隙，在钻孔周围形成一片裂隙发育、透气性好的抽采区域，达到了强化增透目的。
（2） 通过相变致裂，钻孔瓦斯流量得到显著提升，预裂孔试验前流量已自然衰减为0.004 m3/min，试验后升高到0.078 m3/min，提高了18.5倍。在10 d的考察期内，平均抽采流量为0.057 m3/min，是相变致裂前钻孔平均流量的4.3倍，是相同抽采时间内水力冲孔平均流量的2.3倍，抽采浓度也有不同程度提高; 流量衰减系数由0.384 d-1降低到0.046 d-1，使抽采更具有可持续性，表现出良好的强化抽采效果。
（3） 液态CO2相变致裂技术工艺简单，技术可行，实施过程及致裂过程安全可靠，不会对煤层的顶底板产生破坏，不会引起瓦斯超限。在低透低渗突出软煤中也具有很好的增透增渗效果，拓宽了该技术适用煤体的范围，为矿井瓦斯治理工作提供了新方法。
关键词： 单一低渗低透煤层; 液态CO2; 相变致裂增透
1 引言
我国95%以上的高瓦斯、突出矿井开采的煤层是低渗、低透煤层[1]。并且只有少部分煤矿具有保护层开采条件，多数矿井为单一煤层开采。
单一低渗、低透煤层具有瓦斯含量高，抽采难度大等特点。在瓦斯抽采治理过程中存在瓦斯抽采流量小、衰减快，预抽时间长、钻孔利用率低等弊端，给矿井安全生产、采掘接替造成极大困难。为了解决单一低渗、低透煤层瓦斯治理难题，国内学者提出了水力割缝、水力压裂、预裂爆破等增透增渗措施，这些干预预抽措施在提高煤层透气性、强化瓦斯抽采措施方面起到了显著作用。但是，这些增透增渗措施同样存在缺陷：水力冲孔技术在硬煤中冲孔难度大，在软煤中又容易造成塌孔压埋钻具;水力割缝存在喷孔严重，导致作业场所环境恶劣;深孔预裂爆破主要存在装药量难以控制、易出现哑炮等缺陷，且出现哑炮后处理难度极大。
2 液态CO2相变致裂技术
2.1 技术原理
CO2在31°C以下，7.2MPa压力时以液态存在，1kg液态CO2吸收60KJ的热量能够汽化，当温度超过31℃时，无论压力多大，液态CO2将在40ms内汽化。CO2正常存放和运输不会激活汽化液态CO2汽化产生高压波，致裂煤层增透，提高瓦斯抽采效率。利用CO2的亲煤特性和其膨胀过程对煤层吸附瓦斯的驱赶，实现解吸，促进游离，使煤层透气性和瓦斯游离度双重提高。在具有突出威胁的煤层中使用，可安全有效地卸压煤层中“瓦斯突出源”。
CO2预裂增透技术，是近几年来发展起来的新型煤层瓦斯增透技术，是通过将高压的液态CO2置入钻孔内，通过发生装置将液态CO2瞬间气化，气化后，CO2体积急速膨胀，一方面，利用巨大的膨胀能对煤层进行预裂增透，另一个方面，利用煤层对CO2的吸附作用是瓦斯的8倍，煤层对其亲和力远远高于瓦斯，来对瓦斯进行置换作用。
2.2 技术工艺
CO2预裂技术是在瓦斯抽采的同时进行CO2预裂驱离，具体工艺流程为：先施工瓦斯抽采钻孔并接抽→施工CO2预裂驱离钻孔→CO2预裂→取出预裂器→所有钻孔接抽。
CO2预裂增透工艺如下：
（1）预裂器入孔前逐一檢查是否存在异常现象，确认正常后方可将预裂器推入钻孔。
（2）检测全部的线路是否达到预裂的标准，达到预裂标准后，用施压泵对封孔器进行加压。加压完成后方可起爆预裂。
（3）启动预裂
a）启动预裂前，必须将周围的电器设备和材料保护好，保证预裂的成功。
b）预裂前测量作业地点附近的瓦斯、CO2浓度，待瓦斯浓度低于0.5%、CO2浓度低于0.5%方可开始作业。
c）预裂作业时要布置警戒线，并悬挂警戒牌，严禁人员进入工作面。
d）将引发线引至警戒线以外的新鲜风流中，经专业人员检查整个电路系统无误后，将引发线与发爆器连接，接到跟班队干引发命令后方可启动发爆器。
（4）杆体的拆除
a）压裂完成30min后由专职瓦检员及时对压裂孔附近20m内瓦斯、二氧化碳浓度进行测量，浓度正常时方可进行下一步作业，发现异常严禁作业，及时通知调度室。
b）经检查瓦斯及CO2浓度正常后，经专业人员检测一切都正常后方可进行退预裂器作业。
3现场试验
3.1工作面概况
绿塘煤矿南二采区S204工作面走向长度为1585m，斜长为115m，埋深为177～322m，顶板为粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩，底板为泥岩、粉砂质泥岩。开采的6中煤层在本工作面平均厚度3.19m，平均倾角为6°，煤层硬度f在0.16～0.468之间，结构较复杂，夹矸0～6层，煤层层位、厚度、结构基本稳定。S204工作面6中煤层瓦斯原始含量平均为14.53m3/t（当煤层埋深在154m时瓦斯含量为10.8m3/t，埋深每100m增加3.7284m3/t）。
根据6中S204运输巷区域条带预抽瓦斯治理及穿层钻孔布置情况，6中S 204运输巷局部瓦斯治理方案为“两抽、三控、两致、三爆”。
“两抽”即在6中S204运输巷掘进工作面迎头在巷道两侧各施工一个瓦斯抽采孔;“三控”即除巷道两侧抽采孔兼做二氧化碳致裂和深孔预裂爆破控制孔外，在实施深孔预裂爆破前在巷道中间沿巷道中轴线方向再施工一个爆破控制孔;“两致”即在6中S204运输巷距巷帮0.5m处各施工一个致裂孔分别进行一次二氧化碳致裂;“三爆”即在两个致裂孔二氧化碳致裂结束后及时进行全孔装药及在爆破控制孔内装药实施深孔卸压控制爆破。
3.2致裂效果分析
（1）抽采浓度对比
在6中S204顶抽巷未致裂区域挑选两排抽采效果较好的钻孔，某天的瓦斯抽采数据分析。
钻孔抽采浓度参差不齐，个别钻孔抽采效果较好，多数钻孔浓度偏低，两排钻孔平均浓度为27.8%。相变致裂措施后进行封孔连抽，对所有连抽钻孔数据进行监测，所测第9组、第10组和第11组钻孔平均浓度和平均工况流量.
各组致裂孔平均抽采瓦斯浓度均在70%左右，平均流量在0.2m3/min以上;未致裂前，该区域钻场内穿层钻孔平均瓦斯浓度约为10%，排放钻孔平均瓦斯浓度约为27.8%。实施CO2致裂后，致裂孔平均瓦斯抽采浓度是钻场穿层钻孔瓦斯浓度的7倍，是排放钻孔瓦斯浓度的2.5倍。
抽采流量增大的同时，钻孔流量衰减系数也比原来减小。相变致裂试验前，1号孔的衰减系数为0.384 d-1; 相变致裂后，在10 d的考察期内，1号预裂孔的流量衰减系数降为0.046 d-1。相变致裂后，抽采流量的升高，以及流量衰减系数的降低，表明通过相变致裂，在煤体中产生了利于瓦斯抽采的裂缝、裂隙，改善了煤体的应力条件，促进了瓦斯的解吸，使钻孔瓦斯抽采更具有可持续性。
4 结论
（1） 液态CO2相变致裂技术利用瞬间释放的高压、高速CO2气体冲击煤体产生大量裂隙，在钻孔周围形成一片裂隙发育、透气性好的抽采区域，达到了强化增透目的。
（2） 通过相变致裂，钻孔瓦斯流量得到显著提升，预裂孔试验前流量已自然衰减为0.004 m3/min，试验后升高到0.078 m3/min，提高了18.5倍。在10 d的考察期内，平均抽采流量为0.057 m3/min，是相变致裂前钻孔平均流量的4.3倍，是相同抽采时间内水力冲孔平均流量的2.3倍，抽采浓度也有不同程度提高; 流量衰减系数由0.384 d-1降低到0.046 d-1，使抽采更具有可持续性，表现出良好的强化抽采效果。
（3） 液态CO2相变致裂技术工艺简单，技术可行，实施过程及致裂过程安全可靠，不会对煤层的顶底板产生破坏，不会引起瓦斯超限。在低透低渗突出软煤中也具有很好的增透增渗效果，拓宽了该技术适用煤体的范围，为矿井瓦斯治理工作提供了新方法。