相變壓裂與水力造穴技術在掘進工作面的應用

田 飛，張露偉，劉 軍,3

(1. 山西蘭花科創 玉溪煤礦有限責任公司, 山西 晉城 048214；2. 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；3. 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室，河南 焦作 454003)

我國一次能源結構具有“富煤、貧油、少氣”特征，長期能源消費以煤炭為主，盡管近兩年煤炭消耗量有所消減，但煤炭仍然占我國一次能源消費量的60%左右，2018年全國煤炭產量達36.8億t[1]。由于我國煤層賦存條件惡劣，在開采過程中受到諸如瓦斯、水、火、頂板、粉塵、沖擊地壓和地熱等七大災害尤其是瓦斯災害的威脅。瓦斯抽采是解決我國瓦斯問題的根本措施，但由于突出煤層賦存不穩定、滲透率低等原因，嚴重制約了瓦斯抽采效果。如何有效提高突出煤層滲透率、提高瓦斯抽采效果成為眾多煤礦科研工作者的主要研究內容。通過長期的研究，我國開發了多項低透氣性煤層增透技術，包括開采保護層[2-3]、水力化措施[4-6](水力壓裂、水力割縫、水力沖孔)、松動爆破[7-8](預裂爆破、聚能爆破)、CO2氣相致裂[9-14]等措施，這些措施均起到了促抽效果，但需要根據煤層賦存特征選擇合理的措施和布孔參數。

玉溪煤礦位于山西省南部的沁水煤田，設計生產規模240萬t/a，是煤與瓦斯突出礦井，礦井主采3號煤層，煤層平均厚度5.85 m，具有厚度大、埋藏深，瓦斯含量和瓦斯壓力高的特點。煤層原始瓦斯含量18.32 m3/t，原始瓦斯壓力 1.42 MPa，實測煤層普氏系數為0.45～1.09。已使用預抽煤層瓦斯方法對3號煤層進行抽采，取得了一定程度的效果，但是抽采周期較長以及已經消突部分區域的煤巷中經過檢驗仍存在煤層瓦斯突出的危險，嚴重影響了掘進速度。

1 相變壓裂與水力造穴增透特點

相變壓裂增透技術源于1914 年美國工程師發明的cardox技術，利用高壓管內液態CO2在加熱作用下迅速轉化為氣態(20～40 ms)，其體積瞬間膨脹600倍，壓力劇增至設定壓力，含有高能量的CO2氣沖破剪切片后從噴氣閥噴出，形成高壓射流對煤體作用，從而達到物理爆破增透卸壓的目的。該技術最早應用于采煤工作面，后被應用于管道清堵、采石場爆破等領域。我國20 世紀90 年代引入該技術，最早應用于采煤，后小規模應用到壓裂煤體來提高瓦斯抽采效果。CO2相變壓裂既能實現煤層裂隙系統形成，促進煤層透氣性系數顯著提高，又能避免深孔松動爆破啞炮處理和誘導突出雙重危險，主要應用于煤質較硬的煤層。

水力造穴技術來自于1958年提出的水力沖孔技術，20世紀60年代在我國南桐礦務局試驗成功，利用高壓水射流對鉆孔周圍的煤體進行切割，鉆孔內形成具有一定寬度和長度的穴洞空間，同時利用水流將煤屑帶出孔外，從而達到增加煤層透氣性和提高瓦斯抽采效果的作用，主要應用于煤質較軟的煤層。

2 相變壓裂與水力造穴實施方案

將CO2相變壓裂、水力造穴和鉆場抽采相結合能提高瓦斯抽采效果，有效降低抽采天數，降低掘進工作面瓦斯涌出量，提高掘進速度。

2.1 相變壓裂技術方案

結合玉溪煤礦的煤層賦存條件和1301掘進工作面實際情況，在1301掘進工作面煤巷掘進過程中，瓦斯正常涌出或實測瓦斯含量≤8 m3/t的區域，采取相變壓裂增透卸壓措施。

壓裂鉆孔一般位于中部硬煤層距離頂板1.8 m，平行巷道掘進方向鉆進，鉆頭直徑113 mm，壓裂施工封孔段10～15 m，壓裂管15～30根，控制孔深40～80 m，爆破壓力120～185 MPa，CO2充裝量2.0～2.5 kg。允許掘進范圍：壓裂段范圍內，且保留超前距20 m，嚴禁超深掘進和超范圍掘進。

壓裂施工后，實施21～24 孔(每平方米不少于1 個鉆孔)二次卸壓措施。完成21～24孔卸壓措施后，進行瓦斯解吸指標K1值檢驗，檢驗合格后復工掘進。

施工順序：施工壓裂鉆孔—鉆孔取樣測含量—壓裂施工1號、2號孔—二次卸壓措施—突出效果檢驗。

相變壓裂為連續無空白帶壓裂，必須進行巷道壓裂里程和掘進里程準確核實，嚴禁超掘。

2.2 相變壓裂與水力造穴相結合技術方案

在有瓦斯異常涌出的區域(發生明顯突出預兆的位置周圍半徑100 m內)，可先實施水力造穴措施，造穴孔位置設計在巷道中間和中部構造煤軟分層中，鉆孔方向平行巷道向前，孔深40～60 m。造穴后，實施雙孔氣相壓裂強化卸壓措施。氣相壓裂鉆孔布置在巷道斷面兩側，孔深60 m，鉆孔方向平行巷道向前。

1) 水力造穴。先實施水力造穴措施，在工作面軟分層中施工鉆孔，鉆孔深度為40～60 m，鉆孔施工結束后連接清水高壓泵車，由鉆孔孔底位置開始倒退造穴至孔口15 m位置，全段造穴。每米造穴時間不少于30 min，造穴半徑不小于30 cm，并記錄每米出煤量不少于400～500 kg。水力造穴鉆孔布置及鉆孔參數以礦方設計為準。

預備方案：①在無法實施后退式造穴時，可以改變為前進式造穴，依造穴難易程度而定；②造穴鉆孔的方向可以垂直工作面向正前方，也可以進一步試驗終孔于60 m孔深距巷道中心各為15 m安全保護帶之邊角。

2) 相變壓裂。造穴后，在巷道掘進工作面施工兩個壓裂鉆孔，鉆孔布置在巷道工作面斷面兩側位置，孔深60 m，鉆孔方向平行于巷道掘進方向。

必須保證連續無空白帶壓裂和21～24 孔卸壓措施。施鉆完成后，進行瓦斯解吸指標K1值檢驗，檢驗合格后復工掘進，必須在壓裂范圍內掘進，嚴禁超掘。

施工順序：水力造穴—施工壓裂鉆孔—鉆孔取樣測含量—壓裂施工1號、2號孔—二次卸壓措施—局部突出效果檢驗。

2.3 相變壓裂與鉆場抽采相結合技術方案

1301掘進工作面煤巷掘進過程中，在有瓦斯異常涌出的區域，采取相變壓裂與鉆場抽采相結合措施。在掘進工作面施工兩個壓裂鉆孔，巷道兩幫鉆場內各施工5個輔助抽采鉆孔。

實施相變壓裂施工方案時，需在迎頭斷面左、右側施工兩個瓦斯含量測試孔，孔深60～80 m，分別在30 m、60 m處采樣測試4個瓦斯含量，并及時出具測試結果。

壓裂施工后，壓裂孔及輔助鉆孔要及時并網抽采，抽采時間不得低于6 d，在預計抽采達標時，進行第二次瓦斯含量測試，當瓦斯含量≤6 m3/t且監測突出參數合格后方可復工掘進。

施工順序：施工鉆場及施工1號抽采孔聯網抽采—施工壓裂鉆孔—鉆孔取樣測含量—壓裂施工1號、2號孔—壓裂孔并網抽采—施工輔助鉆孔并網抽采—突出效果檢驗。

相變壓裂為連續無空白帶壓裂，必須進行巷道壓裂里程和掘進里程準確核實。

1301掘進工作面采用相變壓裂及巷道兩幫鉆場內各施工5個輔助抽采鉆孔進行聯網抽采。

3 相變壓裂與水力造穴實施效果

3.1 工作面及回風巷瓦斯濃度參數

1301掘進工作面壓裂前掘進期間(2018年3月22日-2018年6月8日)探頭瓦斯濃度與相變壓裂后掘進期間(2018年6月16日-2018年11月13日)探頭瓦斯濃度變化對比，如圖1、2所示。

圖1 1301掘進工作面措施前后工作面瓦斯濃度

圖2 1301掘進工作面措施前后回風流瓦斯濃度

由圖1、2可知，1301掘進工作面在2018年3月22日至6月8日掘進期間，工作面及回風流瓦斯涌出波動較大，峰值較高，工作面平均達到0.6%左右，嚴重影響掘進速度和生產安全。2018年6月16日開始在1301掘進工作面進行水力造穴和相變壓裂，實施過程中瓦斯濃度逐漸升高。尤其2018年6月20日1301掘進工作面使用二次壓裂施工后，在巷道掘進期間工作面及回風流瓦斯濃度明顯升高，隨后，瓦斯涌出趨于均勻化，工作面瓦斯涌出峰值降至0.3%～0.4%左右，回風流瓦斯涌出峰值降至0.4%左右，與未使用壓裂施工前相比降低了0.2%～0.3%左右，保障了安全快速掘進。

3.2 瓦斯解吸指標K1值分析

截止2018年11月13日，1301掘進工作面累計進行水力造穴、相變壓裂施工4次。

實施增透措施前，1301掘進工作面在2018年3月22日-2018年6月8日掘進過程中，累計掘進205.5 m范圍內(巷道里程327～560 m)，K1值共計超標5次，平均每百米巷道掘進超標2.4次，且在K1值超限區域，施工排放孔后仍連續超標，嚴重影響掘進速度。

實施增透措施后，1301掘進工作面在2018年6月16日-2018年11月13日掘進過程中，K1值超標4次，平均每百米巷道掘進超標0.7次，降低了70.8%。其次，1301掘進工作面自6月份實施相變壓裂后，在迎頭施工鉆場抽采并給予充足的排放及瓦斯均化時間，有效地降低了K1值，使其基本保持在0.20左右，保障了連續安全掘進580 m。

3.3 掘進速度效果分析

1301掘進工作面在使用增透措施前，累計掘進205.5 m，有效掘進76 d，平均日進尺2.7 m，主要原因是2018年3月至4月，K1值超標嚴重，實施排放孔措施后依然超標，嚴重影響掘進速度。

1301掘進工作面在使用增透措施后，累計掘進580 m，有效掘進132 d，平均日進尺4.4 m，掘進速度提高了62.9%，保證了高效生產。

4 結 語

1301掘進工作面在未使用增透措施之前K1值超限嚴重，平均每百米巷道超限次數為2.4次，嚴重影響掘進速度，實施增透措施后，平均每掘進百米巷道超標0.7次，較未壓裂前百米超標次數降低了70.8%，防突效果明顯。壓裂后施工排放孔有利于瓦斯排放和均化，使檢測K1值更加趨于均衡化。

1301掘進工作面在使用增透措施之后，掘進速度由平均日進尺2.7 m提高至4.4 m，掘進速度提高了62.9%，保證了高效生產。