新元礦31004 掘進(jìn)工作面氣相壓裂增透技術(shù)研究與應(yīng)用

要天富

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 和順 032700）

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)新元煤礦位于沁水煤田北部，礦井主要 3 、9 、15 號(hào)煤層，31004 工作面位于井田南區(qū)，工作面開采3 號(hào)煤層，煤層厚度2.52～2.82 m，平均厚度2.72 m，平均傾角為3°，煤層頂板巖層為泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，工作面采掘設(shè)計(jì)如圖1 所示。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，31004工作面埋深最深處瓦斯含量約為16.13 m3/t，瓦斯含量較高，瓦斯壓力較大。310004 輔助進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷沿3 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)期間測(cè)試得出煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.4，最大瓦斯含量為12.70 m3/t，基于《煤與瓦斯突出規(guī)定》可知，掘進(jìn)工作面具有瓦斯突出危險(xiǎn)性，為保障巷道掘進(jìn)期間無(wú)瓦斯突出現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)瓦斯的高效抽采，擬采用氣相壓裂增透技術(shù)，現(xiàn)具體對(duì)增透原理及增透方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

圖1 31004 工作面采掘設(shè)計(jì)圖

2 氣相壓裂增透機(jī)理

氣相壓裂增透技術(shù)主要是通過(guò)在煤層中造縫卸壓進(jìn)行瓦斯抽采以消除突出危險(xiǎn)性，由于煤層中存在著多種原始裂縫，原始裂縫的存在對(duì)氣相壓裂造縫機(jī)理及發(fā)育規(guī)律起著控制性作用，煤體中的原始裂隙可劃分為面割理、端割理、層理和構(gòu)造裂隙，具體煤層內(nèi)原始裂隙如圖1a）所示。氣相壓裂在煤層中的造縫機(jī)理可劃分為2 個(gè)階段2 種類型，分別為前端高壓氣相射流階段的應(yīng)力波損傷造縫和后期的準(zhǔn)靜態(tài)高壓氣相膨脹重啟先存裂縫的張裂造縫[1-2]。

氣相壓裂造縫在第1 階段主要通過(guò)高壓氣相射流對(duì)鉆孔壁煤巖層進(jìn)行沖擊，損傷破壞孔壁近煤巖層，在孔壁周圍形成破壞區(qū)，通過(guò)隨后的高壓氣流射入損傷區(qū)域，實(shí)現(xiàn)裂縫的張開和延伸，在鉆孔周圍形成多方向的放射狀裂縫系統(tǒng)，該類裂縫一般呈放射狀分布，僅在煤層中發(fā)育，具體發(fā)育形式如圖1（b）所示，放射狀裂縫從鉆孔孔壁向外逐漸減小，該種裂縫是在氣相壓裂后形成的新生裂隙系統(tǒng)，不受到煤體內(nèi)先存裂縫的控制。

圖1 煤體原生裂隙及氣相壓裂造縫示意圖

氣相壓裂造縫在第2 階段，高壓射流沖擊鉆孔孔壁后，射流壓力會(huì)不斷降低，在鉆孔內(nèi)部形成準(zhǔn)靜態(tài)高壓氣相狀態(tài)，煤層中的層理和割理在高壓氣體和射流沖擊作用下形成的裂紋，通過(guò)高壓氣體的持續(xù)驅(qū)動(dòng)作用持續(xù)張裂和延伸，直至氣相壓力降低至煤體破壞強(qiáng)度以下，該種裂縫屬于先存裂縫的重新開啟，稱之為重啟裂縫，裂縫在長(zhǎng)度上和與割理和層理相耦合，屬于可通過(guò)肉眼識(shí)別的微觀尺度裂縫[3-5]。

氣相壓裂技術(shù)是通過(guò)高壓氣體對(duì)煤體局部進(jìn)行高效造縫，通過(guò)造縫在煤層中形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在煤體內(nèi)形成的裂縫圈內(nèi)，其實(shí)現(xiàn)的為增透和卸壓的雙重效應(yīng)。裂縫圈內(nèi)的裂縫相互連通，能夠降低煤體應(yīng)力，在一定程度上消除瓦斯突出的危險(xiǎn)性。氣相壓裂的本質(zhì)是進(jìn)行造縫和卸壓，形成的裂縫圈即為消突圈，氣相壓裂后形成的卸壓消突圈如圖2所示，完整的卸壓消突圈主要由3 個(gè)不同的裂縫圈層組成，第一種為放射狀裂縫圈層，該圈層為壓裂核心圈層，圈層內(nèi)存在著長(zhǎng)且寬的放射狀裂縫，形成高導(dǎo)流-高滲透的圈層，在該圈層內(nèi)地應(yīng)力幾乎完全消失；第二類圈層為宏觀裂縫圈層，圈層內(nèi)充滿肉眼可分辨的氣相壓裂形成的復(fù)雜裂縫，煤體在裂縫的切割下形成各種顆粒狀結(jié)構(gòu)，屬于地應(yīng)力消散區(qū)域和高滲透圈層；第三類圈層為震動(dòng)圈層，該圈層內(nèi)無(wú)顯現(xiàn)的裂縫，但該層內(nèi)的煤體在氣相壓裂機(jī)械波的震動(dòng)作用下，可能形成顯微裂縫能夠在一定程度上對(duì)煤體增透。

圖2 氣相壓裂消突圈示意圖

3 氣相壓裂方案及效果

3.1 氣相壓裂方案

31004 輔助進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面具體突出危險(xiǎn)性，根據(jù)工作面地質(zhì)條件，結(jié)合氣相壓裂增透機(jī)理，設(shè)計(jì)掘進(jìn)工作面分別采用60 m 單孔和雙孔壓裂方案，具體單孔和雙孔壓裂參數(shù)如下：

1）60 m 單孔壓裂方案：布置1 個(gè)壓裂鉆孔，10 個(gè)抽采鉆孔，鉆孔孔徑113 mm，壓裂鉆孔控制范圍為掘進(jìn)工作面前方60 m，通過(guò)壓裂進(jìn)行預(yù)抽，具體壓裂鉆孔和抽采鉆孔的參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔布置形式如圖3 所示。

表1 60m 單孔壓裂鉆孔及抽采鉆孔參數(shù)表

圖3 60 m 單孔壓裂鉆孔及抽采鉆孔布置示意圖

2）60 m 雙孔壓裂方案：布置2 個(gè)壓裂鉆孔，9 個(gè)抽采鉆孔，鉆孔孔徑113 mm，壓裂鉆孔控制范圍為掘進(jìn)工作面前方60 m，通過(guò)壓裂進(jìn)行預(yù)抽，具體壓裂鉆孔和抽采鉆孔的參數(shù)見(jiàn)表2，鉆孔布置形式如圖4 所示。

圖4 60m 雙孔壓裂鉆孔及抽采鉆孔布置示意圖

表2 60 m 雙孔壓裂鉆孔及抽采鉆孔參數(shù)表

氣相壓裂增透抽采技術(shù)工藝流程主要包括：鉆孔定位→鉆孔施工→壓裂施工→鉆孔封孔、聯(lián)網(wǎng)接抽→數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)→恢復(fù)掘進(jìn)。鉆孔定位時(shí)根據(jù)煤層傾角、軟硬程度具體確定鉆孔位置，鉆孔的高度在距離頂板不小于1 m 的位置；鉆孔施工時(shí)遵循“低壓慢進(jìn)、邊吹邊退、掏空前進(jìn)”的鉆進(jìn)原則。鉆孔壓裂過(guò)程如下：①將壓裂設(shè)備運(yùn)輸至壓裂地點(diǎn)；②測(cè)試壓裂管的導(dǎo)電性，確保導(dǎo)電性能完好；③向鉆孔中推進(jìn)壓裂管，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的緩慢前進(jìn)；④壓裂管推進(jìn)完成后，連接第1 支封孔器，并在第2 支封孔器和第1 支封孔器間連接5 根7.5 m 的推桿；⑤連接手壓泵進(jìn)行注水封孔器的封孔作業(yè)，當(dāng)泵壓達(dá)到10～12 MPa 后關(guān)閉注水管路閥門；⑥確保作業(yè)環(huán)境安全后即可進(jìn)行放線引爆作業(yè)。

3.2 效果分析

在31004 輔助進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，分別在巷道采用60 m 單孔和雙孔氣相壓裂方案后進(jìn)行壓裂抽采數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出掘進(jìn)工作面壓裂后抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 氣相壓裂后抽采數(shù)據(jù)表

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能夠得出31004 輔助進(jìn)風(fēng)巷和31004 回風(fēng)巷分別采用60 m 單孔和雙孔氣相壓裂方案后百米鉆孔瓦斯抽采量柱狀圖如圖5 所示。

圖5 31004 輔助進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)巷氣相壓裂后抽采效果柱狀圖

分析圖5 可知，在煤層內(nèi)瓦斯含量大于10 m3/t時(shí)，此時(shí)采用雙孔氣相壓裂方案后百米鉆孔的瓦斯抽采量明顯高于單孔氣相壓裂的抽采效果，雙孔壓裂后百米鉆孔的瓦斯抽采量為單孔百米鉆孔瓦斯抽采量的2～3.71 倍；當(dāng)煤層內(nèi)瓦斯含量為8 m3/t 時(shí)，此時(shí)可采用單孔氣相壓裂方案同樣可實(shí)現(xiàn)較好的抽采效果；另外從氣相壓裂后的抽采效果分析可知，60 m 壓裂氣相壓裂時(shí)，方案中設(shè)置15 根壓裂管較為適宜。

為有效評(píng)價(jià)氣相壓裂抽采方案的消突效果，采用鉆屑解吸指標(biāo)K1 進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，確定煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性的參考臨界值分別為：干煤樣0.5，濕煤樣0.4。

在31004 輔助進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)巷采用氣相壓裂抽采方案后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析可知，掘進(jìn)期間未出現(xiàn)K1 值超限現(xiàn)象，保障了巷道的安全掘進(jìn)。

4 結(jié) 論

根據(jù)31004 工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)分析氣相壓裂增透機(jī)理，結(jié)合煤巷掘進(jìn)工作面特征進(jìn)行氣相壓裂方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)氣相壓裂方案實(shí)施后的效果分析可知，氣相壓裂雙孔增透效果高于單孔，當(dāng)煤層內(nèi)瓦斯含量≤8 m3/t 時(shí)，采用單孔壓裂，當(dāng)煤層內(nèi)瓦斯含量≥10 m3/t 時(shí)，宜采用雙孔壓裂，掘進(jìn)工作面采用氣相壓裂后，掘進(jìn)期間無(wú)瓦斯突出現(xiàn)象。