CO2气相压裂强化消突措施在掘进工作面的应用

吴锦旗，李路广

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048214）

煤炭是我国国民经济发展的主要能源，长期能源消费以煤炭为主，2018年全国原煤产量达35.5亿t，占我国一次能源消费量的59%，其战略地位在相当长的时间内不会改变。截至2018年年底，我国约有9000余座矿井，其中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的占40%左右。近年来，随着煤炭产量的提升及开采深度的增加，煤与瓦斯突出的危险性越来越严重，逐步成为制约煤矿安全生产的首要难题。2017年开始，玉溪煤矿将CO2气相压裂技术运用在工作面防突措施中，部分巷道取得了较好的效果，均化了掘进工作面瓦斯涌出量，确保了掘进工作面的安全，同时有效提高了煤巷掘进速度。

1 CO2气相压裂强化消突措施工作机理

煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯压力的共同作用下，向采掘空间突然涌出大量的煤与瓦斯的动力现象，为杜绝突出事故的发生，应严格执行“两个四位一体”综合防突措施。但是，区域综合防突措施后，掘进工作面掘进前，工作面前方地应力重新分部，时常造成工作面瓦斯涌出异常。CO2气相压裂强化消突措施是利用高压管内液态CO2加热后在20ms～40ms内迅速转化为气态，其体积瞬间膨胀500～600倍为高压气体对煤层做功,压力剧增至设定压力压裂煤层，产生复杂而不规则的裂隙系统，释放前方工作面瓦斯压力及地应力，使前方煤体压力进一步均化，从而达到工作面强化消突的目的。

2 试验矿井及工作面特征

玉溪煤矿3#煤层平均约厚5.8m，黑色，中细粒条带状结构，以镜煤为主，亮煤次之，含少量暗煤，阶梯状及贝壳状断口，中间夹矸为碳质泥岩。经鉴定，3#煤属不易自燃煤层，且煤尘无爆炸危险性，为煤与瓦斯突出矿井。玉溪煤矿在区域防突措施方面作了大量工作，采用多种办法，如底板岩巷穿层钻孔、CO2气相压裂，水力造穴、水力冲孔和定向千米钻机顺层长钻孔等，在区域防突措施上均取得了较好的效果，但在区域已经消突的煤巷掘进过程中，仍出现掘进速度慢、瓦斯涌出量高的问题。

本阶段CO2气相压裂强化消突措施运用在1301首采工作面回风1巷掘进顺槽工作面642.5m处。该工作面已利用底板岩巷施工上向穿层钻孔进行区域消突，并经区域措施效果检验其残余瓦斯含量为6.67m3/t，反演残余瓦斯为0.28MPa，为无突出危险性。

1301首采工作面回风1巷掘进顺槽布置在3#煤层中，延煤层顶板掘进，巷道为矩形断面，断面宽5000mm，高3800mm。工作面掘进至巷道里程620m处为S9向斜轴部，东西两侧为山坡，巷道西侧为东瓦斯抽放巷，1301回风1巷南侧1301采煤工作面，北侧35m为1301回风2巷，如图1所示。

图1 试验巷道回风1巷顺槽位置图

工作面煤体层里清晰，煤体大多坚硬为Ⅰ、Ⅱ类镜煤，距顶板0.5m有厚度约为0.1～0.33m的Ⅳ、Ⅴ构煤，煤的坚固性系数为0.6～1.22，掘进过程中容易出现工作面片帮造成瓦斯超限。

3 气相压裂工艺及试验方案

在1301回风1巷工作面采用双孔压裂，钻孔开孔位置于巷道中部距离顶板1.8m处，钻孔垂直工作面并平行顶板，孔深60-80m。具体参数见图2所示。

图2 回风1巷气相压裂钻孔布置图

3.1 CO2气相压裂施工工艺

施工工艺：施工钻孔→验孔及压裂器材检查→压裂器材连接、推进→封孔→压裂→解封、压裂器材拆除→工作面措施效果检验→恢复工作面掘进→防突参数测试和收集

3.2 气相压裂相关技术参数

1）钻孔孔径：113mm；

2）钻孔倾角及方位角：沿巷道掘进方向，垂直工作面并平行巷道顶板，钻孔倾角为煤层倾角+1度；

3）钻孔深度：60m～80m；

4）压裂杆直径及长度：Φ72mm；单根压裂杆1500～2000mm；

5）压裂管数量：20～25 根；

6）封孔深度：10m；

7）压裂压力：120MPa～185MPa；

3.3 气相压裂特别注意事项

1）压裂杆内为高压液态二氧化碳气体，装车和卸车时严禁剧烈碰撞，防止跌落；气相压裂器材运输到施工地点后，放置在钻杆架上，用雨布遮盖，严禁浸泡水中或淋水区域。

2）压裂孔施工必须确保成孔质量，遵循低压慢速，边进边退，缓慢推进原则；成孔之后用压风将煤粉吹出，保证钻孔平直、光滑。

3）压裂孔采用分次施工，分次压裂，防止二氧化碳压裂造成压裂孔的塌孔。

4）采用高压水囊带封孔，封孔注水压力不小于8MPa，压裂前必须重新检查压裂杆封孔情况，确保封孔严密，防止封孔效果不好影响压裂效果。

5）气相采裂执行远距离爆破措施，按规定设置警戒，所有人员撤出防突反向风门以外300m，专用回风巷内严禁有人。压裂结束后等待30min进入现场，首先检查工作面煤体变化情况，执行顶板管理制度，确认安全后卸压解封，推出压裂杆。

4 气相压裂应用效果

在首采工作面回风1巷顺槽掘进工作面累计进行双孔气相压裂施工6次，共完成335米巷道的掘进。

4.1 回风1顺槽防突指标分析

工作面措施效果检验采用钻屑瓦斯解析指标法，钻屑指标S变化不明显，钻屑指标K1较为明显，实测钻屑指标K1值如图3。由图可知压裂前工作面突出危险性检测K1值超标2次，且多次超过0.4g/ml*min1/2。

图3 1301回风1巷压裂前后K1值趋势图

实施气相压裂技术后K1值超标0次，且在工作面措施效果检验过程中K1数值较为均匀，基本保持在0.24g/ml*min1/2左右，防突效果明显。

4.2 回风1顺槽瓦斯涌出量分析

工作面瓦斯涌出在风量不变的前提下，采用对比工作面及回风流瓦斯探头曲线变化进行分析。具体如图4、图5所示：

图4 1301回风1巷压裂前后工作面瓦斯浓度

图51301 回风1巷压裂前后回风流瓦斯浓度

通过上图可知：压裂后巷道掘进过程中工作面瓦斯探头变化不明显，期间工作面因迎面片帮造成瓦斯超限两次；回风流瓦斯涌出趋于平稳，瓦斯峰值波动较小，在第1、2、3次压裂后（2018年9月30日-2018年10月4日），掘进过程中工作面瓦斯浓度平均保持在0.2%左右；对比后三次压裂掘进期间瓦斯发现瓦斯涌出浮动较大，主要原因是工作面逐渐接近S10背斜，迎面软分层变厚，增加了片帮风险从而增加了工作面落煤量造成瓦斯涌出量增大，尤其工作面探头更为明显。

4.3 回风1顺槽掘进速度分析

根据表1可知：在使用气相压裂前后，回风1巷顺槽掘进速度明显加快，除去构造影响，队伍影响，工作面平均日进尺由压裂前的日进3.12m增加至压裂后的日进5.96m，掘进速度提高了91%。

表1 1301回风1巷压裂前后掘进情况统计

5 结 论

1）玉溪煤矿采用CO2气相压裂强化消突措施后，钻屑指标S值变化不明显，K1值变化明显，压裂后K1值超标0次。且在工作面措施效果检验过程中K1数值较为均匀，基本保持在0.24g/ml*min1/2左右，防突效果明显。

2）玉溪煤矿采用CO2气相压裂强化消突措施后，工作面瓦斯涌出量在一定程度上得到了均化，但不能杜绝工作面瓦斯超限，且会对工作面的落煤量产生影响。

3）玉溪煤矿采用CO2气相压裂强化消突措施后，工作面平均日进尺由压裂前的日进3.12m增加至压裂后的日进5.96m，掘进速度提高了91%。

综上所述，二氧化碳气相压裂强化消突措施利用高压管内液态CO2加热后迅速转化为气态，其体积瞬间膨胀对煤层做功,产生裂隙系统，释放前方工作面瓦斯压力及地应力，使前方煤体压力进一步均化，能够达到工作面强化消突的目的。但其消突效果与工作面煤层破坏类型有较为密切的联系，在工作面煤体较为坚硬区域实施效果好于煤体破碎或有软分层区域。此外，将二氧化碳气相压裂强化消突措施运用于工作防突措施，对工作面煤体稳定性有一定影响，应进一步考察钻孔布置方式、压裂压力等压参数对不同煤质的影响，以便更好的服务矿井安全生产。