新元礦31004 掘進工作面氣相壓裂增透技術研究與應用

要天富

（陽泉煤業(yè)集團和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 和順 032700）

1 工程概況

陽煤集團新元煤礦位于沁水煤田北部，礦井主要 3 、9 、15 號煤層，31004 工作面位于井田南區(qū)，工作面開采3 號煤層，煤層厚度2.52～2.82 m，平均厚度2.72 m，平均傾角為3°，煤層頂板巖層為泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質泥巖和細粒砂巖，工作面采掘設計如圖1 所示。根據礦井地質資料可知，31004工作面埋深最深處瓦斯含量約為16.13 m3/t，瓦斯含量較高，瓦斯壓力較大。310004 輔助進風巷和回風巷沿3 號煤層底板掘進，巷道掘進期間測試得出煤的堅固性系數為0.4，最大瓦斯含量為12.70 m3/t，基于《煤與瓦斯突出規(guī)定》可知，掘進工作面具有瓦斯突出危險性，為保障巷道掘進期間無瓦斯突出現象出現，同時為實現瓦斯的高效抽采，擬采用氣相壓裂增透技術，現具體對增透原理及增透方案進行設計研究。

圖1 31004 工作面采掘設計圖

2 氣相壓裂增透機理

氣相壓裂增透技術主要是通過在煤層中造縫卸壓進行瓦斯抽采以消除突出危險性，由于煤層中存在著多種原始裂縫，原始裂縫的存在對氣相壓裂造縫機理及發(fā)育規(guī)律起著控制性作用，煤體中的原始裂隙可劃分為面割理、端割理、層理和構造裂隙，具體煤層內原始裂隙如圖1a）所示。氣相壓裂在煤層中的造縫機理可劃分為2 個階段2 種類型，分別為前端高壓氣相射流階段的應力波損傷造縫和后期的準靜態(tài)高壓氣相膨脹重啟先存裂縫的張裂造縫[1-2]。

氣相壓裂造縫在第1 階段主要通過高壓氣相射流對鉆孔壁煤巖層進行沖擊，損傷破壞孔壁近煤巖層，在孔壁周圍形成破壞區(qū)，通過隨后的高壓氣流射入損傷區(qū)域，實現裂縫的張開和延伸，在鉆孔周圍形成多方向的放射狀裂縫系統(tǒng)，該類裂縫一般呈放射狀分布，僅在煤層中發(fā)育，具體發(fā)育形式如圖1（b）所示，放射狀裂縫從鉆孔孔壁向外逐漸減小，該種裂縫是在氣相壓裂后形成的新生裂隙系統(tǒng)，不受到煤體內先存裂縫的控制。

圖1 煤體原生裂隙及氣相壓裂造縫示意圖

氣相壓裂造縫在第2 階段，高壓射流沖擊鉆孔孔壁后，射流壓力會不斷降低，在鉆孔內部形成準靜態(tài)高壓氣相狀態(tài)，煤層中的層理和割理在高壓氣體和射流沖擊作用下形成的裂紋，通過高壓氣體的持續(xù)驅動作用持續(xù)張裂和延伸，直至氣相壓力降低至煤體破壞強度以下，該種裂縫屬于先存裂縫的重新開啟，稱之為重啟裂縫，裂縫在長度上和與割理和層理相耦合，屬于可通過肉眼識別的微觀尺度裂縫[3-5]。

氣相壓裂技術是通過高壓氣體對煤體局部進行高效造縫，通過造縫在煤層中形成復雜的裂隙網絡系統(tǒng)，在煤體內形成的裂縫圈內，其實現的為增透和卸壓的雙重效應。裂縫圈內的裂縫相互連通，能夠降低煤體應力，在一定程度上消除瓦斯突出的危險性。氣相壓裂的本質是進行造縫和卸壓，形成的裂縫圈即為消突圈，氣相壓裂后形成的卸壓消突圈如圖2所示，完整的卸壓消突圈主要由3 個不同的裂縫圈層組成，第一種為放射狀裂縫圈層，該圈層為壓裂核心圈層，圈層內存在著長且寬的放射狀裂縫，形成高導流-高滲透的圈層，在該圈層內地應力幾乎完全消失；第二類圈層為宏觀裂縫圈層，圈層內充滿肉眼可分辨的氣相壓裂形成的復雜裂縫，煤體在裂縫的切割下形成各種顆粒狀結構，屬于地應力消散區(qū)域和高滲透圈層；第三類圈層為震動圈層，該圈層內無顯現的裂縫，但該層內的煤體在氣相壓裂機械波的震動作用下，可能形成顯微裂縫能夠在一定程度上對煤體增透。

圖2 氣相壓裂消突圈示意圖

3 氣相壓裂方案及效果

3.1 氣相壓裂方案

31004 輔助進風和回風順槽掘進工作面具體突出危險性，根據工作面地質條件，結合氣相壓裂增透機理，設計掘進工作面分別采用60 m 單孔和雙孔壓裂方案，具體單孔和雙孔壓裂參數如下：

1）60 m 單孔壓裂方案：布置1 個壓裂鉆孔，10 個抽采鉆孔，鉆孔孔徑113 mm，壓裂鉆孔控制范圍為掘進工作面前方60 m，通過壓裂進行預抽，具體壓裂鉆孔和抽采鉆孔的參數見表1，鉆孔布置形式如圖3 所示。

表1 60m 單孔壓裂鉆孔及抽采鉆孔參數表

圖3 60 m 單孔壓裂鉆孔及抽采鉆孔布置示意圖

2）60 m 雙孔壓裂方案：布置2 個壓裂鉆孔，9 個抽采鉆孔，鉆孔孔徑113 mm，壓裂鉆孔控制范圍為掘進工作面前方60 m，通過壓裂進行預抽，具體壓裂鉆孔和抽采鉆孔的參數見表2，鉆孔布置形式如圖4 所示。

圖4 60m 雙孔壓裂鉆孔及抽采鉆孔布置示意圖

表2 60 m 雙孔壓裂鉆孔及抽采鉆孔參數表

氣相壓裂增透抽采技術工藝流程主要包括：鉆孔定位→鉆孔施工→壓裂施工→鉆孔封孔、聯網接抽→數據監(jiān)測→恢復掘進。鉆孔定位時根據煤層傾角、軟硬程度具體確定鉆孔位置，鉆孔的高度在距離頂板不小于1 m 的位置；鉆孔施工時遵循“低壓慢進、邊吹邊退、掏空前進”的鉆進原則。鉆孔壓裂過程如下：①將壓裂設備運輸至壓裂地點；②測試壓裂管的導電性，確保導電性能完好；③向鉆孔中推進壓裂管，實現鉆機的緩慢前進；④壓裂管推進完成后，連接第1 支封孔器，并在第2 支封孔器和第1 支封孔器間連接5 根7.5 m 的推桿；⑤連接手壓泵進行注水封孔器的封孔作業(yè)，當泵壓達到10～12 MPa 后關閉注水管路閥門；⑥確保作業(yè)環(huán)境安全后即可進行放線引爆作業(yè)。

3.2 效果分析

在31004 輔助進風巷和回風巷掘進期間，分別在巷道采用60 m 單孔和雙孔氣相壓裂方案后進行壓裂抽采數據的監(jiān)測分析，根據監(jiān)測結果得出掘進工作面壓裂后抽采數據見表3。

表3 氣相壓裂后抽采數據表

根據統(tǒng)計分析能夠得出31004 輔助進風巷和31004 回風巷分別采用60 m 單孔和雙孔氣相壓裂方案后百米鉆孔瓦斯抽采量柱狀圖如圖5 所示。

圖5 31004 輔助進風和回風巷氣相壓裂后抽采效果柱狀圖

分析圖5 可知，在煤層內瓦斯含量大于10 m3/t時，此時采用雙孔氣相壓裂方案后百米鉆孔的瓦斯抽采量明顯高于單孔氣相壓裂的抽采效果，雙孔壓裂后百米鉆孔的瓦斯抽采量為單孔百米鉆孔瓦斯抽采量的2～3.71 倍；當煤層內瓦斯含量為8 m3/t 時，此時可采用單孔氣相壓裂方案同樣可實現較好的抽采效果；另外從氣相壓裂后的抽采效果分析可知，60 m 壓裂氣相壓裂時，方案中設置15 根壓裂管較為適宜。

為有效評價氣相壓裂抽采方案的消突效果，采用鉆屑解吸指標K1 進行預測分析，根據相關規(guī)定，確定煤巷掘進工作面突出危險性的參考臨界值分別為：干煤樣0.5，濕煤樣0.4。

在31004 輔助進風和回風巷采用氣相壓裂抽采方案后，根據現場測試分析可知，掘進期間未出現K1 值超限現象，保障了巷道的安全掘進。

4 結 論

根據31004 工作面的地質條件，通過分析氣相壓裂增透機理，結合煤巷掘進工作面特征進行氣相壓裂方案的設計，根據氣相壓裂方案實施后的效果分析可知，氣相壓裂雙孔增透效果高于單孔，當煤層內瓦斯含量≤8 m3/t 時，采用單孔壓裂，當煤層內瓦斯含量≥10 m3/t 時，宜采用雙孔壓裂，掘進工作面采用氣相壓裂后，掘進期間無瓦斯突出現象。