掘進(jìn)煤巷氣相壓裂瓦斯涌出規(guī)律研究

張肖峰，張軍勝，王曉東，范延昌

(1.山西陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)，山西 陽(yáng)泉 045400；2.河南理工大學(xué) 煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南 焦作 454000；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

·試驗(yàn)研究·

掘進(jìn)煤巷氣相壓裂瓦斯涌出規(guī)律研究

張肖峰1，張軍勝2,3，王曉東1，范延昌2,3

(1.山西陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)，山西 陽(yáng)泉 045400；
2.河南理工大學(xué) 煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南 焦作 454000；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

通過(guò)對(duì)新元煤礦31004掘進(jìn)工作面進(jìn)行氣相壓裂試驗(yàn)，分析總結(jié)出實(shí)施氣象壓裂后的瓦斯涌出規(guī)律：巷道回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛壬叱霈F(xiàn)一個(gè)峰值，主要原因是氣相壓裂的擾動(dòng)，煤層造成裂縫，煤層瓦斯沿裂縫涌向巷道；實(shí)施氣相壓裂措施后，煤巷掘進(jìn)過(guò)程中，瓦斯涌出均衡，而且數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示，雙孔氣相壓裂后割煤時(shí)的瓦斯涌出量大于單孔壓裂后割煤時(shí)的瓦斯涌出量。實(shí)施氣相壓裂措施后，實(shí)現(xiàn)了煤巷安全高效快速掘進(jìn)。

氣相壓裂；瓦斯?jié)舛?；雙孔壓裂；安全掘進(jìn)

隨著開(kāi)采水平的延深，煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量隨之增大，礦井瓦斯等級(jí)升高，低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井，高瓦斯礦井變?yōu)橥怀龅V井。同時(shí)，隨著采煤機(jī)械化程度的提高，推進(jìn)速度加快，掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量急劇增加，經(jīng)常造成瓦斯?jié)舛瘸?。一旦瓦斯超限，就必須停止掘進(jìn)，采取瓦斯抽采措施，這影響了掘進(jìn)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，成為制約大型煤礦掘采失調(diào)的主要原因[1-4]. 在掘進(jìn)工作面進(jìn)風(fēng)量恒定條件下，割煤時(shí)瓦斯大量涌出，是造成風(fēng)流中瓦斯?jié)舛人查g升高超限的主要原因[5]. 如何解決割煤期間瓦斯涌出不均衡，實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)，是煤炭企業(yè)追求的共同目標(biāo)。

二氧化碳?xì)庀鄩毫鸭夹g(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一項(xiàng)瓦斯綜合治理新技術(shù)，它具有均衡瓦斯壓力場(chǎng)和地應(yīng)力場(chǎng)的雙重效應(yīng)[6]，本文對(duì)新元煤礦31004掘進(jìn)工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷道實(shí)施氣相壓裂后的瓦斯涌出情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出實(shí)施氣相壓裂后的瓦斯涌出規(guī)律，對(duì)瓦斯涌出異常的煤巷掘進(jìn)提供了指導(dǎo)意義。

1 概 況

新元煤礦是陽(yáng)煤集團(tuán)主要生產(chǎn)礦井之一，設(shè)計(jì)煤炭產(chǎn)量為5 Mt/a. 該礦位于沁水煤田北部陽(yáng)泉礦區(qū)，井田構(gòu)造為大型寬緩單斜；東西長(zhǎng)15.6 km，南北寬9.6 km，近似長(zhǎng)方形，面積約146 km2，主采煤層為山西組3#煤層和太原組的9#、15#煤層，2015年鑒定為突出礦井。試驗(yàn)區(qū)域31004工作面位于井田南區(qū)，工作面整體為東高西低的單斜構(gòu)造形態(tài)。31004工作面主采3#煤，底板標(biāo)高504～586 m，地面標(biāo)高1 068.1～1 071 m，埋深485～564.1 m，工作面長(zhǎng)度2 677 m，傾斜長(zhǎng)240 m，煤層厚度2.52～2.82 m，最大瓦斯含量為12.70 m3/t，堅(jiān)固性系數(shù)為0.3～0.5，煤層以亮煤為主，煤層結(jié)構(gòu)：0.40(0.03)2.29，2°～4°. 未采取氣相壓裂措施時(shí)，臨近巷道月進(jìn)尺30～40 m；掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯涌出不均衡。

2 氣相壓裂裝置及技術(shù)原理

2.1 氣相壓裂裝置簡(jiǎn)介

氣相壓裂裝置和材料主要由6部分組成(圖1)，包括壓裂管、充氣閥、噴氣閥、控壓剪切片、加熱器和液態(tài)CO2等。壓裂管是高強(qiáng)度空心鋼管，兩端分別是與之密封連接的充氣閥和噴氣閥。管內(nèi)部裝有液態(tài)CO2和加熱器，噴氣閥端裝有控制爆破壓力的控壓剪切片。在啟爆器引爆加熱器時(shí)，管中液態(tài)CO2在20～40 ms轉(zhuǎn)換為高壓氣體，氣體壓力在達(dá)到剪切片控制壓力時(shí)沖破剪切片，從噴氣閥噴出作用于煤層，破壞煤層，在煤層中形成多尺度裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有利于煤層瓦斯的釋放。

圖1 氣相壓裂裝置示意圖

氣相壓裂屬于低溫非炸藥破巖技術(shù)。由于氣相壓裂過(guò)程中不產(chǎn)生高溫和火花，不會(huì)引起瓦斯及煤塵爆炸，可以在易燃煤層或高瓦斯及突出煤礦中安全使用。其主要化工材料液相CO2和加熱器是低溫氣體和非爆炸器材，購(gòu)置和儲(chǔ)存不需要專(zhuān)項(xiàng)審批手續(xù)，可以安全運(yùn)輸和保管，施工操作簡(jiǎn)單，無(wú)需專(zhuān)門(mén)放炮員。壓裂無(wú)破壞性震蕩和沖擊波，對(duì)巷道支護(hù)不會(huì)產(chǎn)生破壞性影響。

2.2 氣相壓裂治理瓦斯技術(shù)原理

煤層進(jìn)行過(guò)氣相壓裂以后：1) 二氧化碳?xì)怏w瞬間以高速射流狀態(tài)噴出作用于煤層，煤層內(nèi)部受力區(qū)域失穩(wěn)破壞，形成大量宏觀裂隙，這個(gè)過(guò)程為氣相壓裂的動(dòng)壓作用過(guò)程，持續(xù)時(shí)間很短。2) 瞬間射流沖擊作用結(jié)束后鉆孔內(nèi)充滿(mǎn)高壓的二氧化碳?xì)怏w還未來(lái)得及逸散出煤層，致使煤層孔隙產(chǎn)生異常超壓，作用在煤體骨架上，驅(qū)動(dòng)煤層裂隙繼續(xù)延展，形成大量微觀裂縫，這個(gè)過(guò)程為氣相壓裂的靜壓作用過(guò)程，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

氣相壓裂在煤層中形成網(wǎng)狀裂隙系統(tǒng)，煤層滲透性大幅度提高，瓦斯由吸附狀態(tài)變?yōu)橛坞x狀態(tài)并向煤壁外涌出，最終平衡于大氣壓，從而形成了新的瓦斯壓力場(chǎng)：瓦斯壓力梯度降低，瓦斯壓力降低并均化，動(dòng)力現(xiàn)象減少，掘進(jìn)期間瓦斯穩(wěn)定均勻涌出；另一方面氣相壓裂后產(chǎn)生裂隙造成煤層松動(dòng)，形成新的應(yīng)力場(chǎng)，壓裂鉆孔近孔區(qū)域應(yīng)力集中得到緩解或降低，起到均化地應(yīng)力的效果，其主要表現(xiàn)為掘進(jìn)過(guò)程中煤炮聲減少，卸壓孔施工過(guò)程中壓鉆現(xiàn)象減少。通過(guò)實(shí)施氣相壓裂，極大地提高了掘進(jìn)速度。

3 壓裂區(qū)域試驗(yàn)方案

2015年新元煤礦鑒定為突出礦井，曾發(fā)生過(guò)突出事故，31004工作面相鄰區(qū)域巷道掘進(jìn)月進(jìn)尺30～40 m，2013年31004工作面由于瓦斯壓力大，掘進(jìn)困難而停止，現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域31004掘進(jìn)工作面制定了單孔和雙孔氣相壓裂技術(shù)方案，即：

1) 60 m單孔壓裂方案：“1+10”方案，1個(gè)壓裂鉆孔+10個(gè)抽采鉆孔，壓裂預(yù)抽。

2) 60 m雙孔壓裂方案：“2+9”方案，2個(gè)壓裂鉆孔+9個(gè)抽采鉆孔，壓裂預(yù)抽。

3) 80 m雙孔壓裂方案：“2+9”方案，2個(gè)壓裂鉆孔+9個(gè)抽采鉆孔，壓裂預(yù)抽。

壓裂管型號(hào)為C74 L型，壓裂管長(zhǎng)度1.7 m，單根壓裂管充裝液態(tài)CO2量為2 kg，控壓剪切片壓力為126 MPa，依次實(shí)施3種不同方案。方案設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2,3.

圖2 單孔壓裂設(shè)計(jì)圖

圖3 雙孔壓裂設(shè)計(jì)圖

4 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律

4.1 氣相壓裂過(guò)程中瓦斯涌出規(guī)律

31004掘進(jìn)工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷共進(jìn)行了6個(gè)循環(huán)氣相壓裂，3種壓裂方案各執(zhí)行2次，壓裂完畢后封孔預(yù)抽，預(yù)抽時(shí)間10天左右。當(dāng)抽采純量小于0.3 m3/min時(shí)，停止抽采，取樣測(cè)試防突參數(shù)K1值，K1值小于0.4方可恢復(fù)掘進(jìn)。6個(gè)循環(huán)累計(jì)巷道掘進(jìn)進(jìn)尺342 m.氣相壓裂掘進(jìn)情況見(jiàn)表1.

壓裂期間，根據(jù)回風(fēng)流中瓦斯探頭監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛?，每次壓裂完后，根?jù)壓裂當(dāng)天瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葧?huì)瞬間增高，出現(xiàn)一個(gè)峰值，然后下降，每次持續(xù)時(shí)間0.5～1 h，壓裂過(guò)程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)見(jiàn)圖4.

表1 31004掘進(jìn)工作面氣相壓裂掘進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)表

圖4 壓裂期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)圖

原因分析：氣相壓裂后產(chǎn)生裂縫及擾動(dòng)，煤層得到卸壓，同時(shí)煤層裂縫之間連通，煤層滲透性大幅度提高，煤層中游離的瓦斯通過(guò)裂縫迅速向壓裂鉆孔方向滲流擴(kuò)散到巷道中并最終平衡于大氣壓；同時(shí)吸附瓦斯迅速解吸并與游離瓦斯壓力場(chǎng)乃至鉆孔大氣壓場(chǎng)平衡，最終形成了新生瓦斯壓力場(chǎng)。因此在壓裂期間瓦斯?jié)舛葧?huì)瞬間升高，出現(xiàn)一個(gè)短暫的峰值，然后下降，恢復(fù)平衡。

4.2 掘進(jìn)期間工作面瓦斯涌出規(guī)律

工作面恢復(fù)掘進(jìn)后，平均每天進(jìn)尺約6 m，完成一循環(huán)60 m氣相壓裂措施，掘進(jìn)大約需要8天；完成一循環(huán)80 m氣相壓裂，掘進(jìn)大約需要12天。根據(jù)割煤期間煤頭監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛龋蜻M(jìn)期間每天平均瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖5. 由圖5可知，實(shí)施60 m單孔壓裂方案后，掘進(jìn)期間煤頭瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.3%，割煤期間瓦斯?jié)舛认鄬?duì)穩(wěn)定，沒(méi)有異常升高現(xiàn)象；60 m雙孔壓裂后掘進(jìn)期間煤頭瓦斯?jié)舛葹?.3%～0.4%，沒(méi)有異常波動(dòng)現(xiàn)象；80 m雙孔壓裂后，掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛葹?.3%～0.58%，濃度相對(duì)出現(xiàn)波動(dòng)，掘進(jìn)過(guò)程中煤頭瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)見(jiàn)圖5.

原因分析：氣相壓裂后，掘進(jìn)面前方煤體產(chǎn)生裂縫卸壓，滲透性大幅度提高，地應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)得以均化，割煤時(shí)瓦斯均勻涌出，不再出現(xiàn)瓦斯突然升高現(xiàn)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速掘進(jìn)，這對(duì)其他巷道掘進(jìn)或回采過(guò)程中瓦斯涌出異常問(wèn)題的治理具有指導(dǎo)意義。

從圖5可以看出，雙孔壓裂后，掘進(jìn)期間煤頭平均瓦斯?jié)舛雀哂趩慰讐毫押竺侯^的瓦斯平均濃度，主要原因是實(shí)施雙孔壓裂后，壓裂的范圍更大，壓裂后產(chǎn)生的裂隙連通性更好，更有利于瓦斯的釋放。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)80 m雙孔壓裂后掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛扔邢鄬?duì)較大波動(dòng)趨勢(shì)，其主要是因?yàn)殡S著掘進(jìn)進(jìn)尺增加，鉆孔深度加深，鉆孔內(nèi)使用壓裂管的數(shù)量應(yīng)隨之增加，60 m鉆孔壓裂時(shí)壓裂管數(shù)量為15根，而80 m鉆孔壓裂時(shí)壓裂管數(shù)量為20根；另外，隨著巷道向前推進(jìn)，第六循環(huán)壓裂位置處于該工作面埋深最深位置，

圖5 掘進(jìn)過(guò)程中煤頭瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)圖

處于褶區(qū)軸部，瓦斯含量高。因此要保證壓裂效果，80 m雙孔壓裂時(shí)鉆孔內(nèi)壓裂管數(shù)量應(yīng)在25根以上為宜。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)新元煤礦31004掘進(jìn)工作面氣相壓裂期間和壓裂后掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯?jié)舛茸兓治觯偨Y(jié)得出以下規(guī)律：

1) 氣相壓裂技術(shù)具有均衡煤層瓦斯壓力場(chǎng)和地應(yīng)力場(chǎng)的雙重效應(yīng)，氣相壓裂技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，巷道回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)升高，形成一個(gè)短暫的峰值，然后下降，恢復(fù)平衡。

2) 實(shí)施氣相壓裂后，在掘進(jìn)期間，煤頭瓦斯?jié)舛绕椒€(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)異常波動(dòng)；但是雙孔壓裂后掘進(jìn)過(guò)程中煤頭瓦斯?jié)舛雀哂趩慰讐毫押蟮耐咚節(jié)舛龋渲饕蚴请p孔壓裂的作用范圍更廣，裂縫連通效果更好，更有利于瓦斯釋放。

3) 從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，80 m雙孔壓裂后，瓦斯?jié)舛茸兓秶鄬?duì)較大，一方面是由于地質(zhì)條件因素影響，此位置位于該工作面埋深最深位置，而且是褶區(qū)的軸部；另一方面，80 m雙孔氣相壓裂要達(dá)到預(yù)期的效果，應(yīng)增加壓裂管數(shù)量，應(yīng)增加至25根左右為宜。

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ResearchonGasPhaseFracturingGasReleaseLawinTunnelingRoadway

ZHANGXiaofeng,ZHANGJunsheng,WANGXiaodong,FANYanchang

By fracturing with phase transition test on No.31004 heading face in Xinyuan Coal Mine, the paper analyzed the gas emission law after implementation of fracturing with phase transition. After the fracturing, due to the disturbance of fracturing, the gas inside the seam gushes into the roadway along the crack, a concentration peak emerges in the return air flow of the roadway. The gas emission keep balanced during coal tunneling. The monitoring shows that the gas emission with double-borehole is much larger than the single-borehole one. Fracturing with phase transition contribute greatly to the exploration in a safe and efficient way.

Gas fracturing with phase transition; Gas concentration; Double hole fracturing; Safe driving

2017-08-18

張肖峰(1973—)，男，山西平遙人，1994年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，碩士研究生，主要從事煤礦瓦斯災(zāi)害防治工作

(E-mail)312398387@qq.com

TD712+.52

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1672-0652(2017)11-0035-04