CO2氣相壓裂強化消突措施在掘進工作面的應用

吳錦旗，李路廣

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214）

煤炭是我國國民經濟發展的主要能源，長期能源消費以煤炭為主，2018年全國原煤產量達35.5億t，占我國一次能源消費量的59%，其戰略地位在相當長的時間內不會改變。截至2018年年底，我國約有9000余座礦井，其中，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的占40%左右。近年來，隨著煤炭產量的提升及開采深度的增加，煤與瓦斯突出的危險性越來越嚴重，逐步成為制約煤礦安全生產的首要難題。2017年開始，玉溪煤礦將CO2氣相壓裂技術運用在工作面防突措施中，部分巷道取得了較好的效果，均化了掘進工作面瓦斯涌出量，確保了掘進工作面的安全，同時有效提高了煤巷掘進速度。

1 CO2氣相壓裂強化消突措施工作機理

煤與瓦斯突出是在地應力和瓦斯壓力的共同作用下，向采掘空間突然涌出大量的煤與瓦斯的動力現象，為杜絕突出事故的發生，應嚴格執行“兩個四位一體”綜合防突措施。但是，區域綜合防突措施后，掘進工作面掘進前，工作面前方地應力重新分部，時常造成工作面瓦斯涌出異常。CO2氣相壓裂強化消突措施是利用高壓管內液態CO2加熱后在20ms～40ms內迅速轉化為氣態，其體積瞬間膨脹500～600倍為高壓氣體對煤層做功,壓力劇增至設定壓力壓裂煤層，產生復雜而不規則的裂隙系統，釋放前方工作面瓦斯壓力及地應力，使前方煤體壓力進一步均化，從而達到工作面強化消突的目的。

2 試驗礦井及工作面特征

玉溪煤礦3#煤層平均約厚5.8m，黑色，中細粒條帶狀結構，以鏡煤為主，亮煤次之，含少量暗煤，階梯狀及貝殼狀斷口，中間夾矸為碳質泥巖。經鑒定，3#煤屬不易自燃煤層，且煤塵無爆炸危險性，為煤與瓦斯突出礦井。玉溪煤礦在區域防突措施方面作了大量工作，采用多種辦法，如底板巖巷穿層鉆孔、CO2氣相壓裂，水力造穴、水力沖孔和定向千米鉆機順層長鉆孔等，在區域防突措施上均取得了較好的效果，但在區域已經消突的煤巷掘進過程中，仍出現掘進速度慢、瓦斯涌出量高的問題。

本階段CO2氣相壓裂強化消突措施運用在1301首采工作面回風1巷掘進順槽工作面642.5m處。該工作面已利用底板巖巷施工上向穿層鉆孔進行區域消突，并經區域措施效果檢驗其殘余瓦斯含量為6.67m3/t，反演殘余瓦斯為0.28MPa，為無突出危險性。

1301首采工作面回風1巷掘進順槽布置在3#煤層中，延煤層頂板掘進，巷道為矩形斷面，斷面寬5000mm，高3800mm。工作面掘進至巷道里程620m處為S9向斜軸部，東西兩側為山坡，巷道西側為東瓦斯抽放巷，1301回風1巷南側1301采煤工作面，北側35m為1301回風2巷，如圖1所示。

圖1 試驗巷道回風1巷順槽位置圖

工作面煤體層里清晰，煤體大多堅硬為Ⅰ、Ⅱ類鏡煤，距頂板0.5m有厚度約為0.1～0.33m的Ⅳ、Ⅴ構煤，煤的堅固性系數為0.6～1.22，掘進過程中容易出現工作面片幫造成瓦斯超限。

3 氣相壓裂工藝及試驗方案

在1301回風1巷工作面采用雙孔壓裂，鉆孔開孔位置于巷道中部距離頂板1.8m處，鉆孔垂直工作面并平行頂板，孔深60-80m。具體參數見圖2所示。

圖2 回風1巷氣相壓裂鉆孔布置圖

3.1 CO2氣相壓裂施工工藝

施工工藝：施工鉆孔→驗孔及壓裂器材檢查→壓裂器材連接、推進→封孔→壓裂→解封、壓裂器材拆除→工作面措施效果檢驗→恢復工作面掘進→防突參數測試和收集

3.2 氣相壓裂相關技術參數

1）鉆孔孔徑：113mm；

2）鉆孔傾角及方位角：沿巷道掘進方向，垂直工作面并平行巷道頂板，鉆孔傾角為煤層傾角+1度；

3）鉆孔深度：60m～80m；

4）壓裂桿直徑及長度：Φ72mm；單根壓裂桿1500～2000mm；

5）壓裂管數量：20～25 根；

6）封孔深度：10m；

7）壓裂壓力：120MPa～185MPa；

3.3 氣相壓裂特別注意事項

1）壓裂桿內為高壓液態二氧化碳氣體，裝車和卸車時嚴禁劇烈碰撞，防止跌落；氣相壓裂器材運輸到施工地點后，放置在鉆桿架上，用雨布遮蓋，嚴禁浸泡水中或淋水區域。

2）壓裂孔施工必須確保成孔質量，遵循低壓慢速，邊進邊退，緩慢推進原則；成孔之后用壓風將煤粉吹出，保證鉆孔平直、光滑。

3）壓裂孔采用分次施工，分次壓裂，防止二氧化碳壓裂造成壓裂孔的塌孔。

4）采用高壓水囊帶封孔，封孔注水壓力不小于8MPa，壓裂前必須重新檢查壓裂桿封孔情況，確保封孔嚴密，防止封孔效果不好影響壓裂效果。

5）氣相采裂執行遠距離爆破措施，按規定設置警戒，所有人員撤出防突反向風門以外300m，專用回風巷內嚴禁有人。壓裂結束后等待30min進入現場，首先檢查工作面煤體變化情況，執行頂板管理制度，確認安全后卸壓解封，推出壓裂桿。

4 氣相壓裂應用效果

在首采工作面回風1巷順槽掘進工作面累計進行雙孔氣相壓裂施工6次，共完成335米巷道的掘進。

4.1 回風1順槽防突指標分析

工作面措施效果檢驗采用鉆屑瓦斯解析指標法，鉆屑指標S變化不明顯，鉆屑指標K1較為明顯，實測鉆屑指標K1值如圖3。由圖可知壓裂前工作面突出危險性檢測K1值超標2次，且多次超過0.4g/ml*min1/2。

圖3 1301回風1巷壓裂前后K1值趨勢圖

實施氣相壓裂技術后K1值超標0次，且在工作面措施效果檢驗過程中K1數值較為均勻，基本保持在0.24g/ml*min1/2左右，防突效果明顯。

4.2 回風1順槽瓦斯涌出量分析

工作面瓦斯涌出在風量不變的前提下，采用對比工作面及回風流瓦斯探頭曲線變化進行分析。具體如圖4、圖5所示：

圖4 1301回風1巷壓裂前后工作面瓦斯濃度

圖51301 回風1巷壓裂前后回風流瓦斯濃度

通過上圖可知：壓裂后巷道掘進過程中工作面瓦斯探頭變化不明顯，期間工作面因迎面片幫造成瓦斯超限兩次；回風流瓦斯涌出趨于平穩，瓦斯峰值波動較小，在第1、2、3次壓裂后（2018年9月30日-2018年10月4日），掘進過程中工作面瓦斯濃度平均保持在0.2%左右；對比后三次壓裂掘進期間瓦斯發現瓦斯涌出浮動較大，主要原因是工作面逐漸接近S10背斜，迎面軟分層變厚，增加了片幫風險從而增加了工作面落煤量造成瓦斯涌出量增大，尤其工作面探頭更為明顯。

4.3 回風1順槽掘進速度分析

根據表1可知：在使用氣相壓裂前后，回風1巷順槽掘進速度明顯加快，除去構造影響，隊伍影響，工作面平均日進尺由壓裂前的日進3.12m增加至壓裂后的日進5.96m，掘進速度提高了91%。

表1 1301回風1巷壓裂前后掘進情況統計

5 結 論

1）玉溪煤礦采用CO2氣相壓裂強化消突措施后，鉆屑指標S值變化不明顯，K1值變化明顯，壓裂后K1值超標0次。且在工作面措施效果檢驗過程中K1數值較為均勻，基本保持在0.24g/ml*min1/2左右，防突效果明顯。

2）玉溪煤礦采用CO2氣相壓裂強化消突措施后，工作面瓦斯涌出量在一定程度上得到了均化，但不能杜絕工作面瓦斯超限，且會對工作面的落煤量產生影響。

3）玉溪煤礦采用CO2氣相壓裂強化消突措施后，工作面平均日進尺由壓裂前的日進3.12m增加至壓裂后的日進5.96m，掘進速度提高了91%。

綜上所述，二氧化碳氣相壓裂強化消突措施利用高壓管內液態CO2加熱后迅速轉化為氣態，其體積瞬間膨脹對煤層做功,產生裂隙系統，釋放前方工作面瓦斯壓力及地應力，使前方煤體壓力進一步均化，能夠達到工作面強化消突的目的。但其消突效果與工作面煤層破壞類型有較為密切的聯系，在工作面煤體較為堅硬區域實施效果好于煤體破碎或有軟分層區域。此外，將二氧化碳氣相壓裂強化消突措施運用于工作防突措施，對工作面煤體穩定性有一定影響，應進一步考察鉆孔布置方式、壓裂壓力等壓參數對不同煤質的影響，以便更好的服務礦井安全生產。