余吾煤業(yè)掘進(jìn)工作面CO2氣相壓裂應(yīng)用效果分析

田新亮

(潞安集團(tuán) 通風(fēng)處，山西 長(zhǎng)治 046204)

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

CO2氣相壓裂卸壓增透技術(shù)是利用高能氣體瞬間作用于煤層，使煤體松動(dòng)，化解可能存在的“瓦斯包”，使應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部移動(dòng)，在迎頭前方造成較長(zhǎng)的卸壓帶，均化壓力場(chǎng)，平衡應(yīng)力場(chǎng)；壓裂瞬間能使煤體產(chǎn)生大量裂隙，煤體內(nèi)被填充或壓實(shí)的裂隙被重新打開，從而提高煤層透氣性、滲透率，促使大量吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)；由于煤體對(duì)CO2的吸附能力大于CH4，壓裂后部分CH4氣體被置換出來(lái)，通過(guò)導(dǎo)通裂隙與釋放孔排至回風(fēng)流，降低煤體瓦斯含量。

該技術(shù)利用迎頭超前探孔進(jìn)行氣相壓裂卸壓增透，并在巷道兩幫邁步鉆場(chǎng)內(nèi)施工鉆孔，對(duì)迎頭前方煤層瓦斯進(jìn)行抽采，氣相壓裂施工技術(shù)參數(shù)如表1所示，鉆孔布置如圖1所示。

表1 氣相壓裂施工技術(shù)參數(shù)

氣相壓裂技術(shù)的相關(guān)設(shè)備及連接順序如圖2所示，主要由壓裂桿、封孔器、推桿、引線、發(fā)爆器及加壓泵等組成。壓裂桿在壓裂孔內(nèi)安裝到位后，由發(fā)爆器進(jìn)行遠(yuǎn)程起爆，裝在壓裂桿內(nèi)的加熱器在低壓電流作用下反應(yīng)，釋放熱能促使液態(tài)CO2瞬間轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，由壓裂桿的釋放頭釋放沖擊波，作用于鉆孔周圍煤體，達(dá)到卸壓、增透、促排的作用。

圖1 壓裂孔及護(hù)幫鉆孔布置(m)

圖2 氣相壓裂施工設(shè)備布置

2 應(yīng)用地點(diǎn)概況

余吾煤業(yè)S2108膠帶巷在西翼膠帶大巷開口，沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，巷道平均坡度+3°，煤層厚度5.32～6.15 m，掘進(jìn)過(guò)程實(shí)測(cè)煤層最大瓦斯含量為9.748 2 m3∕t，煤層普氏系數(shù)f=0.47。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 351 m，截止2015年2月5日，巷道累計(jì)掘進(jìn)395 m，并從此時(shí)開始循環(huán)使用CO2氣相壓裂技術(shù)。

N1101膠帶巷在西翼膠帶大巷開口，沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，傾角為0～-5°，煤層厚度6.34 m，掘進(jìn)過(guò)程實(shí)測(cè)煤層最大瓦斯含量為9.912 8 m3∕t，煤層普氏系數(shù)f=0.49。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 487 m，截止 2014年11月20日，巷道累計(jì)掘進(jìn)385 m，并從此時(shí)開始循環(huán)使用CO2氣相壓裂技術(shù)。

N2103工作面膠帶巷沿3號(hào)煤底板掘進(jìn)，傾角為-6～+5°，煤層厚度6.65 m，掘進(jìn)過(guò)程實(shí)測(cè)煤層最大瓦斯含量為10.101 4 m3∕t，煤層普氏系數(shù)f=0.53。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為3 148 m，截止 2015年12月16日，巷道累計(jì)掘進(jìn)2 115 m，并從此時(shí)開始循環(huán)使用CO2氣相壓裂技術(shù)。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 提高瓦斯涌出均勻性

CO2氣相壓裂能夠消除掘進(jìn)前方可能存在的“瓦斯包”，使迎頭前方煤體瓦斯均勻分布并勻速涌出，減少工作面瓦斯涌出強(qiáng)度忽大忽小的現(xiàn)象，提高工作面瓦斯涌出的均勻性。

工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€能夠直觀地反映出一段時(shí)間內(nèi)工作面瓦斯涌出強(qiáng)度的變化情況，瓦斯涌出不均衡系數(shù)是表征工作面瓦斯涌出的不均勻性的物理量，故可通過(guò)對(duì)比分析氣相壓裂前后工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓闆r及瓦斯涌出不均衡系數(shù)，評(píng)價(jià)氣相壓裂效果。

3.1.1 回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€

S2108膠帶巷氣相壓裂前后各選取1個(gè)月回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€，分別如圖3、圖4所示。由圖可知，未采用氣相壓裂技術(shù)時(shí)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?天內(nèi)最大達(dá)0.52%，最小至0.18%，其變化幅度相對(duì)較大，且基本在0.2%以上；循環(huán)采用氣相壓裂技術(shù)后，瓦斯?jié)舛茸兓仍?.1%以內(nèi)，瓦斯?jié)舛茸兓认鄬?duì)減少了50%。

圖3 S2108膠帶巷工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂前)

圖4 S2108膠帶巷工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂后)

N1101膠帶巷氣相壓裂前后各選取1個(gè)月回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€，分別如圖5、圖6所示。由圖可知，未采用氣相壓裂技術(shù)時(shí)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?天內(nèi)最大達(dá)0.65%，最小至0.25%，其變化幅度相對(duì)較大，且基本在0.25%以上；循環(huán)采用氣相壓裂技術(shù)后，瓦斯?jié)舛茸兓然驹?.1%以內(nèi)，瓦斯?jié)舛茸兓认鄬?duì)減少了60%。

圖5 N1101膠帶巷工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂前)

圖6 N1101膠帶巷工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂后)

N2103膠帶巷氣相壓裂前后各選取1個(gè)月回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€，分別如圖7、圖8所示。由圖可知，未采用氣相壓裂技術(shù)時(shí)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?天內(nèi)最大達(dá)0.65%，最小至0.35%，其變化幅度相對(duì)較大，且基本在0.15%以上；循環(huán)采用氣相壓裂技術(shù)后，瓦斯?jié)舛茸兓然驹?.1%以內(nèi)，瓦斯?jié)舛茸兓认鄬?duì)減少了33%。

圖7 N2103膠帶巷工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂前)

圖8 N2103膠帶巷工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓€圖(壓裂后)

3.1.2 工作面瓦斯涌出不均衡性系數(shù)分析

S2108膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化曲線如圖9所示，由圖可知，未采用氣相壓裂技術(shù)時(shí)，工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)波動(dòng)較大，且基本在1.65左右，整體相對(duì)較大；循環(huán)采用氣相壓裂技術(shù)后，涌出不均衡系數(shù)呈緩慢下降趨勢(shì)，并逐步穩(wěn)定到1.25左右，瓦斯涌出不均衡系數(shù)相對(duì)降低了24%。

圖9 S2108膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化

N1101膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化曲線如圖10所示，由圖可知，未采用氣相壓裂技術(shù)時(shí)，工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)波動(dòng)較大，最大達(dá)2.7，平均為1.6，整體相對(duì)較大；循環(huán)采用氣相壓裂技術(shù)后，涌出不均衡系數(shù)呈緩慢下降趨勢(shì)，并逐步穩(wěn)定到1.35上下，瓦斯涌出不均衡系數(shù)相對(duì)降低了17%。

圖10 N1101膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化

N2103膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化曲線如圖11所示，由圖可知，未采用氣相壓裂技術(shù)時(shí)，工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)基本在1.35左右，部分時(shí)段急劇增大；循環(huán)采用氣相壓裂技術(shù)后，涌出不均衡系數(shù)呈緩慢下降趨勢(shì)，但下降的幅度相對(duì)較小，并逐步穩(wěn)定到1.2左右，瓦斯涌出不均衡系數(shù)相對(duì)降低了11%。

圖11 N2103膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化

迎頭CO2氣相壓裂一定程度上提高了工作面瓦斯涌出均勻性，S2108膠帶巷、N1101膠帶巷及N2103膠帶巷的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓葔毫褏^(qū)域較非壓裂區(qū)域分別減少了50%、60%、33%；瓦斯涌出不均衡系數(shù)壓裂區(qū)域較非壓裂區(qū)域分別降低了24%、17%、11%。

3.2 提高巷道掘進(jìn)速度

在掘進(jìn)工作面迎頭進(jìn)行氣相壓裂后，會(huì)使迎頭煤體松動(dòng)，煤體透氣性系數(shù)短時(shí)間內(nèi)大大增加，使得迎頭瓦斯在工作面迎頭不生產(chǎn)期間也得到充分快速釋放，從而降低迎頭煤體殘余瓦斯含量，緩解迎頭快速割煤期間瓦斯大量涌出而導(dǎo)致瓦斯預(yù)警的壓力，縮短單排割煤時(shí)間，提高掘進(jìn)速度。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)余吾煤業(yè)壓裂前后一段時(shí)間內(nèi)工作面掘進(jìn)月進(jìn)尺，計(jì)算平均日進(jìn)尺來(lái)評(píng)價(jià)氣相壓裂對(duì)掘進(jìn)速度的影響。然而工作面的掘進(jìn)速度與諸多因素有關(guān)，如煤層原始瓦斯含量、生產(chǎn)組織、機(jī)械故障等，且眾多因素?zé)o法一一考究，現(xiàn)僅將掘進(jìn)工作面迎頭超前探施工、檢修放假因素考慮在內(nèi)以計(jì)算月掘進(jìn)平均速度，以輔助分析。

S2108膠帶巷工作面掘進(jìn)情況：其中2014年11月至2015年1月工作面未采取壓裂措施，且未在迎頭施工超前探孔，2015年2月至11月開始采取迎頭超前探及氣相壓裂措施，平均日進(jìn)尺及掘進(jìn)速度逐月變化曲線如圖12所示。

圖12 S2108膠帶巷掘進(jìn)月平均日進(jìn)尺及掘進(jìn)速度變化曲線

由圖12可知，非氣相壓裂區(qū)域和氣相壓裂區(qū)域相比較，平均日進(jìn)尺及月掘進(jìn)平均速度均呈上升趨勢(shì)。

N1101膠帶巷工作面逐月掘進(jìn)情況：其中2014年7月至11月工作面未采取壓裂措施，且未在迎頭施工超前探孔，2014年12月至2015年11月開始采取迎頭超前探及氣相壓裂措施，平均日進(jìn)尺及掘進(jìn)速度逐月變化曲線如圖13所示。

圖13 N1101膠帶巷掘進(jìn)月平均日進(jìn)尺及掘進(jìn)速度變化曲線

由圖13可知，非氣相壓裂區(qū)域和氣相壓裂區(qū)域相比較，雖然工作面受迎頭施工超前探及生產(chǎn)組織影響，平均日進(jìn)尺呈減少趨勢(shì)，但工作面掘進(jìn)速度整體上小幅度提升。

N2103膠帶巷工作面逐月掘進(jìn)情況：其中2014年4月至12月工作面未采取壓裂措施，且未在迎頭施工超前探孔，2015年1月至11月開始采取迎頭超前探及氣相壓裂措施，期間生產(chǎn)組織不正常，平均日進(jìn)尺及掘進(jìn)速度逐月變化曲線如圖14所示。

圖14 N2103膠帶巷掘進(jìn)月平均日進(jìn)尺及掘進(jìn)速度變化曲線

由圖14可知，非氣相壓裂區(qū)域和氣相壓裂區(qū)域相比較，工作面受區(qū)域瓦斯含量升高及迎頭施工超前探及生產(chǎn)組織影響，平均日進(jìn)尺有所減少，但工作面掘進(jìn)速度有小幅度提升，但掘進(jìn)的安全性得到充分保障。

3.3 百米瓦斯預(yù)警次數(shù)

S2108膠帶巷、N1101膠帶巷、N2103膠帶巷氣相壓裂區(qū)域與非壓裂區(qū)域，巷道平均每掘進(jìn)100 m的瓦斯預(yù)警次數(shù)對(duì)比分析，如圖15所示。

圖15 百米瓦斯預(yù)警次數(shù)對(duì)比分析

由圖15可知，非壓裂區(qū)域3個(gè)地點(diǎn)的百米瓦斯預(yù)警次數(shù)分別為0.81、0.6、0.57次，壓裂區(qū)域分別為0、0.08、0.73次，除N2103膠帶巷因掘進(jìn)區(qū)域供風(fēng)距離較長(zhǎng)，巷道煤壁瓦斯涌出量增高而導(dǎo)致瓦斯預(yù)警次數(shù)約有增加外，其余兩地點(diǎn)瓦斯預(yù)警次數(shù)均明顯下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

CO2氣相壓裂能夠在一定程度上提高工作面瓦斯涌出均勻性，減少瓦斯異常涌出，大幅度降低瓦斯預(yù)警次數(shù)，保障了掘進(jìn)工作的安全開展。