基于水力壓裂的特大斷面瓦斯隧道快速揭煤技術研究

[摘 ?要]針對復雜地質構造瓦斯隧道揭煤周期長、工程量大的難題，提出了以水力壓裂技術為核心的5+1+1”高效揭煤體系，分析得出煤巖的地應力及應力差、煤體硬度、煤層瓦斯含量及壓力、透氣性是影響水力壓裂效果的關鍵因素，將該技術在渝黔高速鐵路新涼風埡隧道揭煤工程中應用，結果表明：采用“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技術后，瓦斯抽放濃度達20.51%，抽采達標時間縮短53%，工期提前200余天。研究成果可為類似的工程設計、施工提供借鑒。

[關鍵詞]水力壓裂 ?特大斷面 ?瓦斯隧道 ?揭煤

中圖分類號：D622 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0014-02

我國近75%的國土面積為山地和丘陵，隨著中西部地區交通建設的不斷發展，在山區修建的隧道數量和里程也逐年增加，不可避免的會遇到穿越煤系地層的隧道。其中瓦斯是穿煤隧道建設重大危害之一。我國南方煤層透氣性差，透氣性洗漱普遍小于0.1m2/（MPa2？d）），屬較難抽放煤層，目前常規的震動放炮、水力割縫、密鉆孔等瓦斯抽采技術[1～5]，存在抽采鉆孔有效半徑小、抽采達標時間長、工程量大等問題，容易存在瓦斯抽采空白帶，使得隧道在揭開煤層時仍然存在很大的煤與瓦斯突出隱患。本文結合渝黔高速鐵路新涼風埡瓦斯隧道工程實際，探討了水力壓裂增加煤層透氣性機理，在此基礎上提出了“5+1+1”的隧道揭煤技術。

1、工程概況

渝黔鐵路新涼風埡隧道為渝黔高速鐵路的雙線隧道，全長7618m，共穿過9層煤，總長度175m，如圖1所示。隧道埋深350～400m，煤層厚度1.5～2.0m，煤層傾角24°。原始瓦斯含量最高達15.01m3/t，壓力最高為1.327Mpa。該段隧道穿煤層數多，地質構造復雜，煤與瓦斯突出危險性大，為全線重難點控制性工程，被列為Ⅰ級高風險隧道。

2、水力壓裂增透機理

2.1 水力壓裂效果影響因素

（1）地應力及應力差對壓裂效果影響

地應力不僅對于煤儲層滲透性具有重要的影響，同時，地應力大小和方向也是控制水力壓裂裂縫起裂壓力、位置及形態的重要參數。壓裂產生的裂縫，一定范圍內發生轉向或相互扭曲，隨著裂縫的延伸，最終在垂直于最小水平主應力方向形成一條裂縫。

應力差主要是指煤層所受應力與遮擋層所受應力之間的差距，其主要是通過影響裂縫擴展形態來影響增透效果的。

（2）煤的強度

煤的力學強度是指煤受外力作用時抵抗破壞的能力。當外力增加時，煤的內應力也相應地增大，甚至破壞煤體。此時煤內的應力應為煤的極限強度，煤的強度越大，水力壓裂將越難進行。

（3）煤層瓦斯含量對壓裂效果影響

瓦斯含量對煤層吸附飽和程度起決定性影響：臨界解析壓力、有效泄氣面積隨著瓦斯含量的增高而增高，從而也就使單井產量增高。煤層瓦斯含量主要受煤層厚度與煤層埋深程度的影響，而且呈正相關影響趨勢。

（4）煤層透氣性對壓裂效果影響

當其它條件都相同時，壓裂效果與煤層透氣性變化趨勢相同：透氣性越高，煤層中流體滲流速度越快，煤層瓦斯產量也就越高;反之則滲流速率越慢，煤層瓦斯產量越低。

（5）煤層瓦斯壓力對壓裂效果影響

煤層瓦斯含量、煤層瓦斯產量的變化趨勢與原始瓦斯壓力變化趨勢保持一致，即原始壓力越高，煤層瓦斯含量越高，瓦斯抽采量也就越高。反之，則越低。

綜上所述，地應力和煤體強度為主控因素，地應力大小和方向是控制水力壓裂裂縫起裂壓力、起裂位置及裂縫形態。

2.2 水力壓裂增透機理

水力壓裂增透技術源自油氣儲層改造，是利用高壓泵組將高壓液體以大大超過地層吸收能力的排量注入鉆孔中，對鉆孔進行封孔后，高壓水在孔壁附近憋壓超過孔壁附近地應力及巖石抗拉強度的壓力后，即在地層中形成裂縫。隨著液體不斷注入裂縫中，裂縫逐漸向孔周圍不斷延伸。待壓裂完成后排出壓裂液，形成瓦斯滲流通道，增加煤層透氣性，使較遠處的瓦斯能夠通暢流入鉆孔中，起到減少揭煤鉆孔工程量、提高瓦斯抽放率、縮短抽放時間的作用。

3、“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技術

3.1“5+1+1”瓦斯隧道揭煤體系

“5+1+1”高效揭煤體系是指對待揭煤層進行以20m垂距初探、10m垂距精探、5m垂距預測、2m垂距驗證、過煤門預測的5步預測揭煤法，輔以水力壓裂增透抽采技術及金屬骨架加強支護的隧道揭煤體系。

3.2“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技術

（1）20m垂距初探

在距煤層20m垂距處分別沿隧道開挖方向及與煤層垂直方向施工孔徑Φ89mm的3個鉆孔，初步掌握煤層的大概位置。

（2）10m垂距精探

當隧道開挖至距煤層10m垂距時，施工3個孔徑Φ89mm地質取芯鉆孔，穿透煤層全厚，并且進入底板不小于0.5m，終孔位置控制在開挖輪廓外5m左右，并取各個煤層巖芯，分析其產狀及頂、底板巖性。

（3）5m垂距預測

隧道開挖至距煤層5m垂距處進行區域驗證，即工作面突出危險性預測，采用鉆屑指標法與瓦斯壓力法相互驗證的預測方法。預測鉆孔布置在竣工抽排鉆孔中間，共設計鉆孔30個，控制隧道輪廓線外上方9.5m、下方3.8m、左右各5.2m，鉆孔孔徑Φ75mm。

（4）2m垂距驗證

在隧道開挖至距待揭煤層2m時，進行2m垂距驗證。采用鉆屑指標檢驗方法，鉆孔孔數按30個，驗證鉆孔布置在5m垂距預測鉆孔與抽排竣工鉆孔的空隙中，控制隧道輪廓線外上方6.5m、下方2m、左右兩邊各3.3m，鉆孔孔徑Φ75mm。

（5）過煤門預測

煤門預測鉆孔布置在揭開煤層處沿煤層傾向、走向施工，控制隧道開挖輪廓線外上下左右各3m，鉆孔孔徑Φ42mm。

（6）水力壓裂

K4～K9煤層共布置3個壓裂鉆孔，壓裂鉆孔孔徑Φ76mm，在K9煤層頂板10m垂距處施工。鉆孔終孔于抽采鉆孔控制范圍中部，鉆孔布置如表1和圖2所示。

抽采鉆孔在K9煤層頂板10m垂距處的鉆孔施工洞室內施工，按5.4m×5.3m網格布置，控制隧道輪廓線外上方14m、下方14m、左右兩幫各14m，同時保證控制范圍距離隧道輪廓線最小距離不小于5m，鉆孔孔徑Φ75mm，終孔至各抽采煤層底板0.5m處。壓裂參數如表2所示。

（7）金屬骨架加強支護

金屬骨架在距離待揭煤層2m垂距處施工，鉆孔孔徑φ108mm，控制隧道開挖輪廓線外的上部及左右幫，鉆孔穿過待揭煤層1m以上，其頂部按0.3m間距布置，中腰部按0.6m間距布置。金屬骨架鉆孔施工完成后，立即向孔內插入Φ89mm無縫鋼管，骨架外露部分固定在支架上或錨桿支撐的環形梁上，無縫鋼管的插入深度以超過待揭煤層底板1m處為準。在孔口設置一根Φ4分注漿管，并采用棉紗+水泥砂漿或AB膠將孔口封死。待孔口部分凝固后，立即采用封孔泵向孔內注漿，直至水泥砂漿從骨架管內返出為止。

3.3 效果分析

采用“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技術后，瓦斯抽放濃度達20.51%，平均抽放純量約為3400 m3/d，瓦斯抽放40d后達標，達標時間縮短53%，僅用時10.8個月即完成了所有煤層的揭煤及煤系地層的開挖工作，較計劃工期提前200余天。

4、結論

（1）分析得出煤巖的地應力及應力差、煤層瓦斯含量計壓力、透氣性、硬度是影響水力壓裂效果的關鍵因素。

（2）提出了以水力壓裂技術為核心的5+1+1”高效揭煤體系，從本質上消除了煤與瓦斯突出威脅，為隧道揭煤工藝的發展奠定了堅實的基礎。

（3）采用“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技術后，瓦斯抽放濃度達20.51%，抽采達標時間縮短53%，工期提前200余天。

參考文獻

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作者簡介：

張尚斌（1984.11-），男，工程師，河南理工大學能源學院礦業工程專業碩士研究生，長期從事煤礦瓦斯抽采、防突等瓦斯治理方面的基礎理論和現場應用研究。