煤巷快速掘進(jìn)氣相壓裂增透技術(shù)研究及應(yīng)用

劉小鵬，徐 剛，王云龍，李忠群

(1.山西潞安礦業(yè)集團(tuán) 慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 長治 046203；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

目前，我國的煤炭開采正朝著高效、智能的方向發(fā)展。但我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，透氣性系數(shù)只有1×10-6～1×10-7μm2，瓦斯抽采難度大，瓦斯抽采率低下[1-2]。特別是掘進(jìn)工作面由于瓦斯涌出量大，措施實(shí)施占用時(shí)間長，造成了工作面的接替緊張，嚴(yán)重影響了礦井經(jīng)濟(jì)效益的提高[3]。針對上述問題，將氣相壓裂增透技術(shù)引入到掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采實(shí)踐中，研究氣相壓裂增透機(jī)理及增透工藝，分析掘進(jìn)工作面氣相壓裂增透效果，加大掘進(jìn)工作面瓦斯抽采力度，保障開采的有效接續(xù)，以期為煤礦的安全高效開采提供有力保障。

1 低滲煤層氣相壓裂增透原理

氣相壓裂增透技術(shù)(圖1)是利用液態(tài)二氧化碳相變和高能氣體急劇膨脹瞬間作用于煤層、使煤體松動(dòng)破裂、從而增大煤層滲透性和提高瓦斯抽采效果的一種方法措施[4-5]。該技術(shù)具有如下特點(diǎn)：①均一化地應(yīng)力場和平衡瓦斯壓力場，并能使應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部移動(dòng)，在煤體淺部前方形成較長的卸壓帶；②液態(tài)二氧化碳相變和高能氣體瞬間膨脹不但能使煤體破裂產(chǎn)生大量裂隙，還能使煤體內(nèi)被填充或壓實(shí)的裂隙重新被打開，從而提高煤層滲透性，為游離狀態(tài)的瓦斯流動(dòng)提供高效的運(yùn)移通道，以達(dá)到提高瓦斯抽采效果的目的。

圖1 氣相壓裂增透技術(shù)示意Fig.1 Schematic diagram of gas phase fracturing anti-reflection technology

二氧化碳相變致裂增透技術(shù)原理如下：二氧化碳在溫度低于31 ℃或壓力大于7.35 MPa時(shí)以液態(tài)存在，而溫度超過31 ℃時(shí)開始汽化，且隨溫度的變化壓力也不斷變化。利用二氧化碳這一特點(diǎn)，在爆破器主管內(nèi)充裝液態(tài)二氧化碳，使用發(fā)爆器快速激發(fā)加熱裝置，液態(tài)二氧化碳瞬間汽化膨脹并產(chǎn)生高壓，體積膨脹600倍以上，當(dāng)壓力達(dá)到爆破片極限強(qiáng)度(可設(shè)定壓力)時(shí)，定壓剪切片破斷，高壓氣體從放氣頭釋放，作用在煤(巖)體上，從而達(dá)到爆破致裂的目的。

2 低滲煤層氣相壓裂增透技術(shù)

2.1 低滲煤層氣相壓裂增透裝備系統(tǒng)

低滲煤層氣相壓裂增透裝備系統(tǒng)包括二氧化碳壓裂器、二氧化碳灌裝設(shè)備及其他附屬裝置等。二氧化碳壓裂器(圖2)由主管、充排氣電極閥、泄能閥、化學(xué)熱反應(yīng)裝置、切割圈、密封墊、止飛機(jī)構(gòu)等組成[6]。

圖2 二氧化碳壓裂器Fig.2 Carbon dioxide fracturing device

二氧化碳灌裝設(shè)備包括加壓泵、空氣壓縮機(jī)、液態(tài)二氧化碳儲存罐、液態(tài)二氧化碳充填平臺等[7]；其他附屬裝置包括封孔器、增壓泵、引線、發(fā)爆器等；其中消耗材料主要有化學(xué)熱反應(yīng)裝置、剪切片及液態(tài)二氧化碳等。

2.2 低滲煤層氣相壓裂增透工藝流程

煤層氣相壓裂增透工藝流程如圖3所示。首先，進(jìn)行壓裂器組裝，將液態(tài)CO2注入壓裂器內(nèi)腔，關(guān)閉注液閥；然后，在煤層中施工壓裂鉆孔，將注入液態(tài)CO2的壓裂器置于鉆孔內(nèi)，通過封孔器等裝置對壓裂器進(jìn)行安裝并封孔[8](圖4)；最后，通過礦用發(fā)爆器引爆壓裂器使煤體致裂。

圖3 煤層氣相壓裂增透工藝流程Fig.3 Process flow of gas-phase fracturing for coal seam

圖4 煤層氣相壓裂鉆孔封孔示意Fig.4 Schematic diagram of hole sealing in coal seam gas phase fracturing drilling

壓裂器引爆的基本原理是礦用發(fā)爆器在充排氣電極閥上施加脈沖電流0.5～2.0 s，壓裂器中的化學(xué)熱反應(yīng)材料迅速反應(yīng)放熱，液態(tài)CO2溫度迅速升高；液態(tài)CO2汽化致使其壓力隨之加大，達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，定壓泄能片破裂，使得CO2氣體高速噴出，從而使其能夠在煤層裂隙中膨脹，導(dǎo)致煤層裂隙擴(kuò)大、透氣性增強(qiáng)[9]。

3 掘進(jìn)工作面氣相壓裂增透試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

夏店煤礦為山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司下屬的主力生產(chǎn)礦井之一，位于山西省襄垣縣境內(nèi)。礦井核定生產(chǎn)能力1.8 Mt/a，為高瓦斯礦井。主采3號煤層，透氣性系數(shù)為0.0288～0.0547m2/(MPa2·d)，屬于較難抽采煤層。

N101工作面為夏店煤礦北翼采區(qū)首采工作面，該工作面北面為實(shí)體煤，東面為3117放水巷，西面為實(shí)體煤，南面為北翼大巷。工作面切眼長度216 m，可采長度721 m，平均煤厚5.7 m，煤層平均埋深540 m，煤層底板標(biāo)高+380～+430 m。N101回風(fēng)巷斷面為矩形，巷道寬度5.0 m，高度3.2 m，設(shè)計(jì)長度657 m，巷道支護(hù)為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)夏店煤礦測定結(jié)果，N101回風(fēng)巷3號煤層瓦斯含量13 m3/t，瓦斯壓力1.2 MPa，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.081 1～0.252 5 d-1。預(yù)測N101回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中瓦斯涌出量可達(dá)2.3 m3/min，瓦斯涌出量高，煤層透氣性低，鉆孔瓦斯流量衰減快，巷幫的超前預(yù)抽措施難以滿足巷道快速掘進(jìn)的需要。

3.2 氣相壓裂增透效果考察方案及實(shí)施

巷幫邁步鉆場瓦斯抽采是夏店煤礦煤巷掘進(jìn)工作面常用的瓦斯治理措施。由于N101回風(fēng)巷瓦斯含量高、煤層透氣性低，瓦斯涌出量大，已有的瓦斯治理措施不能滿足巷道正常掘進(jìn)的需要。為了實(shí)現(xiàn)N101回風(fēng)巷的快速掘進(jìn)，根據(jù)N101回風(fēng)巷的基本情況，夏店煤礦制定了在N101回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面實(shí)施二氧化碳?xì)庀鄩毫押驮谙飵瓦~步鉆場進(jìn)行瓦斯抽采的綜合瓦斯治理方案。

為了獲得氣相壓裂增透的效果，在N101回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中將采用兩種瓦斯治理方案：①巷幫邁步鉆場瓦斯抽采；②掘進(jìn)工作面二氧化碳?xì)庀鄩毫押拖飵瓦~步鉆場瓦斯抽采綜合治理瓦斯。

二氧化碳?xì)庀鄩毫丫C合瓦斯治理方案為在掘進(jìn)工作面施工1個(gè)壓裂鉆孔，在巷幫鉆場施工6個(gè)瓦斯抽采鉆孔。壓裂鉆孔具體參數(shù)見表1。氣相壓裂采用的壓裂桿為5130型，每個(gè)壓裂鉆孔采用20根壓裂桿，氣相壓裂鉆孔封孔深度15 m，封孔壓力6～10 MPa。

表1 氣相壓裂鉆孔參數(shù)Tab.1 Gas-phase fracturing drilling parameters

在掘進(jìn)工作面巷幫采用雙側(cè)鉆場邊掘進(jìn)邊抽采瓦斯(圖5)，鉆場寬4.0 m，深4.0 m，高3.2 m。同側(cè)鉆場間距80 m，異側(cè)相鄰鉆場間距40 m。每個(gè)鉆場正頭布置2排鉆孔，共計(jì)6個(gè)，鉆孔孔徑113 mm，封孔深度16 m，分別距底板1.8 m和1.3 m，孔間距0.5 m。為保證瓦斯抽采效果，鉆孔傾角要根據(jù)煤層傾角變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。巷幫鉆場鉆孔布置參數(shù)見表2。

圖5 氣相壓裂孔及瓦斯抽采鉆孔布置示意Fig.5 Schematic diagram of gas-phase fracturing hole and gas drainage hole layout

根據(jù)鉆孔布置方案，在2018年5月—7月夏店煤礦掘進(jìn)工作面進(jìn)行了氣相壓裂增透效果考察試驗(yàn)。試驗(yàn)巷道長度為320 m，劃分為2個(gè)掘進(jìn)循環(huán)。其中，氣相壓裂段長度160m為一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)，實(shí)施氣相壓裂增透2次；常規(guī)瓦斯抽采段長度160 m為一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)，只進(jìn)行瓦斯巷幫鉆場瓦斯抽采。試驗(yàn)過程中，將氣相壓裂段和常規(guī)瓦斯抽采段的巷幫預(yù)抽孔分別并網(wǎng)進(jìn)行鉆孔瓦斯流量觀測；此外，巷道掘進(jìn)過程中每隔20 m取樣進(jìn)行瓦斯含量和鉆孔瓦斯解吸指標(biāo)K1測試，以便進(jìn)行效果分析。

表2 巷幫鉆場瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)Tab.2 Drilling layout parameter for gas drainage in the tunnel drilling field

3.3 氣相壓裂增透效果分析

氣相壓裂增透試驗(yàn)完成后，從鉆孔瓦斯?jié)舛?、鉆孔瓦斯混合流量、鉆孔瓦斯純流量、煤層瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等參數(shù)對氣相壓裂增透效果進(jìn)行分析。鉆孔瓦斯?jié)舛入S巷道掘進(jìn)長度變化規(guī)律如圖6所示。從圖6中可以看出，巷道掘進(jìn)過程中，常規(guī)瓦斯抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛仍?0%～60%，而氣相壓裂后瓦斯抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛仍?0%以上，氣相壓裂后鉆孔瓦斯?jié)舛扔忻黠@的提升。

圖6 鉆孔瓦斯?jié)舛入S巷道掘進(jìn)長度變化Fig.6 Gas concentration of the borehole changes with the length of the roadway

鉆孔瓦斯混合流量隨巷道掘進(jìn)長度變化如圖7所示。鉆孔瓦斯純流量隨巷道掘進(jìn)長度變化如圖8所示。從圖7和圖8中可以看出，在巷道掘進(jìn)過程中，常規(guī)瓦斯抽采和氣相壓裂的鉆孔瓦斯混合流量、瓦斯純量差異明顯，氣相壓裂后鉆孔瓦斯混合流量和鉆孔瓦斯純量均獲得了較大的提升。這說明氣相壓裂措施對抽采鉆孔周圍的煤體產(chǎn)生了明顯影響。

圖7 鉆孔瓦斯混合流量隨巷道掘進(jìn)長度變化Fig.7 Mixed flow of gas in borehole changes with the length of roadway

圖8 鉆孔瓦斯純流量隨巷道掘進(jìn)長度變化Fig.8 Pure gas flow rate of borehole varies with the length of roadway

此外，在巷道掘進(jìn)過程中，隨著抽采鉆孔數(shù)量的增多，鉆孔瓦斯混合流量和瓦斯純量的變化呈現(xiàn)階梯狀的分布特征；并且在每個(gè)小掘進(jìn)循環(huán)中，氣相壓裂后鉆孔瓦斯混合流量和瓦斯純量的下降趨勢要明顯一些，但是絕對值仍然比常規(guī)瓦斯抽采要高得多。

煤層瓦斯含量隨巷道掘進(jìn)長度變化如圖9所示。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值隨巷道掘進(jìn)長度變化如圖10所示。

圖9 煤層瓦斯含量隨巷道掘進(jìn)長度變化Fig.9 Coal seam gas content changes with length of roadway

圖10 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值隨巷道掘進(jìn)長度變化Fig.10 Value of K1 of the drilling cuttings gas desorption index varies with the length of the roadway

從圖9和圖10可以看出，氣相壓裂增透措施執(zhí)行后，經(jīng)過巷幫鉆場鉆孔瓦斯抽采，煤層煤層瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值有了明顯下降。

氣相壓裂與常規(guī)瓦斯抽采措施瓦斯參數(shù)測定結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。從表3中可以看出，實(shí)施氣相壓裂措施后，瓦斯抽采鉆孔的濃度、混合流量和純量均有不同程度的提高，瓦斯抽采濃度是未進(jìn)行氣相壓裂的1.62倍，混合流量是未進(jìn)行氣相壓裂的3.14倍，純量是未進(jìn)行氣相壓裂的5.12倍；而從抽采效果上來看，實(shí)施氣相壓裂措施后，煤層瓦斯含量減少了2.04 m3/t，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值減少了0.12 mL/(g·min0.5)；氣相壓裂后煤層滲透率增大，煤層瓦斯抽采效果提升明顯。

表3 氣相壓裂與常規(guī)瓦斯抽采措施瓦斯參數(shù)測定結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of gas parameter measurement results of gas phase fracturing and conventional gas drainage measures

氣相壓裂增透試驗(yàn)完成后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，夏店煤礦完善了氣相壓裂增透工藝，制定了巷道掘進(jìn)氣相壓裂方案，提出了氣相壓裂增透施工安全技術(shù)措施。2018年5月，在夏店煤礦N101回風(fēng)巷、N101運(yùn)輸巷和N101切眼3條巷道掘進(jìn)過程中實(shí)施了氣相壓裂增透措施，共實(shí)施氣相壓裂19次，起爆壓裂桿345根。

通過分析瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氣相壓裂措施對巷道的瓦斯涌出產(chǎn)生如下影響：①降低了巷道瓦斯涌出濃度。在巷道掘進(jìn)期間，氣相壓裂前回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛扰c最低瓦斯?jié)舛确謩e為0.36%、0.32%，壓裂后分別為0.28%、0.25%，分別下降了0.08%和0.07%。②促進(jìn)了巷道瓦斯均衡涌出。氣相壓裂后，掘進(jìn)時(shí)工作面瓦斯傳感器峰值從0.65%降至0.50%，支護(hù)檢修時(shí)瓦斯峰值從0.18%升至0.22%。這說明CO2氣相壓裂促使煤層透氣性增加，在掘進(jìn)和支護(hù)期間煤層瓦斯釋放量趨于均衡。③提升了巷幫鉆場瓦斯抽采效果。在CO2氣相壓裂瞬間，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬仙?.10%，一般持續(xù)5～8 s；在壓裂完畢后，巷幫鉆場瓦斯抽采濃度、混合流量明顯增加，整體抽采量有明顯提升。掘進(jìn)面煤體基本參數(shù)測定也表明，壓裂前后煤體的瓦斯含量及鉆屑解吸指標(biāo)K1均有明顯下降，其中含量下降2 m3/t，K1值下降0.12 mL/(g·min0.5)左右。④加快了巷道的掘進(jìn)速度。N101回風(fēng)巷、N101運(yùn)輸巷和N101切眼3條巷道掘進(jìn)工效表明，實(shí)施CO2壓裂后單日進(jìn)尺從4.0 m提升至5.5 m，極大地緩解了工作面接替緊張局面，保障了工作面的安全高效開采。

4 結(jié)論

(1)液態(tài)二氧化碳相變和高能氣體急劇膨脹瞬間作用于煤層，使煤體松動(dòng)破裂，是低滲煤層氣相壓裂增透的機(jī)理。

(2)氣相壓裂增透技術(shù)具有降低巷道瓦斯涌出濃度、促進(jìn)巷道瓦斯均衡涌出、提升巷幫鉆場瓦斯抽采效果和加快巷道掘進(jìn)速度等多重作用。

(3)實(shí)施氣相壓裂措施后，抽采時(shí)間內(nèi)瓦斯抽采純量是未進(jìn)行氣相壓裂的5.12倍，巷道掘進(jìn)平均單日進(jìn)尺從4.0 m提升至5.5 m，巷道掘進(jìn)速度提升顯著，緩解了工作面接替緊張局面，保障了工作面的安全高效開采。