掘進煤巷氣相壓裂瓦斯涌出規律研究

張肖峰，張軍勝，王曉東，范延昌

(1.山西陽泉煤業集團，山西 陽泉 045400；2.河南理工大學 煤層氣/瓦斯地質工程研究中心，河南 焦作 454000；3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454000)

·試驗研究·

掘進煤巷氣相壓裂瓦斯涌出規律研究

張肖峰1，張軍勝2,3，王曉東1，范延昌2,3

(1.山西陽泉煤業集團，山西 陽泉 045400；
2.河南理工大學 煤層氣/瓦斯地質工程研究中心，河南 焦作 454000；3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454000)

通過對新元煤礦31004掘進工作面進行氣相壓裂試驗，分析總結出實施氣象壓裂后的瓦斯涌出規律：巷道回風流中瓦斯濃度升高出現一個峰值，主要原因是氣相壓裂的擾動，煤層造成裂縫，煤層瓦斯沿裂縫涌向巷道；實施氣相壓裂措施后，煤巷掘進過程中，瓦斯涌出均衡，而且數據監測顯示，雙孔氣相壓裂后割煤時的瓦斯涌出量大于單孔壓裂后割煤時的瓦斯涌出量。實施氣相壓裂措施后，實現了煤巷安全高效快速掘進。

氣相壓裂；瓦斯濃度；雙孔壓裂；安全掘進

隨著開采水平的延深，煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量隨之增大，礦井瓦斯等級升高，低瓦斯礦井變為高瓦斯礦井，高瓦斯礦井變為突出礦井。同時，隨著采煤機械化程度的提高，推進速度加快，掘進巷道瓦斯涌出量急劇增加，經常造成瓦斯濃度超限。一旦瓦斯超限，就必須停止掘進，采取瓦斯抽采措施，這影響了掘進生產的正常進行，成為制約大型煤礦掘采失調的主要原因[1-4]. 在掘進工作面進風量恒定條件下，割煤時瓦斯大量涌出，是造成風流中瓦斯濃度瞬間升高超限的主要原因[5]. 如何解決割煤期間瓦斯涌出不均衡，實現煤礦安全高效生產，是煤炭企業追求的共同目標。

二氧化碳氣相壓裂技術是近年來迅速發展的一項瓦斯綜合治理新技術，它具有均衡瓦斯壓力場和地應力場的雙重效應[6]，本文對新元煤礦31004掘進工作面輔助進風巷道實施氣相壓裂后的瓦斯涌出情況進行統計分析，得出實施氣相壓裂后的瓦斯涌出規律，對瓦斯涌出異常的煤巷掘進提供了指導意義。

1 概 況

新元煤礦是陽煤集團主要生產礦井之一，設計煤炭產量為5 Mt/a. 該礦位于沁水煤田北部陽泉礦區，井田構造為大型寬緩單斜；東西長15.6 km，南北寬9.6 km，近似長方形，面積約146 km2，主采煤層為山西組3#煤層和太原組的9#、15#煤層，2015年鑒定為突出礦井。試驗區域31004工作面位于井田南區，工作面整體為東高西低的單斜構造形態。31004工作面主采3#煤，底板標高504～586 m，地面標高1 068.1～1 071 m，埋深485～564.1 m，工作面長度2 677 m，傾斜長240 m，煤層厚度2.52～2.82 m，最大瓦斯含量為12.70 m3/t，堅固性系數為0.3～0.5，煤層以亮煤為主，煤層結構：0.40(0.03)2.29，2°～4°. 未采取氣相壓裂措施時，臨近巷道月進尺30～40 m；掘進過程中瓦斯涌出不均衡。

2 氣相壓裂裝置及技術原理

2.1 氣相壓裂裝置簡介

氣相壓裂裝置和材料主要由6部分組成(圖1)，包括壓裂管、充氣閥、噴氣閥、控壓剪切片、加熱器和液態CO2等。壓裂管是高強度空心鋼管，兩端分別是與之密封連接的充氣閥和噴氣閥。管內部裝有液態CO2和加熱器，噴氣閥端裝有控制爆破壓力的控壓剪切片。在啟爆器引爆加熱器時，管中液態CO2在20～40 ms轉換為高壓氣體，氣體壓力在達到剪切片控制壓力時沖破剪切片，從噴氣閥噴出作用于煤層，破壞煤層，在煤層中形成多尺度裂縫網絡系統，有利于煤層瓦斯的釋放。

圖1 氣相壓裂裝置示意圖

氣相壓裂屬于低溫非炸藥破巖技術。由于氣相壓裂過程中不產生高溫和火花，不會引起瓦斯及煤塵爆炸，可以在易燃煤層或高瓦斯及突出煤礦中安全使用。其主要化工材料液相CO2和加熱器是低溫氣體和非爆炸器材，購置和儲存不需要專項審批手續，可以安全運輸和保管，施工操作簡單，無需專門放炮員。壓裂無破壞性震蕩和沖擊波，對巷道支護不會產生破壞性影響。

2.2 氣相壓裂治理瓦斯技術原理

煤層進行過氣相壓裂以后：1) 二氧化碳氣體瞬間以高速射流狀態噴出作用于煤層，煤層內部受力區域失穩破壞，形成大量宏觀裂隙，這個過程為氣相壓裂的動壓作用過程，持續時間很短。2) 瞬間射流沖擊作用結束后鉆孔內充滿高壓的二氧化碳氣體還未來得及逸散出煤層，致使煤層孔隙產生異常超壓，作用在煤體骨架上，驅動煤層裂隙繼續延展，形成大量微觀裂縫，這個過程為氣相壓裂的靜壓作用過程，持續時間相對較長。

氣相壓裂在煤層中形成網狀裂隙系統，煤層滲透性大幅度提高，瓦斯由吸附狀態變為游離狀態并向煤壁外涌出，最終平衡于大氣壓，從而形成了新的瓦斯壓力場：瓦斯壓力梯度降低，瓦斯壓力降低并均化，動力現象減少，掘進期間瓦斯穩定均勻涌出；另一方面氣相壓裂后產生裂隙造成煤層松動，形成新的應力場，壓裂鉆孔近孔區域應力集中得到緩解或降低，起到均化地應力的效果，其主要表現為掘進過程中煤炮聲減少，卸壓孔施工過程中壓鉆現象減少。通過實施氣相壓裂，極大地提高了掘進速度。

3 壓裂區域試驗方案

2015年新元煤礦鑒定為突出礦井，曾發生過突出事故，31004工作面相鄰區域巷道掘進月進尺30～40 m，2013年31004工作面由于瓦斯壓力大，掘進困難而停止，現對試驗區域31004掘進工作面制定了單孔和雙孔氣相壓裂技術方案，即：

1) 60 m單孔壓裂方案：“1+10”方案，1個壓裂鉆孔+10個抽采鉆孔，壓裂預抽。

2) 60 m雙孔壓裂方案：“2+9”方案，2個壓裂鉆孔+9個抽采鉆孔，壓裂預抽。

3) 80 m雙孔壓裂方案：“2+9”方案，2個壓裂鉆孔+9個抽采鉆孔，壓裂預抽。

壓裂管型號為C74 L型，壓裂管長度1.7 m，單根壓裂管充裝液態CO2量為2 kg，控壓剪切片壓力為126 MPa，依次實施3種不同方案。方案設計圖見圖2,3.

圖2 單孔壓裂設計圖

圖3 雙孔壓裂設計圖

4 掘進工作面瓦斯涌出規律

4.1 氣相壓裂過程中瓦斯涌出規律

31004掘進工作面輔助進風巷共進行了6個循環氣相壓裂，3種壓裂方案各執行2次，壓裂完畢后封孔預抽，預抽時間10天左右。當抽采純量小于0.3 m3/min時，停止抽采，取樣測試防突參數K1值，K1值小于0.4方可恢復掘進。6個循環累計巷道掘進進尺342 m.氣相壓裂掘進情況見表1.

壓裂期間，根據回風流中瓦斯探頭監測瓦斯濃度，每次壓裂完后，根據壓裂當天瓦斯濃度監測，回風流中瓦斯濃度會瞬間增高，出現一個峰值，然后下降，每次持續時間0.5～1 h，壓裂過程中回風流瓦斯濃度變化趨勢見圖4.

表1 31004掘進工作面氣相壓裂掘進情況統計表

圖4 壓裂期間回風流瓦斯濃度變化趨勢圖

原因分析：氣相壓裂后產生裂縫及擾動，煤層得到卸壓，同時煤層裂縫之間連通，煤層滲透性大幅度提高，煤層中游離的瓦斯通過裂縫迅速向壓裂鉆孔方向滲流擴散到巷道中并最終平衡于大氣壓；同時吸附瓦斯迅速解吸并與游離瓦斯壓力場乃至鉆孔大氣壓場平衡，最終形成了新生瓦斯壓力場。因此在壓裂期間瓦斯濃度會瞬間升高，出現一個短暫的峰值，然后下降，恢復平衡。

4.2 掘進期間工作面瓦斯涌出規律

工作面恢復掘進后，平均每天進尺約6 m，完成一循環60 m氣相壓裂措施，掘進大約需要8天；完成一循環80 m氣相壓裂，掘進大約需要12天。根據割煤期間煤頭監測瓦斯濃度，掘進期間每天平均瓦斯濃度統計見圖5. 由圖5可知，實施60 m單孔壓裂方案后，掘進期間煤頭瓦斯濃度在0.2%～0.3%，割煤期間瓦斯濃度相對穩定，沒有異常升高現象；60 m雙孔壓裂后掘進期間煤頭瓦斯濃度為0.3%～0.4%，沒有異常波動現象；80 m雙孔壓裂后，掘進期間瓦斯濃度為0.3%～0.58%，濃度相對出現波動，掘進過程中煤頭瓦斯濃度變化趨勢見圖5.

原因分析：氣相壓裂后，掘進面前方煤體產生裂縫卸壓，滲透性大幅度提高，地應力場和瓦斯壓力場得以均化，割煤時瓦斯均勻涌出，不再出現瓦斯突然升高現象，進而實現連續快速掘進，這對其他巷道掘進或回采過程中瓦斯涌出異常問題的治理具有指導意義。

從圖5可以看出，雙孔壓裂后，掘進期間煤頭平均瓦斯濃度高于單孔壓裂后煤頭的瓦斯平均濃度，主要原因是實施雙孔壓裂后，壓裂的范圍更大，壓裂后產生的裂隙連通性更好，更有利于瓦斯的釋放。同時，也發現80 m雙孔壓裂后掘進期間瓦斯濃度有相對較大波動趨勢，其主要是因為隨著掘進進尺增加，鉆孔深度加深，鉆孔內使用壓裂管的數量應隨之增加，60 m鉆孔壓裂時壓裂管數量為15根，而80 m鉆孔壓裂時壓裂管數量為20根；另外，隨著巷道向前推進，第六循環壓裂位置處于該工作面埋深最深位置，

圖5 掘進過程中煤頭瓦斯濃度變化趨勢圖

處于褶區軸部，瓦斯含量高。因此要保證壓裂效果，80 m雙孔壓裂時鉆孔內壓裂管數量應在25根以上為宜。

5 結 論

通過對新元煤礦31004掘進工作面氣相壓裂期間和壓裂后掘進過程中瓦斯濃度變化分析，總結得出以下規律：

1) 氣相壓裂技術具有均衡煤層瓦斯壓力場和地應力場的雙重效應，氣相壓裂技術實施過程中，巷道回風流中瓦斯濃度出現升高，形成一個短暫的峰值，然后下降，恢復平衡。

2) 實施氣相壓裂后，在掘進期間，煤頭瓦斯濃度平穩，沒有出現異常波動；但是雙孔壓裂后掘進過程中煤頭瓦斯濃度高于單孔壓裂后的瓦斯濃度，其主要原因是雙孔壓裂的作用范圍更廣，裂縫連通效果更好，更有利于瓦斯釋放。

3) 從統計數據看，80 m雙孔壓裂后，瓦斯濃度變化范圍相對較大，一方面是由于地質條件因素影響，此位置位于該工作面埋深最深位置，而且是褶區的軸部；另一方面，80 m雙孔氣相壓裂要達到預期的效果，應增加壓裂管數量，應增加至25根左右為宜。

[1] 陳大力.綜掘工作面瓦斯預測技術研究[J].煤礦安全，2001，32(8)：4-7.

[2] 李化敏，蘇承東，宋常勝.采空區頂板垮落與瓦斯涌出關系的模擬實驗研究[J].煤炭工程，2007(11)：72-75.

[3] 陳大力，秦永祥.綜采工作面瓦斯涌出規律及影響因素分析[J].煤礦安全，2003,34(12)：7-10.

[4] 李宗翔.綜放工作面采空區瓦斯涌出規律的數值模擬研究[J].煤炭學報，2002，27(2)：173-178.

[5] 任克斌，鄭 丹.煤巷掘進工作面瓦斯涌出規律的研究[J].淮南職業技術學院學報，2004，1(4)：34-36.

[6] 曹運興，張軍勝，田 林，等.低滲煤層定向多簇氣相壓裂瓦斯治理技術研究與實踐[J]，煤炭學報，2017，42(10)：2631-2640.

ResearchonGasPhaseFracturingGasReleaseLawinTunnelingRoadway

ZHANGXiaofeng,ZHANGJunsheng,WANGXiaodong,FANYanchang

By fracturing with phase transition test on No.31004 heading face in Xinyuan Coal Mine, the paper analyzed the gas emission law after implementation of fracturing with phase transition. After the fracturing, due to the disturbance of fracturing, the gas inside the seam gushes into the roadway along the crack, a concentration peak emerges in the return air flow of the roadway. The gas emission keep balanced during coal tunneling. The monitoring shows that the gas emission with double-borehole is much larger than the single-borehole one. Fracturing with phase transition contribute greatly to the exploration in a safe and efficient way.

Gas fracturing with phase transition; Gas concentration; Double hole fracturing; Safe driving

2017-08-18

張肖峰(1973—)，男，山西平遙人，1994年畢業于太原理工大學，碩士研究生，主要從事煤礦瓦斯災害防治工作

(E-mail)312398387@qq.com

TD712+.52

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1672-0652(2017)11-0035-04