基于水力壓裂增透的多煤層瓦斯隧道快速揭煤防突技術(shù)研究

任青陽，柯善劍，劉海軍，肖宋強(qiáng)

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 2.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000；3.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 401120)

隨著我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，公路等基礎(chǔ)交通設(shè)施正大規(guī)模建設(shè)。然而，我國(guó)山地所占全國(guó)面積約為1/3，尤其西南地區(qū)含煤系地層較為發(fā)育，隧道穿越煤系地層的情況日益增多[1-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年底我國(guó)(不含港澳臺(tái)地區(qū))已修公路隧道中瓦斯隧道160座，其中長(zhǎng)度達(dá)3 km以上的瓦斯隧道超過50座[7-8]。由于煤系地層段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤巖體強(qiáng)度低且軟弱破碎，加之大量瓦斯和高瓦斯壓力的存在，瓦斯隧道開挖極易誘發(fā)瓦斯事故，威脅施工人員生命財(cái)產(chǎn)安全，耽誤工期并影響工程效益。因此，在隧道開挖穿越煤系地層段之前，準(zhǔn)確掌握煤巖層賦存狀況，并根據(jù)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)情況采取有效的揭煤防突措施，對(duì)瓦斯隧道的安全、高效開挖具有重要意義[9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瓦斯隧道揭煤防突方法及技術(shù)開展了相應(yīng)研究。如朱建偉等[10]以重慶鷂子巖隧道為背景，利用超前長(zhǎng)鉆孔獲得煤層產(chǎn)狀和瓦斯參數(shù)等數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上采用多煤層平導(dǎo)與正硐區(qū)域聯(lián)合揭煤防突施工技術(shù)。任青陽等[11]探討了超前地質(zhì)鉆探法在復(fù)雜煤系地層隧道中的應(yīng)用，制定出地質(zhì)調(diào)查與超前地質(zhì)鉆探相結(jié)合的復(fù)雜煤系地層探測(cè)方法，描述了該方法技術(shù)的工藝流程，并應(yīng)用于穿越煤系地層瓦斯隧道實(shí)際工程。李棟等[12]對(duì)比分析了煤礦石門揭煤和鐵路大斷面隧道揭煤特點(diǎn)，結(jié)合防突規(guī)定研究了鐵路大斷面瓦斯隧道中地質(zhì)預(yù)報(bào)和瓦斯突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)等工藝流程，并基于某一瓦斯隧道揭煤工程闡述了割縫控制水力壓裂增透防突技術(shù)。甘甜香[13]基于正習(xí)高速公路2座穿越煤系地層隧道，分析了隧道煤系地層段施工難點(diǎn)，利用Midas/GTS NX數(shù)值計(jì)算軟件，研究了穿越傾斜煤層時(shí)隧道過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力狀況，明確了隧道結(jié)構(gòu)薄弱部位。綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中在瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)、隧道開挖圍巖穩(wěn)定性分析等，而關(guān)于隧道煤系地層防突技術(shù)多參照煤礦石門揭煤防突技術(shù)。然而，防突措施在隧道開挖中實(shí)施空間及時(shí)間緊張，加之開挖斷面大，無法照搬煤礦井下石門揭煤有關(guān)防突措施。此外，現(xiàn)有瓦斯隧道的有效防突技術(shù)經(jīng)驗(yàn)較少，缺乏可用的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

本文以正習(xí)高速公路天城壩多煤層高瓦斯隧道為研究對(duì)象，形成了基于水力壓裂增透的多煤層瓦斯隧道揭煤防突技術(shù)，分析了多煤層瓦斯隧道揭煤防突流程，探討了隧道水力壓裂防突技術(shù)中壓裂鉆孔布置、壓裂工藝、封孔工藝和壓裂關(guān)鍵參數(shù)等，并對(duì)防突效果進(jìn)行了分析探討。研究成果可為類似瓦斯隧道揭煤防突施工提供借鑒。

1 水力壓裂煤層增透原理及增透效果分析

水力壓裂技術(shù)起源于油氣系統(tǒng)壓裂技術(shù)，其技術(shù)原理是通過高壓泵將大量壓力水注入煤層中，使鉆孔周圍煤體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，當(dāng)煤體應(yīng)力大于其破裂壓力時(shí)，煤體發(fā)生破壞產(chǎn)生新裂紋，在壓力水作用下，裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展延伸。此外，煤體是典型的非均質(zhì)多孔介質(zhì)，其內(nèi)部具有豐富的原生節(jié)理裂隙[14-15]。水力壓裂不僅能在煤層中產(chǎn)生新裂隙，而且新裂隙將與煤體原生裂隙聯(lián)通，從而在煤層中構(gòu)造出復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，大幅增加了煤體瓦斯解吸流動(dòng)通道，從而使煤層透氣性大大提高，有利于煤層瓦斯抽采。大量學(xué)者對(duì)水力壓裂理論及技術(shù)開展了研究，認(rèn)為高壓水致裂煤體的過程可描述為“壓裂—充水浸潤(rùn)擴(kuò)張—再壓裂—再充水浸潤(rùn)擴(kuò)張”的裂紋起裂擴(kuò)展及煤體浸潤(rùn)過程[16]。

煤層水力壓裂增透效果受水壓裂縫分布情況的影響，而裂縫展布形態(tài)受地應(yīng)力、煤體強(qiáng)度、天然弱面等控制。煤層水壓裂縫發(fā)展過程如圖1所示，地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響如圖2所示，水壓裂縫發(fā)展過程依次為應(yīng)力累積階段、裂縫起裂階段、裂縫擴(kuò)展階段和裂縫擴(kuò)展完成階段[17-18]。隨著壓裂鉆孔內(nèi)水壓力不斷增大，使鉆孔周圍煤巖體應(yīng)力發(fā)生重新分布，并形成拉應(yīng)力增高區(qū)，為應(yīng)力累積階段；當(dāng)鉆孔壁煤體應(yīng)力累積量超過其極限強(qiáng)度時(shí)(主要為拉伸破壞)，煤體發(fā)生破裂形成微裂縫，為裂縫起裂階段；隨著壓力水不斷注入煤體內(nèi)，裂縫尖端在水楔作用下始終為應(yīng)力增高區(qū)，使微裂縫不斷擴(kuò)展延伸形成宏觀主裂縫，為裂縫擴(kuò)展階段；當(dāng)注入煤體的高壓水量與煤體內(nèi)濾失的水量達(dá)到平衡時(shí)，裂縫擴(kuò)展將停止，形成穩(wěn)定的水壓主裂縫，為裂縫擴(kuò)展完成階段。此外，裂縫擴(kuò)展方向受地應(yīng)力狀態(tài)的影響，當(dāng)最大和最小水平主應(yīng)力相同時(shí)(即地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)λ=1)，鉆孔周圍會(huì)出現(xiàn)較多裂縫，裂縫擴(kuò)展沒有固定方向，呈隨機(jī)分布；當(dāng)最大和最小水平主應(yīng)力相同時(shí)，裂縫沿最大主應(yīng)力方向起裂擴(kuò)展。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，煤層水力壓裂過程也是高壓水驅(qū)替瓦斯過程，壓裂過程中煤層內(nèi)賦存的瓦斯被高壓水驅(qū)趕壓縮，形成瓦斯壓力梯度；壓裂結(jié)束后進(jìn)行瓦斯抽采，由于煤體孔隙水壓的急劇降低，瓦斯在瓦斯壓力梯度下沿抽采鉆孔運(yùn)移，使鉆孔內(nèi)涌出大量的高濃度瓦斯，顯著提高鉆孔瓦斯抽采效果[19]。綜合而言，水力壓裂技術(shù)已在許多低透氣性煤層增透中廣泛應(yīng)用，如重慶松藻礦區(qū)、河南平頂山礦區(qū)等多個(gè)礦井均開展了水力壓裂增透技術(shù)，并取得了良好效果。然而，水力壓裂增透技術(shù)在瓦斯隧道揭煤防突中應(yīng)用較少，尤其是穿越近距離煤層群的高瓦斯隧道，缺乏相關(guān)瓦斯隧道水力壓裂技術(shù)的理論及技術(shù)指導(dǎo)。因此探討水力壓裂技術(shù)在瓦斯隧道揭煤防突中的應(yīng)用十分有必要。

圖1 煤層水壓裂縫發(fā)展過程Fig.1 Development process of hydraulic fractures in coal seams

圖2 地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)對(duì)水壓裂縫的影響Fig.2 Influence of in-situ stress lateral pressure coefficient on hydraulic fractures

2 工程概況

天城壩隧道位于遵義市習(xí)水縣仙源鎮(zhèn)北約5.50 km，按單向雙線分離式設(shè)計(jì)，左、右兩線長(zhǎng)度分別為4 210、4 245 m，左線和右線最大埋深分別為525.2、388.3 m。如圖3所示，天城壩隧道共穿越9層煤，煤層從上往下編號(hào)分別為C5、C6、C7-1、C7-2、C7-3、C8-1、C8-2、C11和C12，含煤層總厚度6.28～13.65 m，平均為10.4 m。其中，C6、C7-2、C8-1、C8-2煤層為可采煤層，尤其C6和C8煤層厚度達(dá)2.17 m和4.56 m；煤層瓦斯含量達(dá)7.01～37.16 m3/t，煤層瓦斯壓力高達(dá)4.12 MPa。

圖3 天城壩隧道穿越煤層情況Fig.3 Status for Tianchengba tunnel passing through the coal seam

3 多煤層瓦斯隧道揭煤防突流程

根據(jù)《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》要求[20]，結(jié)合煤礦井下石門揭煤防突經(jīng)驗(yàn)，提出多煤層瓦斯隧道水力壓裂增透及揭煤防突體系。具體工藝流程如圖4所示。

圖4 多煤層瓦斯隧道揭煤防突流程Fig.4 Flow chart of outburst prevention during tunnel exposing the multi coal seams

首先，基于隧道地質(zhì)物探結(jié)果，在隧道距離煤系地層段30 m處開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)煤層位置進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)鉆孔過程中噴孔、頂鉆等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行觀察。然后，距煤層法向距離20 m處施工不少于3個(gè)的初探鉆孔，開展煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

隨后，在距煤層法距12 m處再實(shí)施多個(gè)檢測(cè)鉆孔，再次對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)。對(duì)存在突出危險(xiǎn)性的煤層，需進(jìn)行區(qū)域防突措施(該工程采用水力壓裂增透技術(shù))，并對(duì)防突效果進(jìn)行檢驗(yàn)，若再次不達(dá)標(biāo)則進(jìn)一步補(bǔ)充防突措施。當(dāng)煤層區(qū)域防突指標(biāo)達(dá)標(biāo)后，方可開挖工作面至距離煤層法距5 m處，且對(duì)突出危險(xiǎn)性煤層開展工作面防突及檢驗(yàn)；若存在突出危險(xiǎn)，則需要補(bǔ)充工作面防突措施，待防突效果檢驗(yàn)確認(rèn)無危險(xiǎn)性后，可將開挖面邊探邊掘至距煤層最小法距2 m處。

接著，需要再次對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性進(jìn)行驗(yàn)證，待確認(rèn)煤層無突出危險(xiǎn)性之后，可以借助安全防護(hù)措施進(jìn)行隧道揭煤作業(yè)。在隧道揭煤中和揭開煤層后，均要求對(duì)煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性驗(yàn)證，待邊驗(yàn)證邊掘進(jìn)過完煤層至距煤層法距5 m后，完成隧道揭煤作業(yè)。

3.1 超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)

為獲得瓦斯隧道穿越煤系地層情況，如煤層產(chǎn)狀、瓦斯賦存狀況等，從而為后續(xù)防突措施的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行隧道揭煤作業(yè)前，需對(duì)煤系地層段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。首先，在距離煤層30 m處，施工φ76 mm的地質(zhì)鉆孔，對(duì)煤層位置、走向等產(chǎn)狀情況進(jìn)行探測(cè)。在距煤層法向距離20 m處時(shí)，進(jìn)一步施工地質(zhì)初探鉆孔，分析掘進(jìn)面前方煤巖層性質(zhì)、產(chǎn)狀、斷層褶皺等地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育情況等地質(zhì)資料。在隧道開挖掘進(jìn)面與煤層垂距12 m處，施工多個(gè)地質(zhì)精探鉆孔，并使勘探鉆孔控制在隧道輪廓線外5 m，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤巖層位置、產(chǎn)狀及厚度等。

3.2 突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

在隧道開挖掘進(jìn)面距煤層法距12 m處，通過地質(zhì)精探鉆孔測(cè)定煤層瓦斯含量W、瓦斯壓力P、瓦斯放散初速度ΔP、煤體堅(jiān)固性系數(shù)f和煤的破壞類型等參數(shù)，同時(shí)結(jié)合鉆孔過程中的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，如噴孔、夾鉆、頂鉆等，綜合判斷煤層是否具有瓦斯突出危險(xiǎn)性。經(jīng)測(cè)定，天城壩隧道有關(guān)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)結(jié)果見表1。

表1 天城壩隧道穿越煤層的瓦斯突出性情況Tab.1 Gas outburst status in Tianchengba tunnel passing through coal seam

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》[21]，C6和C8煤層各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到煤層突出性單項(xiàng)指標(biāo)臨界值，如C6和C8煤層瓦斯壓力平均值分別為3.19、2.46 MPa；C7煤層除煤體堅(jiān)固性系數(shù)未達(dá)到煤層突出性單項(xiàng)指標(biāo)臨界值外，其他指標(biāo)均超過指標(biāo)臨界值(煤層瓦斯壓力平均為1.87 MPa)，故綜合判斷C6—C8煤層具有突出危險(xiǎn)性。因此，為確保安全，需對(duì)突出煤層采取防突措施。

4 多煤層瓦斯隧道揭煤防突技術(shù)

針對(duì)天城壩隧道煤層瓦斯突出危險(xiǎn)情況，為實(shí)現(xiàn)隧道安全高效快速揭煤防突施工，借鑒水力壓裂增透技術(shù)在煤礦井下石門揭煤中成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，決定采用以水力壓裂煤層增透方法為核心的揭煤防突措施。具體以C6煤層為例進(jìn)行介紹。

4.1 壓裂鉆孔布置及壓裂工藝

壓裂鉆孔施工位置為距C6煤層14.6 m最小法向距離處，通過掘進(jìn)面向煤層施工穿層鉆孔，鉆孔終孔于隧道開挖輪廓線的上邊緣處，且超出C6煤層底板0.5 m；鉆孔直徑76 mm，深度為94.3 m，壓裂鉆孔沿隧道方向299°，鉆孔傾角10°。

水力壓裂鉆孔布置完成后，在鉆孔內(nèi)按要求放入壓裂管、注漿管。所用壓裂管的煤層段為帶篩孔的篩管，其他段為無縫鋼管；注漿管為鋁塑管，與壓裂管固定在一起，并通過鉆機(jī)放入鉆孔內(nèi)。隨后對(duì)壓裂鉆孔進(jìn)行封孔，封孔結(jié)束后需對(duì)封孔材料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待封孔養(yǎng)護(hù)達(dá)標(biāo)后連接壓裂設(shè)備及其管路，可進(jìn)行水力壓裂煤層作業(yè)。水力壓裂工藝流程及裝備連接如圖5所示。

圖5 水力壓裂系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic diagram of hydraulic fracturing system

4.2 封孔工藝

為有效保證煤層水力壓裂增透效果和提高煤層瓦斯抽采效率，將壓裂鉆孔封孔底部至C6煤層頂板處，如圖6所示。壓裂管為壁厚6 mm、內(nèi)徑40 mm的無縫鋼管，每根長(zhǎng)2 m，鋼管間采用接頭連接，且壓裂管前端為2 m花管。注漿管為φ20 mm鐵管，其鉆孔外端和球閥連接，通過開啟球閥進(jìn)行注漿作業(yè)。在鉆孔封孔段底部，利用“馬尾巴”封堵水泥砂漿并過濾水，其堵塞長(zhǎng)度不小于1 m，且其尾端留約50 cm花管，通過紗布纏繞。而封孔段外端利用聚氨酯進(jìn)行封堵，封堵段長(zhǎng)度不小于1.5 m。注漿液為抗收縮能力強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度大(>20 MPa)的水泥砂漿。具體封孔工藝為：①按照管路設(shè)計(jì)要求連接注漿管路；②對(duì)注漿泵進(jìn)行試運(yùn)行，觀察泵及管路是否正常；③按比例將各種封孔材料加入料攪拌桶；接著連接孔內(nèi)注漿管與孔外管道，并開啟注漿泵進(jìn)行注漿作業(yè)；④將清水加入注漿后的攪拌機(jī)內(nèi)，清洗注漿泵和注漿管道。

圖6 壓裂鉆孔封孔示意Fig.6 Schematic for sealing fracturing borehole

4.3 壓裂參數(shù)計(jì)算

(1)煤巖體破裂壓力。煤層進(jìn)行水力壓裂時(shí)，當(dāng)水壓達(dá)到鉆孔壁圍巖的破裂壓力時(shí)，煤巖體將破裂產(chǎn)生裂縫[21]。根據(jù)鉆孔周圍煤巖應(yīng)力分析可得水力壓裂煤巖體的破裂壓力為：

pf=σ1+σ3-2(σ1-σ3)cosθ+Rt

(1)

式中，pf為煤巖的破裂壓力；σ1、σ3分別為最大和最小水平主應(yīng)力；θ為壓裂鉆孔方向角；Rt為煤的抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)學(xué)者們對(duì)中國(guó)地應(yīng)力的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知[22]，煤巖層的最大、最小水平主應(yīng)力與埋深H呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)：

(2)

高壓水在管路中流動(dòng)時(shí)，由于黏性流體與管道壁有摩擦，高壓流體會(huì)產(chǎn)生能量損失。研究表明，管道內(nèi)的流體阻力為[23-24]：

(3)

式中，ΔP為壓力損失；l為管道長(zhǎng)度；Q為管道內(nèi)流體流量；D為管道內(nèi)徑；Re為雷諾數(shù)，可通過Re=111 65Q/D計(jì)算獲得。

根據(jù)式(1)—式(3)，結(jié)合天城壩隧道煤層賦存條件(煤巖體抗拉強(qiáng)度2.6 MPa)，以及壓裂管路參數(shù)(壓裂管為φ50 mm，長(zhǎng)度500 m)，經(jīng)綜合計(jì)算，C6煤層壓裂孔的破裂壓力為26.1 MPa。

(2)壓裂注入水量。煤層進(jìn)行水力壓裂時(shí)，可根據(jù)水力壓裂的影響范圍確定其壓入水量。具體計(jì)算公式：

V水=abhk

(4)

式中，V水為壓裂壓入水量；a為影響區(qū)域長(zhǎng)度；b為影響區(qū)域?qū)挾龋籬為影響區(qū)域高度；k為影響區(qū)域孔隙率。

根據(jù)本隧道作業(yè)地點(diǎn)情況和煤層壓裂預(yù)計(jì)范圍(20 m)，代入上述公式計(jì)算得出：C6煤層壓裂孔注水量約37.5 m3。

4.4 瓦斯抽采鉆孔布置

煤層水力壓裂完成后，需對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行接抽。C6煤層瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)在距C6煤層14.6 m最小法向距離處施工。采用煤礦用液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆頭為PDC金剛石復(fù)鉆頭，鉆頭外徑76 mm，鉆桿為φ63 mm×760 mm普通鉆桿。按終孔間排距4 m×4 m網(wǎng)格布置瓦斯抽采鉆孔，并使鉆孔能預(yù)抽隧道輪廓線外至少12 m。鉆孔孔徑76 mm，終孔至C6煤層底板0.5 m處，采用囊袋式注漿封孔法隨鉆隨封。瓦斯抽采鉆孔施工完成后，將抽采管連入φ200 mm的抽采主鐵管，并通過地面移動(dòng)抽采泵對(duì)該隧道煤層瓦斯進(jìn)行抽采。瓦斯抽采現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 煤層瓦斯抽采現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Site photograph for draining the coal gas in tunnel

5 防突效果分析

C6煤層進(jìn)行水力壓裂結(jié)束后進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯抽采效果如圖8和圖9所示。煤層瓦斯抽采30 d內(nèi)，單孔平均瓦斯抽采純量總體上隨抽采時(shí)間逐漸衰減，抽采初期約為0.013 m3/min，抽采30 d后衰減至0.006 m3/min，平均值為0.009 m3/min。此外，瓦斯抽采主管道的瓦斯抽采濃度也隨抽采時(shí)間緩慢降低，由抽采初期的80%逐步衰減至60%，表明隧道開挖掘進(jìn)面附近煤層賦存的瓦斯逐漸被抽出。如圖9所示，在抽采30 d內(nèi)煤層瓦斯累計(jì)抽采總量達(dá)1.2萬m3。

圖8 煤層瓦斯抽采效果Fig.8 Gas drainage effect from coal seam

圖9 煤層瓦斯累積抽采總量Fig.9 Total cumulative gas extraction volume

從煤層瓦斯抽采效果可以看出，C6煤層實(shí)施水力壓裂增透技術(shù)以后，煤層瓦斯抽采效果較好，從而提高隧道煤層揭煤防突效率。煤層瓦斯接抽結(jié)束以后，對(duì)煤層瓦斯參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)C6煤層瓦斯抽采后殘余瓦斯含量和瓦斯壓力分別為2.91～5.29 m3/t和0.26～0.61 MPa，均在臨界指標(biāo)8 m3/t和0.74 MPa之下，表明瓦斯抽采效果達(dá)標(biāo)。同時(shí)，采用綜合指標(biāo)法和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法對(duì)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并記錄施鉆過程中是否發(fā)生噴孔、夾鉆、頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象，結(jié)果表明并無瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生，且檢驗(yàn)結(jié)果均無超過指標(biāo)。此外，在隧道開挖掘進(jìn)面距煤層法距12、5、2 m處進(jìn)行瓦斯抽采效果檢驗(yàn)，測(cè)定鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1值、Δh2和鉆屑量S等，發(fā)現(xiàn)均未超標(biāo)。

綜上所述，對(duì)C6突出煤層實(shí)施水力壓裂防突技術(shù)后，煤層消突效果顯著，工作面防突檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)，縮短揭煤時(shí)間2個(gè)月，為后續(xù)揭開C8特厚煤層及隧道貫通提供安全技術(shù)保障。

6 結(jié)論

本文以天城壩瓦斯隧道為工程實(shí)例，形成了基于水力壓裂大范圍增加煤層透氣性方法的多煤層瓦斯隧道揭煤防突技術(shù)，分析了水力壓裂致裂煤層增透原理與增透效果影響因素，明確了以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)初探、精探和突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)為核心的瓦斯隧道揭煤防突流程，探討了隧道水力壓裂防突中壓裂相關(guān)參數(shù)及工藝，并對(duì)防突效果進(jìn)行了分析探討。

(1)多煤層瓦斯隧道揭煤防突根據(jù)至煤層法向距離30、20、12、5、2 m依次對(duì)煤系地層實(shí)施超前探測(cè)、初探、精探、區(qū)域防突及檢驗(yàn)、工作面防突及檢驗(yàn)、驗(yàn)證揭煤等，待驗(yàn)證無突出危險(xiǎn)性后方可開挖揭煤，直至穿越煤層法距5 m處。

(2)利用水力壓裂致裂煤層增加煤體透氣性，從而提高瓦斯隧道消突效果，并優(yōu)化了隧道內(nèi)實(shí)施水力壓裂技術(shù)的壓裂鉆孔布置、壓裂工藝、封孔工藝、破裂壓力及用水量、瓦斯抽采鉆孔布置等關(guān)鍵工藝參數(shù)。

(3)C6—C8煤層的原始瓦斯壓力1.62～4.12 MPa，瓦斯放散初速度為18.2～34.0，煤體堅(jiān)固性系數(shù)為0.3～1.0，破壞類型為Ⅲ類。上述指標(biāo)綜合表明C6—C8煤層為突出煤層。當(dāng)C6煤層實(shí)施水力壓裂防突技術(shù)后，煤層平均單孔瓦斯抽采純量達(dá)0.009 m3/min，瓦斯抽采濃度在60%以上；抽采30 d后殘余瓦斯含量和瓦斯壓力2.91～5.29 m3/t和0.26～0.61 MPa，均小于突出臨界指標(biāo)，且鉆屑瓦斯解析指標(biāo)等均未超標(biāo)，縮短揭煤時(shí)間2個(gè)月。