天池煤礦CO2氣相壓裂強化增透瓦斯抽采技術研究

劉 毅，甘路軍，尹明珩，李 明，徐金國，李光強

(山西和順天池能源有限責任公司， 山西 晉中 032700)

我國高瓦斯突出礦井廣泛分布，瓦斯治理難度大。隨開采深度增加，瓦斯含量、壓力及地應力逐漸增大，瓦斯災害趨勢越發(fā)嚴重。抽采和卸壓是防止煤礦瓦斯事故發(fā)生的根本措施，主要有密集鉆孔[1]、多項水力化[2-3]、驅(qū)替抽采[4-5]、深孔爆破[6]等技術，這些技術在一定程度上遏制了瓦斯災害惡化，但仍未完全消除瓦斯災害的發(fā)生。氣相壓裂技術在20世紀90年代引入我國，該技術因安全性能高、操作簡便、威力大且不涉及民爆產(chǎn)品而備受青睞。山西和順天池能源有限責任公司主采的15號煤層為復雜結構煤層，含多層薄層夾矸，中間賦存0.5 m左右構造煤。復雜結構和構造煤分層阻礙了瓦斯的垂向滲流，導致瓦斯抽采效率低，影響煤巷安全高效采掘。

1 試驗工作面瓦斯地質(zhì)特征

天池能源公司15號煤層采掘生產(chǎn)主要集中在六采區(qū)，全區(qū)劃分為煤與瓦斯突出危險區(qū)。瓦斯含量最大12.47 m3/t，瓦斯壓力最大0.51 MPa.

15號煤層瓦斯含量主要受煤層埋深控制，瓦斯含量增長梯度為2.5 (m3·t-1)/100 m. 15號煤層具有明顯的分層現(xiàn)象，靠近頂板處煤層松軟瓦斯含量較高，下部煤層較為堅硬瓦斯含量稍低，煤層中間分布較薄的夾矸阻礙了抽采過程中的瓦斯?jié)B流，造成上部松軟煤層瓦斯抽采效果較差，增加了掘進和回采過程中的落煤瓦斯涌出量。隨著采區(qū)向深部延伸，煤層瓦斯含量越來越大，常規(guī)瓦斯抽采花費時間越來越多，增加了礦井采掘接替緊張的局面。

2 CO2氣相壓裂高效抽采試驗方案

氣相壓裂能使煤層內(nèi)部裂隙增加，促進煤層卸壓增透，進而提高瓦斯抽采效率?；诖耍?5603進風順槽進行氣相壓裂強化增透瓦斯抽采試驗。

1) 試驗地點：15603進風順槽，巷道口以內(nèi)710～850 m.

2) 布孔方案：在巷道右?guī)筒贾?5個壓裂鉆孔，壓裂鉆孔間距為9 m，鉆孔深度為110 m，每兩壓裂鉆孔間布置強化抽采鉆孔2個，鉆孔按雙排布置，上排鉆孔距底板2 m，下排距底板1.5 m；鉆孔間距均為3 m；壓裂孔和強化抽采孔均采用d108 mm、孔深110 m、封孔深度為20 m的鉆孔，具體布孔方式見圖1.

3) 壓裂參數(shù)：壓裂孔選用C74-L壓裂設備，單孔壓裂桿數(shù)目為30根，剪切片為120 MPa.

4) 施工順序：首先完成1號、2號兩個鉆孔及氣相壓裂施工，其次，在兩壓裂孔間實施兩個強化抽采鉆孔，然后進行3號孔的氣相壓裂施工，再在2號、3號壓裂孔間實施強化抽采鉆孔，最后依次進行15個鉆孔的壓裂試驗。

圖1 15603進風順槽氣相壓裂實施方案圖

5) 瓦斯參數(shù)采集：測試瓦斯抽采參數(shù)；9號孔與10號孔之間實施4個強化抽采孔，用于驗證氣相壓裂抽采半徑。

3 結果與討論

為了評價氣相壓裂效果，選取與壓裂段相鄰30 m內(nèi)的抽采鉆孔進行對比。后續(xù)實施的壓裂鉆孔的抽采效果，均與該基礎對比孔參數(shù)進行對比，分析氣相壓裂孔的瓦斯抽采效果。

3.1 壓裂區(qū)濃度及流量變化

為了更直觀地評價壓裂效果，對壓裂區(qū)以及對比區(qū)抽采孔的抽采效果進行整體對比(壓裂區(qū)包含15個壓裂孔及壓裂孔間的30個抽采孔)，對比2021年12月—2022年3月抽采階段不同區(qū)段的瓦斯抽采濃度、百米瓦斯抽采純量變化趨勢,見圖2.

圖2 壓裂區(qū)抽采參數(shù)變化趨勢圖

由圖2可知，對比區(qū)段均為未壓裂孔，瓦斯在初始抽采時，濃度存在較高的水平，隨著瓦斯抽采的進行，濃度下降較為迅速并趨于穩(wěn)定，經(jīng)計算，對比段平均瓦斯?jié)舛葹?4.7%. 相較于對比區(qū)段，壓裂區(qū)瓦斯抽采濃度一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，在后續(xù)抽采過程有了相對提升，整體壓裂區(qū)平均瓦斯?jié)舛?2.2%，提升1.5倍。

通過實測可以看出，對比區(qū)與壓裂區(qū)的瓦斯抽采純量在前期處于波動狀態(tài)，在后續(xù)逐漸提升，這是由于前期抽采期間井下鉆孔抽采負壓不穩(wěn)定，待抽采負壓穩(wěn)定后，瓦斯純量有逐漸提升的趨勢；雖瓦斯純量波動較大，但整體抽采效果仍優(yōu)于未壓裂段的抽采效果。計算得到對比區(qū)百米鉆孔平均瓦斯純量為15.16 m3/d，壓裂區(qū)百米鉆孔平均瓦斯純量24.45 m3/d，經(jīng)過壓裂，瓦斯抽采純量提升1.6倍。

3.2 壓裂區(qū)瓦斯含量變化

為了測定氣相壓裂技術回采工作面的壓裂增透效果，通過壓裂抽采前后取芯測試瓦斯含量變化情況，2021年11月22日在未進行氣相壓裂的試驗區(qū)進行瓦斯含量測試，煤層瓦斯含量為7.67 m3/t. 整體壓裂后，于2022年3月27日在壓裂區(qū)鉆取考察孔進行殘余瓦斯含量測試,在圖1標注的測試孔1(QY1)、測試孔2(QY2)分別取樣測試瓦斯含量，取樣深度為30 m、40 m、50 m. 所測結果見表1.

表1 15603進風順槽壓裂區(qū)瓦斯含量數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1，壓裂區(qū)煤層瓦斯含量由抽采前的7.67 m3/t，降低至5.81 m3/t(平均值)，下降了1.86 m3/t.

3.3 氣相壓裂抽采半徑變化

鉆孔抽采影響半徑是抽采的重要參數(shù)，直接影響瓦斯抽采鉆孔間距的確定。為確定抽采影響半徑，對順層壓裂段內(nèi)的瓦斯抽采孔CS1、CS2、CS3、CS4進行分析，4個抽采鉆孔與9號、10號壓裂孔均于2022年12月14日施工完畢,鉆孔分布見圖1.

抽采孔CS1、CS2距9號壓裂孔分別為3 m和6 m，抽采孔CS3、CS4距10號壓裂孔分別為3 m和6 m.

2022年3月28日測得壓裂段內(nèi)4個瓦斯抽采孔的平均瓦斯?jié)舛葹?0.5%、49.0%、58.7%和38.1%，相比于對比段，CS2和CS4的濃度分別提升1.41和1.69倍，與壓裂孔基本持平，由此可以推斷，氣相壓裂后，經(jīng)過104天的抽采，抽采影響半徑可達6 m以上，比原抽采孔提高了2倍以上。為確保氣相壓裂后抽采半徑的具體效果評價，后續(xù)仍需采用壓降法進行實測。

4 結 論

1) 氣相壓裂技術具有良好的抽采效果，同未壓裂相比氣相壓裂技術瓦斯抽采的單孔濃度提高1.5倍，百米瓦斯抽采純量提高1.6倍。

2) 抽采4個月，壓裂區(qū)瓦斯含量下降了1.86 m3/t. CO2氣相壓裂作用于煤層，溝通煤層裂隙，瓦斯?jié)B流通道進一步擴展，瓦斯更易抽采；氣相壓裂后，瓦斯抽采半徑可達6 m以上。

3) 試驗結果表明，氣相壓裂后瓦斯快速抽采的核心機理是在煤層中形成一定范圍的裂縫圈，在裂縫圈影響范圍內(nèi)，煤層透氣性提高。氣相壓裂后，通過合理布孔，形成分布更為均勻的瓦斯壓力場，使煤層抽采效率大幅提高。