CO2氣相壓裂強(qiáng)化消突措施在掘進(jìn)工作面的應(yīng)用

吳錦旗，李路廣

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214）

煤炭是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源，長(zhǎng)期能源消費(fèi)以煤炭為主，2018年全國(guó)原煤產(chǎn)量達(dá)35.5億t，占我國(guó)一次能源消費(fèi)量的59%，其戰(zhàn)略地位在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。截至2018年年底，我國(guó)約有9000余座礦井，其中，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的占40%左右。近年來，隨著煤炭產(chǎn)量的提升及開采深度的增加，煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性越來越嚴(yán)重，逐步成為制約煤礦安全生產(chǎn)的首要難題。2017年開始，玉溪煤礦將CO2氣相壓裂技術(shù)運(yùn)用在工作面防突措施中，部分巷道取得了較好的效果，均化了掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量，確保了掘進(jìn)工作面的安全，同時(shí)有效提高了煤巷掘進(jìn)速度。

1 CO2氣相壓裂強(qiáng)化消突措施工作機(jī)理

煤與瓦斯突出是在地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用下，向采掘空間突然涌出大量的煤與瓦斯的動(dòng)力現(xiàn)象，為杜絕突出事故的發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“兩個(gè)四位一體”綜合防突措施。但是，區(qū)域綜合防突措施后，掘進(jìn)工作面掘進(jìn)前，工作面前方地應(yīng)力重新分部，時(shí)常造成工作面瓦斯涌出異常。CO2氣相壓裂強(qiáng)化消突措施是利用高壓管內(nèi)液態(tài)CO2加熱后在20ms～40ms內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，其體積瞬間膨脹500～600倍為高壓氣體對(duì)煤層做功,壓力劇增至設(shè)定壓力壓裂煤層，產(chǎn)生復(fù)雜而不規(guī)則的裂隙系統(tǒng)，釋放前方工作面瓦斯壓力及地應(yīng)力，使前方煤體壓力進(jìn)一步均化，從而達(dá)到工作面強(qiáng)化消突的目的。

2 試驗(yàn)礦井及工作面特征

玉溪煤礦3#煤層平均約厚5.8m，黑色，中細(xì)粒條帶狀結(jié)構(gòu)，以鏡煤為主，亮煤次之，含少量暗煤，階梯狀及貝殼狀斷口，中間夾矸為碳質(zhì)泥巖。經(jīng)鑒定，3#煤屬不易自燃煤層，且煤塵無爆炸危險(xiǎn)性，為煤與瓦斯突出礦井。玉溪煤礦在區(qū)域防突措施方面作了大量工作，采用多種辦法，如底板巖巷穿層鉆孔、CO2氣相壓裂，水力造穴、水力沖孔和定向千米鉆機(jī)順層長(zhǎng)鉆孔等，在區(qū)域防突措施上均取得了較好的效果，但在區(qū)域已經(jīng)消突的煤巷掘進(jìn)過程中，仍出現(xiàn)掘進(jìn)速度慢、瓦斯涌出量高的問題。

本階段CO2氣相壓裂強(qiáng)化消突措施運(yùn)用在1301首采工作面回風(fēng)1巷掘進(jìn)順槽工作面642.5m處。該工作面已利用底板巖巷施工上向穿層鉆孔進(jìn)行區(qū)域消突，并經(jīng)區(qū)域措施效果檢驗(yàn)其殘余瓦斯含量為6.67m3/t，反演殘余瓦斯為0.28MPa，為無突出危險(xiǎn)性。

1301首采工作面回風(fēng)1巷掘進(jìn)順槽布置在3#煤層中，延煤層頂板掘進(jìn)，巷道為矩形斷面，斷面寬5000mm，高3800mm。工作面掘進(jìn)至巷道里程620m處為S9向斜軸部，東西兩側(cè)為山坡，巷道西側(cè)為東瓦斯抽放巷，1301回風(fēng)1巷南側(cè)1301采煤工作面，北側(cè)35m為1301回風(fēng)2巷，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)巷道回風(fēng)1巷順槽位置圖

工作面煤體層里清晰，煤體大多堅(jiān)硬為Ⅰ、Ⅱ類鏡煤，距頂板0.5m有厚度約為0.1～0.33m的Ⅳ、Ⅴ構(gòu)煤，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.6～1.22，掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)工作面片幫造成瓦斯超限。

3 氣相壓裂工藝及試驗(yàn)方案

在1301回風(fēng)1巷工作面采用雙孔壓裂，鉆孔開孔位置于巷道中部距離頂板1.8m處，鉆孔垂直工作面并平行頂板，孔深60-80m。具體參數(shù)見圖2所示。

圖2 回風(fēng)1巷氣相壓裂鉆孔布置圖

3.1 CO2氣相壓裂施工工藝

施工工藝：施工鉆孔→驗(yàn)孔及壓裂器材檢查→壓裂器材連接、推進(jìn)→封孔→壓裂→解封、壓裂器材拆除→工作面措施效果檢驗(yàn)→恢復(fù)工作面掘進(jìn)→防突參數(shù)測(cè)試和收集

3.2 氣相壓裂相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1）鉆孔孔徑：113mm；

2）鉆孔傾角及方位角：沿巷道掘進(jìn)方向，垂直工作面并平行巷道頂板，鉆孔傾角為煤層傾角+1度；

3）鉆孔深度：60m～80m；

4）壓裂桿直徑及長(zhǎng)度：Φ72mm；單根壓裂桿1500～2000mm；

5）壓裂管數(shù)量：20～25 根；

6）封孔深度：10m；

7）壓裂壓力：120MPa～185MPa；

3.3 氣相壓裂特別注意事項(xiàng)

1）壓裂桿內(nèi)為高壓液態(tài)二氧化碳?xì)怏w，裝車和卸車時(shí)嚴(yán)禁劇烈碰撞，防止跌落；氣相壓裂器材運(yùn)輸?shù)绞┕さ攸c(diǎn)后，放置在鉆桿架上，用雨布遮蓋，嚴(yán)禁浸泡水中或淋水區(qū)域。

2）壓裂孔施工必須確保成孔質(zhì)量，遵循低壓慢速，邊進(jìn)邊退，緩慢推進(jìn)原則；成孔之后用壓風(fēng)將煤粉吹出，保證鉆孔平直、光滑。

3）壓裂孔采用分次施工，分次壓裂，防止二氧化碳?jí)毫言斐蓧毫芽椎乃住?/p>

4）采用高壓水囊?guī)Х饪?，封孔注水壓力不小?MPa，壓裂前必須重新檢查壓裂桿封孔情況，確保封孔嚴(yán)密，防止封孔效果不好影響壓裂效果。

5）氣相采裂執(zhí)行遠(yuǎn)距離爆破措施，按規(guī)定設(shè)置警戒，所有人員撤出防突反向風(fēng)門以外300m，專用回風(fēng)巷內(nèi)嚴(yán)禁有人。壓裂結(jié)束后等待30min進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，首先檢查工作面煤體變化情況，執(zhí)行頂板管理制度，確認(rèn)安全后卸壓解封，推出壓裂桿。

4 氣相壓裂應(yīng)用效果

在首采工作面回風(fēng)1巷順槽掘進(jìn)工作面累計(jì)進(jìn)行雙孔氣相壓裂施工6次，共完成335米巷道的掘進(jìn)。

4.1 回風(fēng)1順槽防突指標(biāo)分析

工作面措施效果檢驗(yàn)采用鉆屑瓦斯解析指標(biāo)法，鉆屑指標(biāo)S變化不明顯，鉆屑指標(biāo)K1較為明顯，實(shí)測(cè)鉆屑指標(biāo)K1值如圖3。由圖可知壓裂前工作面突出危險(xiǎn)性檢測(cè)K1值超標(biāo)2次，且多次超過0.4g/ml*min1/2。

圖3 1301回風(fēng)1巷壓裂前后K1值趨勢(shì)圖

實(shí)施氣相壓裂技術(shù)后K1值超標(biāo)0次，且在工作面措施效果檢驗(yàn)過程中K1數(shù)值較為均勻，基本保持在0.24g/ml*min1/2左右，防突效果明顯。

4.2 回風(fēng)1順槽瓦斯涌出量分析

工作面瓦斯涌出在風(fēng)量不變的前提下，采用對(duì)比工作面及回風(fēng)流瓦斯探頭曲線變化進(jìn)行分析。具體如圖4、圖5所示：

圖4 1301回風(fēng)1巷壓裂前后工作面瓦斯?jié)舛?/p>

圖51301 回風(fēng)1巷壓裂前后回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?/p>

通過上圖可知：壓裂后巷道掘進(jìn)過程中工作面瓦斯探頭變化不明顯，期間工作面因迎面片幫造成瓦斯超限兩次；回風(fēng)流瓦斯涌出趨于平穩(wěn)，瓦斯峰值波動(dòng)較小，在第1、2、3次壓裂后（2018年9月30日-2018年10月4日），掘進(jìn)過程中工作面瓦斯?jié)舛绕骄３衷?.2%左右；對(duì)比后三次壓裂掘進(jìn)期間瓦斯發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出浮動(dòng)較大，主要原因是工作面逐漸接近S10背斜，迎面軟分層變厚，增加了片幫風(fēng)險(xiǎn)從而增加了工作面落煤量造成瓦斯涌出量增大，尤其工作面探頭更為明顯。

4.3 回風(fēng)1順槽掘進(jìn)速度分析

根據(jù)表1可知：在使用氣相壓裂前后，回風(fēng)1巷順槽掘進(jìn)速度明顯加快，除去構(gòu)造影響，隊(duì)伍影響，工作面平均日進(jìn)尺由壓裂前的日進(jìn)3.12m增加至壓裂后的日進(jìn)5.96m，掘進(jìn)速度提高了91%。

表1 1301回風(fēng)1巷壓裂前后掘進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

1）玉溪煤礦采用CO2氣相壓裂強(qiáng)化消突措施后，鉆屑指標(biāo)S值變化不明顯，K1值變化明顯，壓裂后K1值超標(biāo)0次。且在工作面措施效果檢驗(yàn)過程中K1數(shù)值較為均勻，基本保持在0.24g/ml*min1/2左右，防突效果明顯。

2）玉溪煤礦采用CO2氣相壓裂強(qiáng)化消突措施后，工作面瓦斯涌出量在一定程度上得到了均化，但不能杜絕工作面瓦斯超限，且會(huì)對(duì)工作面的落煤量產(chǎn)生影響。

3）玉溪煤礦采用CO2氣相壓裂強(qiáng)化消突措施后，工作面平均日進(jìn)尺由壓裂前的日進(jìn)3.12m增加至壓裂后的日進(jìn)5.96m，掘進(jìn)速度提高了91%。

綜上所述，二氧化碳?xì)庀鄩毫褟?qiáng)化消突措施利用高壓管內(nèi)液態(tài)CO2加熱后迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，其體積瞬間膨脹對(duì)煤層做功,產(chǎn)生裂隙系統(tǒng)，釋放前方工作面瓦斯壓力及地應(yīng)力，使前方煤體壓力進(jìn)一步均化，能夠達(dá)到工作面強(qiáng)化消突的目的。但其消突效果與工作面煤層破壞類型有較為密切的聯(lián)系，在工作面煤體較為堅(jiān)硬區(qū)域?qū)嵤┬Ч糜诿后w破碎或有軟分層區(qū)域。此外，將二氧化碳?xì)庀鄩毫褟?qiáng)化消突措施運(yùn)用于工作防突措施，對(duì)工作面煤體穩(wěn)定性有一定影響，應(yīng)進(jìn)一步考察鉆孔布置方式、壓裂壓力等壓參數(shù)對(duì)不同煤質(zhì)的影響，以便更好的服務(wù)礦井安全生產(chǎn)。