相變壓裂與水力造穴技術在掘進工作面的應用

田 飛，張露偉，劉 軍,3

(1. 山西蘭花科創(chuàng) 玉溪煤礦有限責任公司, 山西 晉城 048214；2. 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；3. 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室，河南 焦作 454003)

我國一次能源結構具有“富煤、貧油、少氣”特征，長期能源消費以煤炭為主，盡管近兩年煤炭消耗量有所消減，但煤炭仍然占我國一次能源消費量的60%左右，2018年全國煤炭產量達36.8億t[1]。由于我國煤層賦存條件惡劣，在開采過程中受到諸如瓦斯、水、火、頂板、粉塵、沖擊地壓和地熱等七大災害尤其是瓦斯災害的威脅。瓦斯抽采是解決我國瓦斯問題的根本措施，但由于突出煤層賦存不穩(wěn)定、滲透率低等原因，嚴重制約了瓦斯抽采效果。如何有效提高突出煤層滲透率、提高瓦斯抽采效果成為眾多煤礦科研工作者的主要研究內容。通過長期的研究，我國開發(fā)了多項低透氣性煤層增透技術，包括開采保護層[2-3]、水力化措施[4-6](水力壓裂、水力割縫、水力沖孔)、松動爆破[7-8](預裂爆破、聚能爆破)、CO2氣相致裂[9-14]等措施，這些措施均起到了促抽效果，但需要根據煤層賦存特征選擇合理的措施和布孔參數。

玉溪煤礦位于山西省南部的沁水煤田，設計生產規(guī)模240萬t/a，是煤與瓦斯突出礦井，礦井主采3號煤層，煤層平均厚度5.85 m，具有厚度大、埋藏深，瓦斯含量和瓦斯壓力高的特點。煤層原始瓦斯含量18.32 m3/t，原始瓦斯壓力 1.42 MPa，實測煤層普氏系數為0.45～1.09。已使用預抽煤層瓦斯方法對3號煤層進行抽采，取得了一定程度的效果，但是抽采周期較長以及已經消突部分區(qū)域的煤巷中經過檢驗仍存在煤層瓦斯突出的危險，嚴重影響了掘進速度。

1 相變壓裂與水力造穴增透特點

相變壓裂增透技術源于1914 年美國工程師發(fā)明的cardox技術，利用高壓管內液態(tài)CO2在加熱作用下迅速轉化為氣態(tài)(20～40 ms)，其體積瞬間膨脹600倍，壓力劇增至設定壓力，含有高能量的CO2氣沖破剪切片后從噴氣閥噴出，形成高壓射流對煤體作用，從而達到物理爆破增透卸壓的目的。該技術最早應用于采煤工作面，后被應用于管道清堵、采石場爆破等領域。我國20 世紀90 年代引入該技術，最早應用于采煤，后小規(guī)模應用到壓裂煤體來提高瓦斯抽采效果。CO2相變壓裂既能實現煤層裂隙系統形成，促進煤層透氣性系數顯著提高，又能避免深孔松動爆破啞炮處理和誘導突出雙重危險，主要應用于煤質較硬的煤層。

水力造穴技術來自于1958年提出的水力沖孔技術，20世紀60年代在我國南桐礦務局試驗成功，利用高壓水射流對鉆孔周圍的煤體進行切割，鉆孔內形成具有一定寬度和長度的穴洞空間，同時利用水流將煤屑帶出孔外，從而達到增加煤層透氣性和提高瓦斯抽采效果的作用，主要應用于煤質較軟的煤層。

2 相變壓裂與水力造穴實施方案

將CO2相變壓裂、水力造穴和鉆場抽采相結合能提高瓦斯抽采效果，有效降低抽采天數，降低掘進工作面瓦斯涌出量，提高掘進速度。

2.1 相變壓裂技術方案

結合玉溪煤礦的煤層賦存條件和1301掘進工作面實際情況，在1301掘進工作面煤巷掘進過程中，瓦斯正常涌出或實測瓦斯含量≤8 m3/t的區(qū)域，采取相變壓裂增透卸壓措施。

壓裂鉆孔一般位于中部硬煤層距離頂板1.8 m，平行巷道掘進方向鉆進，鉆頭直徑113 mm，壓裂施工封孔段10～15 m，壓裂管15～30根，控制孔深40～80 m，爆破壓力120～185 MPa，CO2充裝量2.0～2.5 kg。允許掘進范圍：壓裂段范圍內，且保留超前距20 m，嚴禁超深掘進和超范圍掘進。

壓裂施工后，實施21～24 孔(每平方米不少于1 個鉆孔)二次卸壓措施。完成21～24孔卸壓措施后，進行瓦斯解吸指標K1值檢驗，檢驗合格后復工掘進。

施工順序：施工壓裂鉆孔—鉆孔取樣測含量—壓裂施工1號、2號孔—二次卸壓措施—突出效果檢驗。

相變壓裂為連續(xù)無空白帶壓裂，必須進行巷道壓裂里程和掘進里程準確核實，嚴禁超掘。

2.2 相變壓裂與水力造穴相結合技術方案

在有瓦斯異常涌出的區(qū)域(發(fā)生明顯突出預兆的位置周圍半徑100 m內)，可先實施水力造穴措施，造穴孔位置設計在巷道中間和中部構造煤軟分層中，鉆孔方向平行巷道向前，孔深40～60 m。造穴后，實施雙孔氣相壓裂強化卸壓措施。氣相壓裂鉆孔布置在巷道斷面兩側，孔深60 m，鉆孔方向平行巷道向前。

1) 水力造穴。先實施水力造穴措施，在工作面軟分層中施工鉆孔，鉆孔深度為40～60 m，鉆孔施工結束后連接清水高壓泵車，由鉆孔孔底位置開始倒退造穴至孔口15 m位置，全段造穴。每米造穴時間不少于30 min，造穴半徑不小于30 cm，并記錄每米出煤量不少于400～500 kg。水力造穴鉆孔布置及鉆孔參數以礦方設計為準。

預備方案：①在無法實施后退式造穴時，可以改變?yōu)榍斑M式造穴，依造穴難易程度而定；②造穴鉆孔的方向可以垂直工作面向正前方，也可以進一步試驗終孔于60 m孔深距巷道中心各為15 m安全保護帶之邊角。

2) 相變壓裂。造穴后，在巷道掘進工作面施工兩個壓裂鉆孔，鉆孔布置在巷道工作面斷面兩側位置，孔深60 m，鉆孔方向平行于巷道掘進方向。

必須保證連續(xù)無空白帶壓裂和21～24 孔卸壓措施。施鉆完成后，進行瓦斯解吸指標K1值檢驗，檢驗合格后復工掘進，必須在壓裂范圍內掘進，嚴禁超掘。

施工順序：水力造穴—施工壓裂鉆孔—鉆孔取樣測含量—壓裂施工1號、2號孔—二次卸壓措施—局部突出效果檢驗。

2.3 相變壓裂與鉆場抽采相結合技術方案

1301掘進工作面煤巷掘進過程中，在有瓦斯異常涌出的區(qū)域，采取相變壓裂與鉆場抽采相結合措施。在掘進工作面施工兩個壓裂鉆孔，巷道兩幫鉆場內各施工5個輔助抽采鉆孔。

實施相變壓裂施工方案時，需在迎頭斷面左、右側施工兩個瓦斯含量測試孔，孔深60～80 m，分別在30 m、60 m處采樣測試4個瓦斯含量，并及時出具測試結果。

壓裂施工后，壓裂孔及輔助鉆孔要及時并網抽采，抽采時間不得低于6 d，在預計抽采達標時，進行第二次瓦斯含量測試，當瓦斯含量≤6 m3/t且監(jiān)測突出參數合格后方可復工掘進。

施工順序：施工鉆場及施工1號抽采孔聯網抽采—施工壓裂鉆孔—鉆孔取樣測含量—壓裂施工1號、2號孔—壓裂孔并網抽采—施工輔助鉆孔并網抽采—突出效果檢驗。

相變壓裂為連續(xù)無空白帶壓裂，必須進行巷道壓裂里程和掘進里程準確核實。

1301掘進工作面采用相變壓裂及巷道兩幫鉆場內各施工5個輔助抽采鉆孔進行聯網抽采。

3 相變壓裂與水力造穴實施效果

3.1 工作面及回風巷瓦斯?jié)舛葏?/h3>

1301掘進工作面壓裂前掘進期間(2018年3月22日-2018年6月8日)探頭瓦斯?jié)舛扰c相變壓裂后掘進期間(2018年6月16日-2018年11月13日)探頭瓦斯?jié)舛茸兓瘜Ρ龋鐖D1、2所示。

圖1 1301掘進工作面措施前后工作面瓦斯?jié)舛?/p>

圖2 1301掘進工作面措施前后回風流瓦斯?jié)舛?/p>

由圖1、2可知，1301掘進工作面在2018年3月22日至6月8日掘進期間，工作面及回風流瓦斯涌出波動較大，峰值較高，工作面平均達到0.6%左右，嚴重影響掘進速度和生產安全。2018年6月16日開始在1301掘進工作面進行水力造穴和相變壓裂，實施過程中瓦斯?jié)舛戎饾u升高。尤其2018年6月20日1301掘進工作面使用二次壓裂施工后，在巷道掘進期間工作面及回風流瓦斯?jié)舛让黠@升高，隨后，瓦斯涌出趨于均勻化，工作面瓦斯涌出峰值降至0.3%～0.4%左右，回風流瓦斯涌出峰值降至0.4%左右，與未使用壓裂施工前相比降低了0.2%～0.3%左右，保障了安全快速掘進。

3.2 瓦斯解吸指標K1值分析

截止2018年11月13日，1301掘進工作面累計進行水力造穴、相變壓裂施工4次。

實施增透措施前，1301掘進工作面在2018年3月22日-2018年6月8日掘進過程中，累計掘進205.5 m范圍內(巷道里程327～560 m)，K1值共計超標5次，平均每百米巷道掘進超標2.4次，且在K1值超限區(qū)域，施工排放孔后仍連續(xù)超標，嚴重影響掘進速度。

實施增透措施后，1301掘進工作面在2018年6月16日-2018年11月13日掘進過程中，K1值超標4次，平均每百米巷道掘進超標0.7次，降低了70.8%。其次，1301掘進工作面自6月份實施相變壓裂后，在迎頭施工鉆場抽采并給予充足的排放及瓦斯均化時間，有效地降低了K1值，使其基本保持在0.20左右，保障了連續(xù)安全掘進580 m。

3.3 掘進速度效果分析

1301掘進工作面在使用增透措施前，累計掘進205.5 m，有效掘進76 d，平均日進尺2.7 m，主要原因是2018年3月至4月，K1值超標嚴重，實施排放孔措施后依然超標，嚴重影響掘進速度。

1301掘進工作面在使用增透措施后，累計掘進580 m，有效掘進132 d，平均日進尺4.4 m，掘進速度提高了62.9%，保證了高效生產。

4 結 語

1301掘進工作面在未使用增透措施之前K1值超限嚴重，平均每百米巷道超限次數為2.4次，嚴重影響掘進速度，實施增透措施后，平均每掘進百米巷道超標0.7次，較未壓裂前百米超標次數降低了70.8%，防突效果明顯。壓裂后施工排放孔有利于瓦斯排放和均化，使檢測K1值更加趨于均衡化。

1301掘進工作面在使用增透措施之后，掘進速度由平均日進尺2.7 m提高至4.4 m，掘進速度提高了62.9%，保證了高效生產。