掘進(jìn)工作面氣相壓裂增透抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

賈賀敏

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048200）

1工程概況

玉溪煤礦1301 工作面為礦井的首采工作面，井下位于一盤區(qū)。工作面開采3#煤層，煤層平均厚度為5.85 m，平均傾角為5°。煤層內(nèi)夾1～2 層泥巖夾矸，下部一層夾矸較穩(wěn)定，夾矸層平均厚度為0.32 m。煤層頂板為泥巖和中粒砂巖，底板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖。1301 工作面走向長(zhǎng)度為1250 m，傾斜長(zhǎng)度為200 m。工作面采用兩進(jìn)三回的U 型通風(fēng)，具體工作面布置方式如圖1。3#煤層的平均瓦斯壓力為2.5 MPa，具有突出危險(xiǎn)性，且1301 工作面回風(fēng)順槽1 掘進(jìn)期間，區(qū)域防突措施為上行穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯，在巷道掘進(jìn)期間常出現(xiàn)瓦斯異常涌出致使鉆屑解吸指標(biāo)（K1值）頻繁超限。為保障巷道的安全快速掘進(jìn)，提出巷道掘進(jìn)期間采用氣相壓裂增透技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽采，以降低鉆屑解吸指標(biāo)（K1值），消除瓦斯異常涌出。

圖1 1301 工作面布置方式示意圖

2 CO2 氣相壓裂增透技術(shù)

掘進(jìn)工作面瓦斯抽采采用CO2氣相壓裂技術(shù)，主要是利用液態(tài)CO2向氣態(tài)CO2轉(zhuǎn)換過程，該過程CO2會(huì)迅速膨脹，其能夠產(chǎn)生的最大破碎力為安全炸藥的1/6，但該種氣相壓裂的持續(xù)時(shí)間會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)，能夠持續(xù)對(duì)周圍煤巖體進(jìn)行膨脹加壓，進(jìn)而使得煤巖體內(nèi)原有裂隙不斷擴(kuò)展發(fā)育，且能夠在煤巖體中制造出新的裂隙。氣相壓裂對(duì)煤巖體的破碎作用主要以氣體射流和準(zhǔn)靜態(tài)作用為主[1-3]。

液態(tài)CO2氣相壓裂技術(shù)主要是利用充裝好的壓裂管路通過導(dǎo)線與發(fā)爆器進(jìn)行連接，發(fā)爆器使得壓裂管內(nèi)的加熱棒反應(yīng)，加熱棒是采用特殊的藥粉制作而成，當(dāng)加熱棒散發(fā)的熱量被液態(tài)CO2吸收后，產(chǎn)生的膨脹壓力會(huì)沖破剪切片，進(jìn)而通過噴氣閥向外界釋放。該過程會(huì)在40 ms 內(nèi)完成，在這短暫的時(shí)間內(nèi)形成的沖擊力會(huì)作用到煤巖體上，進(jìn)而對(duì)煤巖體造成破壞。液態(tài)CO2氣相壓裂裝置由4 部分組成，分別為壓裂管部分、封孔及推送部分、拆卸及充裝部分和引爆及檢驗(yàn)部分[4-5]。其中壓裂裝置中最主要的部分為壓裂管，壓裂管內(nèi)主要包括充氣閥、密封墊、加熱棒、噴氣閥和剪切片。二氧化碳?xì)庀鄩毫压艹錃膺^程如圖2。

圖2 壓裂管充氣過程示意圖

液態(tài)CO2氣相壓裂技術(shù)的施工工藝流程主要為：打設(shè)鉆孔→推送氣相壓裂器材→封孔壓裂→推出氣相壓裂器材。

3 氣相壓裂增透方案及效果

3.1 氣相壓裂方案

根據(jù)1301 工作面回采巷道的布置情況，基于液態(tài)CO2氣相壓裂增透技術(shù)的原理，設(shè)計(jì)巷道掘進(jìn)工作面采用60 m 雙孔的壓裂方案。巷道掘進(jìn)工作面布置2 個(gè)壓裂鉆孔、9 個(gè)抽采鉆孔，兩個(gè)氣相壓裂鉆孔的間距為2.4 m，壓裂鉆孔長(zhǎng)度為60 m。具體掘進(jìn)工作面壓裂鉆孔及抽采鉆孔的布置參數(shù)見表1，氣相壓裂鉆孔及抽采鉆孔的布置形式如圖3。1301 工作面回風(fēng)順槽1 掘進(jìn)期間，保證氣相壓裂鉆孔存在20 m 的壓茬距離，即巷道每掘進(jìn)4 0 m 實(shí)施一次氣相壓裂。

圖3 氣相壓裂鉆孔及抽采鉆孔布置方式示意圖

表1 壓裂鉆孔及抽采鉆孔參數(shù)表

相壓裂鉆孔施工工藝及要求如下：

（1）鉆孔定位。氣相壓裂鉆孔定位在硬煤層中，鉆孔施工過程中為防止出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，鉆孔的施工高度距頂板不小于1 m。

（2）鉆孔施工。鉆孔施工過程中遵循“低壓慢進(jìn)、邊吹邊退、掏空前進(jìn)”的原則，施工鉆孔孔徑為113 mm，壓裂鉆孔的長(zhǎng)度為60 m，鉆孔施工的傾角與設(shè)計(jì)傾角間的誤差在±2°。

（3）壓裂施工。本次氣相壓裂方案，采用C-74L型壓裂器材，采用的壓裂桿直徑為68 mm，每根壓裂桿的長(zhǎng)度為1800 mm。布置兩個(gè)壓裂孔時(shí)，需壓裂桿15～20 根，壓裂段的范圍為23～60 m。

（4）鉆孔封孔。鉆孔封孔材料為封孔水泥，封孔深度為20 m，鉆孔封孔完畢后進(jìn)一步使用聚氨酯在孔口進(jìn)行加固[6]。在鉆孔封孔完畢8 h 后，即可進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)瓦斯抽采作業(yè)，抽采期間需保障抽采管路的暢通性和密閉性。

（5）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。壓裂方案實(shí)施后，在掘進(jìn)工作面抽采期間進(jìn)行抽采數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析，抽采鉆孔的持續(xù)抽采時(shí)間為7～10 d，通過孔板流量計(jì)進(jìn)行瓦斯抽采流量的持續(xù)監(jiān)測(cè)。

（6）恢復(fù)掘進(jìn)。工作面掘進(jìn)前，進(jìn)行鉆屑解吸指標(biāo)（K1值）的測(cè)試分析，當(dāng)測(cè)定值小于0.5 時(shí)，即表明消除突出危險(xiǎn)性，可正常進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

3.2 效果分析

1301 工作面回風(fēng)順槽1 采用氣相壓裂技術(shù)進(jìn)行瓦斯鉆孔增透抽采期間，共計(jì)實(shí)施15 個(gè)循環(huán)的巷道掘進(jìn)鉆孔氣相壓裂。為分析氣相壓裂方案的實(shí)施效果，現(xiàn)選取巷道掘進(jìn)期間前五個(gè)循環(huán)氣相壓裂技術(shù)實(shí)施后抽采鉆孔的相關(guān)抽采數(shù)據(jù)，見表2。

分析表2 可知，1301 工作面回風(fēng)順槽1 采用氣相壓裂技術(shù)后，掘進(jìn)工作面瓦斯日均抽采量均在450 m3以上，百米鉆孔抽采量均在100 m3·d-1·hm-1以上，抽采效果顯著。

表2 氣相壓裂技術(shù)方案實(shí)施后瓦斯抽采數(shù)據(jù)

根據(jù)掘進(jìn)工作面瓦斯抽采的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)20個(gè)循環(huán)內(nèi)各個(gè)鉆孔的平均抽采濃度和抽采量進(jìn)行考察統(tǒng)計(jì)，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出：壓裂增透技術(shù)方案實(shí)施后，單孔平均抽采濃度為52.1%，平均日抽采流量為538 m3/d，抽采效率較高。

為進(jìn)一步對(duì)比分析1301 工作面回風(fēng)順槽1 氣相壓裂方案的實(shí)施效果，對(duì)掘進(jìn)工作面采用氣相壓裂方案前后鉆屑解吸指標(biāo)（K1值）進(jìn)行對(duì)比分析，具體對(duì)比曲線如圖4。

圖4 氣相壓裂方案實(shí)施前后K1 值對(duì)比分析曲線

分析圖1 可知，1301 工作面回風(fēng)順槽1 在3 月10 日—7 月5 日期間，巷道掘進(jìn)196.5 m，此時(shí)未采用氣相壓裂方案，不考慮巷道掘進(jìn)過陷落柱區(qū)域。從圖中可看出，掘進(jìn)196.5 m，出現(xiàn)兩次鉆屑解吸指標(biāo)（K1值）的超限現(xiàn)象，且K1值最大達(dá)到1.30。當(dāng)掘進(jìn)工作面采用氣相壓裂方案后，在7 月5 日—11 月14 期間，巷道掘進(jìn)333.5 m，未出現(xiàn)一次鉆屑解吸指標(biāo)（K1值）超限現(xiàn)象。表明1301 回風(fēng)順槽1 掘進(jìn)工作面采用氣相壓裂增透方案后瓦斯抽采效果顯著，消除了掘進(jìn)期間瓦斯突出危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

根據(jù)液態(tài)CO2氣相壓裂增透技術(shù)原理，結(jié)合1301 工作面地質(zhì)及煤層賦存特征，提出掘進(jìn)工作面采用雙孔60 m 的氣相壓裂增透技術(shù)方案，氣相壓裂鉆孔壓茬20 m，并對(duì)氣相壓裂方案實(shí)施后瓦斯抽采數(shù)據(jù)及壓裂方案實(shí)施前后鉆屑解吸指標(biāo)（K1值）進(jìn)行對(duì)比分析。氣相壓裂方案有效提升了煤層的透氣性，瓦斯抽采效果顯著，消突效果明顯，為巷道的安全快速掘進(jìn)提供了保障。