掘進面多級氣相壓裂卸壓抽采防突研究*

周建斌，郭春生，馬 澤，臧 杰，3

(1.陽泉煤業(yè)集團(有限)責任公司，山西 陽泉 045000； 2.中國礦業(yè)大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083； 3.河南理工大學 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室，河南 焦作 454002)

0 引言

煤與瓦斯突出是嚴重擾亂采礦作業(yè)秩序、危害人員生命安全的事故，而我國煤礦由于其地質條件的復雜性，突出情況尤為嚴重。瓦斯突出長期威脅著我國煤礦的生產安全[1-2]。2010年至2019年之間，我國規(guī)模以上煤礦開采企業(yè)發(fā)生較大以上煤與瓦斯突出事故共77起，共計死亡人數705人[3]。

煤與瓦斯突出發(fā)生的原理是煤體所受應力突破其強度極限，并瞬間由煤體向井巷作業(yè)區(qū)域拋出大量煤粉、巖體以及瓦斯。煤與瓦斯突出可大面積破壞采掘及支護設施，大量瓦斯涌出會干擾通風系統(tǒng)，甚至出現風流逆轉，還可能發(fā)生煤流埋人等嚴重傷亡事故[4]。針對煤與瓦斯突出這一重要礦井災害，基于對煤與瓦斯致災機理的不斷深入研究[5]，我國提出多項技術措施并取得良好的應用效果。易恩兵[6]利用開采解放層的方法在華豐礦1410工作面成功進行卸壓消突研究；翟成等[7]在大興煤礦運用水力壓裂增透技術進行試驗，發(fā)現普通瓦斯抽采孔的抽采濃度一般低于20%，而壓裂后的抽采濃度可提高至20%～80%，瓦斯純流量可由0.029 m3/min提高到0.218 m3/min，提高7.6倍；高厚等[8]從煤層應力的角度進一步對水力壓裂機理進行研究，根據所得水力壓裂過程中煤層的應力變化狀態(tài)，提出提高水力壓裂效果的工程方法；張鵬偉[9]采用水力割縫的方法有效提高抽采效率，將單孔抽采濃度由11%～67%提高至14%～88%，單孔抽采平均濃度由33.7%提高至51.9%，割縫后平均抽采濃度提高18%；孔留安等[10]將水力沖孔快速掘進技術用于焦煤集團九里山礦的防突工作中，發(fā)現水力沖孔不但有降低煤塵的作用，還可以減少煤體應力集中，改變應力分布，從根本上減少突出的易發(fā)率，進而加快掘進作業(yè)；晉康華等[11]在義煤集團李溝礦進行水力沖孔試驗研究，從多個方面對水力沖孔卸壓增透區(qū)域消突技術的效果進行評價，發(fā)現該方法對煤層透氣性的提高效果十分顯著；方志明等[12]在平頂山以及陽泉常村煤礦進行注氣抽采試驗，效果較為理想；楊宏民等[13]在山西的試驗表明，注氣抽采是1種瓦斯強化抽采技術；趙發(fā)軍等[14]提出先注后沖技術與傳統(tǒng)水力沖孔技術相比能明顯抑制瓦斯噴孔、增加沖泄煤量、提高瓦斯抽出率，是1種安全可靠的煤層消突技術；魏國營等[15]提出通過水力掏槽的方法對煤體進行工業(yè)消突，并通過在焦作礦區(qū)的試驗與研究，建立水力掏槽的防突參數體系，完善水力掏槽的綜合突出防治理論。

雖多項防突技術在全國均得到廣泛應用，并在較多煤礦獲得較好的效果，但對于陽泉礦區(qū)的特殊低滲煤層，效果仍然有限，并未從根本上解決問題。同時，多數現有的防突措施會在較大程度上減緩工作面作業(yè)速度，而氣相壓裂作為兼顧消防突效果與掘進速度的綜合突出防治新技術，是用于礦井防突的可靠手段。但目前對氣相壓裂的綜合理論試驗研究仍較少。

本文以陽泉煤業(yè)新元公司3#煤層31004工作面為試驗地點，通過現場調查、理論分析和現場工業(yè)性試驗等方法，對氣相壓裂綜合防突方法進行研究，以期為陽泉礦區(qū)瓦斯高效抽采及工作面安全高效掘進提供有效的裝備和技術方案，同時對低滲松軟難抽采煤層的瓦斯治理技術的發(fā)展起到一定的推動作用。

1 試驗工作面概況

新元煤礦處于陽泉市西郊、沁水煤田北部，受轄于晉中市壽陽縣。礦區(qū)東西長15.6 km，南北寬約9.6 km，面積136.77 km2。該礦主采3#，9#，15#煤層，上煤組主采3#，9#煤層，下煤組主采15#煤層，現主要開采3#煤層。新元礦區(qū)的主要含煤地層平均厚度179.17 m，主要為石炭-二疊紀含煤層，該含煤地層系共有18個煤層，平均總厚度為13.81 m，含煤系數7.7%。井田的斷層構造主要為小型正斷層，斷距大于3.0 m的較為少見，撓曲構造分布較少，但仍在較大程度上影響著煤層瓦斯含量以及涌出量。

31004工作面位于井田南區(qū)，工作面隨煤層呈現東西向的單斜構造樣，處于礦區(qū)采深最大的區(qū)域。31004工作面主采3#煤層，底板標高504～586 m，地面標高1 068.1～1 071.0 m，煤層埋深變化為485～567 m。工作面長2 677.4 m，傾斜長240 m，面積0.65 km2。煤層總厚度2.52～2.82 m，平均厚度2.72 m。煤層中度含灰、低度含硫，總體為貧瘦煤，煤層內生裂隙較為發(fā)育，且以亮煤為主，總體煤質較好。31004工作面煤體蓄能高，易激發(fā)突出，其輔助進風實測瓦斯含量19個進風循環(huán)，煤體內瓦斯量最大為12.14 m3/t，均值為9.7 m3/t；31004回風巷實測瓦斯含量最大為12.07 m3/t，均值為8.6 m3/t。

2 多級氣相壓裂原理與技術

2.1 多級氣相壓裂技術原理

氣相壓裂的基本原理為：壓縮液態(tài)CO2接觸高溫后，在熱作用下瞬間氣化并在壓裂管內形成氣體射流進而沖擊壓裂煤層，在射流附近產生新生裂紋，進而擴展裂隙系統(tǒng)，最終實現改變煤體應力分布、擴大裂縫空間、卸壓消防突的目的。液體CO2的氣化時間為20～40 ms，氣化時體積增大600多倍,導致壓力增速極快。高壓CO2在迅速膨脹后，突破剪切片承受極限并迅速從氣閥噴出，對煤體產生剪切與沖擊并行成強烈壓力波，進而通過壓力波向深部煤體傳播完成對煤體的造縫。

多級氣相壓裂指在1個鉆孔中實施多管壓裂試驗時，每只壓裂管有1個噴氣閥，并形成1簇裂縫或1個獨立的裂縫卸壓圈，多個壓裂管即形成多級裂縫或多個裂縫卸壓圈。此外，壓裂壓力、裂縫卸壓圈間距、壓裂級數和總長度均可控，使此種多級可控壓裂技術具有可根據地質條件進行工程設計優(yōu)化的特點，進而實現壓裂效果效益的最大化。

2.2 多級氣相壓裂防突機理

與水力壓裂不同，氣相壓裂主要通過將高壓氣體注入煤體，進而改變煤體孔隙裂隙場，促使裂隙的延伸與再生，最終造成煤體的部分區(qū)域發(fā)生卸壓，達到消除應力集中的目的。氣相壓裂是1種有效改變煤體應力分布進而對煤體進行消突的綜合工業(yè)手段。

煤體氣相壓裂一般經歷以下2個階段：1)前期通過高壓射流氣的應力波對煤體進行損傷造縫；2)后期通過準靜態(tài)高壓氣體的膨脹做功對原始裂縫進行擴展造縫。前期，將高壓射流氣體壓入鉆孔，對孔壁煤體進行一定的沖擊，進而在鄰近的煤體區(qū)域產生應力波，強應力波的傳播可在孔壁周圍形成破壞區(qū)，從而使高壓氣體隨氣流壓入孔壁受損區(qū)，并以鉆孔軸線為中心，形成向周圍放射的裂隙擴張圈。后期，大量氣體隨射流被壓入鉆孔及孔壁裂縫，射流沖擊壓力衰減，在鉆孔及裂縫系統(tǒng)中高壓氣體變?yōu)闇熟o態(tài)狀態(tài)。進而使高壓氣體進入煤體原生節(jié)理系統(tǒng)，并在一定時間范圍內使原有節(jié)理系統(tǒng)延拓連接，打開原生閉合裂紋，最終煤體到達屈服極限，發(fā)生大面積塑性破壞。第2階段的造縫機理主要為將先存裂縫進行打開擴展，在尺度上與節(jié)理結構相耦合，故稱為重啟裂縫階段。

氣相壓裂的有效壓裂區(qū)域被稱作卸壓圈，在該區(qū)域內，裂縫進一步發(fā)育，煤巖體應力均勻分布，集中應力向區(qū)域末端轉移。其幾何學特征是影響氣相壓裂效果的主要參數，也是氣相壓裂技術發(fā)展與工業(yè)施工方案的重要決定因素。裂縫卸壓圈如圖1所示。

圖1 裂縫卸壓圈示意Fig.1 Schematic diagram of fracture pressure relief cycle

3 多級氣相壓裂現場試驗

為評價試驗區(qū)突出煤層地質情況和瓦斯賦存與涌出狀態(tài)，測定試驗區(qū)原始煤層瓦斯含量及瓦斯壓力，揭示氣相壓裂卸壓技術的增透機理以及評價氣相壓裂突出消除效果，在新元煤礦31004工作面進行不同鉆孔及不同壓裂參數的氣相壓裂試驗，以期探尋適應于陽泉礦區(qū)的氣相壓裂的技術特征及工藝流程。

為研究不同壓裂參數的作用規(guī)律，在31004工作面采取2種不同的壓裂方案進行試驗，即在工作面輔助進風巷與回風巷的不同區(qū)段進行單孔和雙孔的多級壓裂，輔助回風巷與進風巷不同壓裂鉆孔布置方案如圖2所示，具體如下：

1)單孔多級氣相壓裂方案。在試驗面斷面中部鉆進1個壓裂孔，并在周圍鉆進10個瓦斯抽采孔(編號1～10)，如圖2(a)～(b)所示?？讖骄鶠?13 mm，孔深60 m，開孔位置一般距頂板1.0～1.2 m。沿巷道掘進方向，鉆孔方位角為掘進前方煤層傾角+1°，封孔深度一般為10～12 m，壓裂段長為20～50 m，壓裂管數量15根/孔。對壓裂孔實施兩堵一注膨脹水泥密封，長度為10～18 m。抽采孔直徑為113 mm，密封方式與壓裂孔相同。

2)雙孔多級氣相壓裂方案。在試驗面斷面中部鉆進2個壓裂孔，并在周圍鉆進9個抽采孔，如圖2(c)～(f)所示。鉆孔深度分別為60，80 m，其他鉆孔參數設置與單孔多級氣相壓裂方案相似，并依據現場實際情況進行調整。

圖2 輔助回風巷與進風巷不同壓裂鉆孔布置方案Fig.2 Layout schemes of different fracturing boreholes in auxiliary return airway and air inlet roadway

各方案的壓裂工作循環(huán)方式為：60 m單孔方案與60 m雙孔方案采取壓裂后預抽再掘進的方式，各循環(huán)5次；80 m雙孔方案采取壓后即掘的方式，進行1次循環(huán)。

壓裂時，為保證成孔質量、防止塌孔，應確保壓裂孔處于硬分層，并嚴格控制開孔位置及鉆進方位角。遵循低壓慢速、邊進邊退、定深洗孔、掏空前進的原則；每鉆進1.5 m，洗孔1次，洗孔時間根據打鉆情況確定；鉆后通風清除孔內煤粉，以保證良好的試驗環(huán)境。退鉆后，應迅速將篩管推入并快速對鉆孔進行密封。

壓裂后于試驗面前方側幫鉆孔取樣，進行突出指標測定。若鉆屑量S<6 kg/m且鉆屑解析指標K1(鉆屑瓦斯解析曲線斜率)<0.4，Δh2(鉆屑解析的瓦斯在2 min內產生的壓力差)<200 Pa,則判定該區(qū)域為安全區(qū)域，可繼續(xù)掘進；否則，按規(guī)定需進行進一步的局部消突并進行防突檢驗，待達標后方可繼續(xù)作業(yè)。

4 試驗結果分析

4.1 瓦斯抽采效果

多級氣相壓裂試驗后，通過瓦斯的單孔抽采濃度、支路孔板抽采濃度和孔板抽采純量、日抽采量、累計抽采量、百米鉆孔抽采量來評價瓦斯的抽采效果。新元礦31004工作面氣相壓裂瓦斯抽采效果對比分析見表1。

測試結果表明：單孔壓裂后，單孔平均濃度均值21.6%，日均抽采量均值250.6 m3，百米鉆孔抽采量最小為29.80 m3/(hm·d)，最大54.99 m3/(hm·d)，平均43.36 m3/d；雙孔壓裂后，單孔平均濃度均值54.1%，日均抽采量均值529.1 m3，百米鉆孔抽采量最小90.98 m3/d，最大168.23 m3/d，平均114.30 m3/d。可見，雙孔壓裂后各項抽采數據比單孔壓裂后有較明顯提升，與回風巷抽采數據相比也有明顯提升。

4.2 鉆孔施工動力現象

對試驗面的10個壓裂循環(huán)進行對比發(fā)現：在單孔壓裂的卸壓鉆孔施工時，鉆孔阻力較大，可見明顯的頂鉆、吸鉆現象，導致鉆孔難度大耗時長；雙孔壓裂的卸壓鉆孔施工時，鉆孔阻力小，故打鉆較為容易，鉆孔耗時大大縮短?？梢?，雙孔多級壓裂相較與單孔多級壓裂而言，卸壓的效果更明顯。

4.3 防突參數測試分析

在多級氣相壓裂與區(qū)域預抽完成后，恢復掘進生產；生產期間，安排專職人員在每日的鉆孔作業(yè)之前測定鉆屑瓦斯解析指標K1和Δh2。在31004試驗巷的壓后抽采再掘進的前10個循環(huán)內，共對1 731個K1值進行測定，具體測試結果如圖3所示。

表1 新元礦31004工作面氣相壓裂瓦斯抽采效果對比分析Table 1 Comparative analysis on gas extraction effect of gas-phase fracturing in 31004 working face of Xinyuan Mine

圖3 壓裂后K1值超標情況Fig.3 Situation of K1 value exceeding standard after fracturing

單孔壓裂段獲得K1值345個，其中有7次大于等于0.4，占比2.0%；Δh2測試共320個，Δh2≥200 Pa(20 mm水柱)4次，占總數的1.3%。雙孔壓裂段獲得K1值1 386個，其中有9次大于等于0.4，總占比為0.6%；測試Δh2共1 042個，Δh2≥200 Pa(20 mm水柱)5次，占總數的0.5%。

雙孔段K1值超標情況發(fā)生明顯變化，降低1.4%；Δh2超標次數也有效減少，降幅1.6%。其中，在31004輔助進風“壓完即掘”第6循環(huán)中與31004回風“壓完即掘”第6循環(huán)中，雙孔“壓完即掘”循環(huán)測K1值345個，僅有1次超過0.4，超標率僅0.3%；Δh2測試共270個，超標1個，超標率0.4%。

可知，雙孔“壓完即掘”與“壓裂+預抽”在K1值測試無明顯差。在“壓完即掘”方案中，1個80 m壓裂掘進作業(yè)僅用時20 d，掘進速度預計可達120 m/月，與原有作業(yè)情況相比可提高2倍。

4.4 抽采半徑測定

依據瓦斯流量監(jiān)測數據，結合孔口布置理論，對瓦斯抽采有效半徑進行測算，計算結果見表2。由表2可知，相對于未壓裂時，鉆孔壓裂后的瓦斯抽采有效半徑提高3.67～6.88倍。

表2 壓裂前后抽采半徑結果統(tǒng)計Table 2 Statistics of extraction radii before and after fracturing

4.5 煤層透氣性系數及流量衰減系數測定

透氣性系數的測定包括原始煤體的透氣性系數測定和氣相壓裂后煤體的透氣性系數的測定，測定結果見表3。測定鉆孔為B2，B3，B5(壓裂前)和C3(壓裂后)，每天監(jiān)測鉆孔瓦斯自然涌出量，進而可通過煤體的透氣性系數演算煤體滲透率。

表3 透氣性系數測定結果Table 3 Testing results of permeability coefficient

通過對測定結論的分析可見，未壓裂時，煤體透氣性系數為0.008～0.014 m2/(MPa2·d)，由煤層瓦斯抽采難易度判定表可知：未壓裂時，試驗煤層為難抽采煤層，而多級氣相壓裂試驗后煤體的透氣性系數變?yōu)?.763 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數增加54～95倍，變?yōu)榭沙椴擅簩?。由上述結果可知，多級氣相壓裂可以有效提高煤層的透氣性，擴大煤體孔隙空間，改變煤體孔隙系統(tǒng)，在產生新裂紋的同時提高原有裂隙裂縫的聯通性，有效降低煤層瓦斯抽采難度。

5 結論

1)新元礦31004輔助進風巷與回風巷鉆孔多級氣相壓裂試驗的抽采效果分析與現場反饋表明，多級氣相壓裂使得煤體低滲難抽的問題得到明顯改善。

2)瓦斯抽采結果顯示，雙孔多級壓裂后各項抽采數據比單孔多級壓裂后有較明顯提升；防突測試參數表明，“壓完即掘”循環(huán)與“壓裂+預抽”循環(huán)相比未見明顯差距，但“壓完即掘”的循環(huán)工作速度明顯更快。

3)多級氣相壓裂可以有效提高煤層的透氣性，擴大煤體孔隙空間，改變煤體孔隙系統(tǒng)，在產生新裂紋的同時提高原有裂隙裂縫的聯通性，有效改變煤層的抽采難易程度。