煤巷快速掘进气相压裂增透技术研究及应用

刘小鹏，徐 刚，王云龙，李忠群

(1.山西潞安矿业集团 慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西 长治 046203；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

目前，我国的煤炭开采正朝着高效、智能的方向发展。但我国95%以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，透气性系数只有1×10-6～1×10-7μm2，瓦斯抽采难度大，瓦斯抽采率低下[1-2]。特别是掘进工作面由于瓦斯涌出量大，措施实施占用时间长，造成了工作面的接替紧张，严重影响了矿井经济效益的提高[3]。针对上述问题，将气相压裂增透技术引入到掘进工作面的瓦斯抽采实践中，研究气相压裂增透机理及增透工艺，分析掘进工作面气相压裂增透效果，加大掘进工作面瓦斯抽采力度，保障开采的有效接续，以期为煤矿的安全高效开采提供有力保障。

1 低渗煤层气相压裂增透原理

气相压裂增透技术(图1)是利用液态二氧化碳相变和高能气体急剧膨胀瞬间作用于煤层、使煤体松动破裂、从而增大煤层渗透性和提高瓦斯抽采效果的一种方法措施[4-5]。该技术具有如下特点：①均一化地应力场和平衡瓦斯压力场，并能使应力集中区向煤体深部移动，在煤体浅部前方形成较长的卸压带；②液态二氧化碳相变和高能气体瞬间膨胀不但能使煤体破裂产生大量裂隙，还能使煤体内被填充或压实的裂隙重新被打开，从而提高煤层渗透性，为游离状态的瓦斯流动提供高效的运移通道，以达到提高瓦斯抽采效果的目的。

图1 气相压裂增透技术示意Fig.1 Schematic diagram of gas phase fracturing anti-reflection technology

二氧化碳相变致裂增透技术原理如下：二氧化碳在温度低于31 ℃或压力大于7.35 MPa时以液态存在，而温度超过31 ℃时开始汽化，且随温度的变化压力也不断变化。利用二氧化碳这一特点，在爆破器主管内充装液态二氧化碳，使用发爆器快速激发加热装置，液态二氧化碳瞬间汽化膨胀并产生高压，体积膨胀600倍以上，当压力达到爆破片极限强度(可设定压力)时，定压剪切片破断，高压气体从放气头释放，作用在煤(岩)体上，从而达到爆破致裂的目的。

2 低渗煤层气相压裂增透技术

2.1 低渗煤层气相压裂增透装备系统

低渗煤层气相压裂增透装备系统包括二氧化碳压裂器、二氧化碳灌装设备及其他附属装置等。二氧化碳压裂器(图2)由主管、充排气电极阀、泄能阀、化学热反应装置、切割圈、密封垫、止飞机构等组成[6]。

图2 二氧化碳压裂器Fig.2 Carbon dioxide fracturing device

二氧化碳灌装设备包括加压泵、空气压缩机、液态二氧化碳储存罐、液态二氧化碳充填平台等[7]；其他附属装置包括封孔器、增压泵、引线、发爆器等；其中消耗材料主要有化学热反应装置、剪切片及液态二氧化碳等。

2.2 低渗煤层气相压裂增透工艺流程

煤层气相压裂增透工艺流程如图3所示。首先，进行压裂器组装，将液态CO2注入压裂器内腔，关闭注液阀；然后，在煤层中施工压裂钻孔，将注入液态CO2的压裂器置于钻孔内，通过封孔器等装置对压裂器进行安装并封孔[8](图4)；最后，通过矿用发爆器引爆压裂器使煤体致裂。

图3 煤层气相压裂增透工艺流程Fig.3 Process flow of gas-phase fracturing for coal seam

图4 煤层气相压裂钻孔封孔示意Fig.4 Schematic diagram of hole sealing in coal seam gas phase fracturing drilling

压裂器引爆的基本原理是矿用发爆器在充排气电极阀上施加脉冲电流0.5～2.0 s，压裂器中的化学热反应材料迅速反应放热，液态CO2温度迅速升高；液态CO2汽化致使其压力随之加大，达到设定压力时，定压泄能片破裂，使得CO2气体高速喷出，从而使其能够在煤层裂隙中膨胀，导致煤层裂隙扩大、透气性增强[9]。

3 掘进工作面气相压裂增透试验

3.1 试验区概况

夏店煤矿为山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司下属的主力生产矿井之一，位于山西省襄垣县境内。矿井核定生产能力1.8 Mt/a，为高瓦斯矿井。主采3号煤层，透气性系数为0.0288～0.0547m2/(MPa2·d)，属于较难抽采煤层。

N101工作面为夏店煤矿北翼采区首采工作面，该工作面北面为实体煤，东面为3117放水巷，西面为实体煤，南面为北翼大巷。工作面切眼长度216 m，可采长度721 m，平均煤厚5.7 m，煤层平均埋深540 m，煤层底板标高+380～+430 m。N101回风巷断面为矩形，巷道宽度5.0 m，高度3.2 m，设计长度657 m，巷道支护为锚网索梁联合支护。根据夏店煤矿测定结果，N101回风巷3号煤层瓦斯含量13 m3/t，瓦斯压力1.2 MPa，钻孔瓦斯流量衰减系数0.081 1～0.252 5 d-1。预测N101回风巷掘进过程中瓦斯涌出量可达2.3 m3/min，瓦斯涌出量高，煤层透气性低，钻孔瓦斯流量衰减快，巷帮的超前预抽措施难以满足巷道快速掘进的需要。

3.2 气相压裂增透效果考察方案及实施

巷帮迈步钻场瓦斯抽采是夏店煤矿煤巷掘进工作面常用的瓦斯治理措施。由于N101回风巷瓦斯含量高、煤层透气性低，瓦斯涌出量大，已有的瓦斯治理措施不能满足巷道正常掘进的需要。为了实现N101回风巷的快速掘进，根据N101回风巷的基本情况，夏店煤矿制定了在N101回风巷掘进工作面实施二氧化碳气相压裂和在巷帮迈步钻场进行瓦斯抽采的综合瓦斯治理方案。

为了获得气相压裂增透的效果，在N101回风巷掘进过程中将采用两种瓦斯治理方案：①巷帮迈步钻场瓦斯抽采；②掘进工作面二氧化碳气相压裂和巷帮迈步钻场瓦斯抽采综合治理瓦斯。

二氧化碳气相压裂综合瓦斯治理方案为在掘进工作面施工1个压裂钻孔，在巷帮钻场施工6个瓦斯抽采钻孔。压裂钻孔具体参数见表1。气相压裂采用的压裂杆为5130型，每个压裂钻孔采用20根压裂杆，气相压裂钻孔封孔深度15 m，封孔压力6～10 MPa。

表1 气相压裂钻孔参数Tab.1 Gas-phase fracturing drilling parameters

在掘进工作面巷帮采用双侧钻场边掘进边抽采瓦斯(图5)，钻场宽4.0 m，深4.0 m，高3.2 m。同侧钻场间距80 m，异侧相邻钻场间距40 m。每个钻场正头布置2排钻孔，共计6个，钻孔孔径113 mm，封孔深度16 m，分别距底板1.8 m和1.3 m，孔间距0.5 m。为保证瓦斯抽采效果，钻孔倾角要根据煤层倾角变化进行适当调整。巷帮钻场钻孔布置参数见表2。

图5 气相压裂孔及瓦斯抽采钻孔布置示意Fig.5 Schematic diagram of gas-phase fracturing hole and gas drainage hole layout

根据钻孔布置方案，在2018年5月—7月夏店煤矿掘进工作面进行了气相压裂增透效果考察试验。试验巷道长度为320 m，划分为2个掘进循环。其中，气相压裂段长度160m为一个掘进循环，实施气相压裂增透2次；常规瓦斯抽采段长度160 m为一个掘进循环，只进行瓦斯巷帮钻场瓦斯抽采。试验过程中，将气相压裂段和常规瓦斯抽采段的巷帮预抽孔分别并网进行钻孔瓦斯流量观测；此外，巷道掘进过程中每隔20 m取样进行瓦斯含量和钻孔瓦斯解吸指标K1测试，以便进行效果分析。

表2 巷帮钻场瓦斯抽采钻孔布置参数Tab.2 Drilling layout parameter for gas drainage in the tunnel drilling field

3.3 气相压裂增透效果分析

气相压裂增透试验完成后，从钻孔瓦斯浓度、钻孔瓦斯混合流量、钻孔瓦斯纯流量、煤层瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标等参数对气相压裂增透效果进行分析。钻孔瓦斯浓度随巷道掘进长度变化规律如图6所示。从图6中可以看出，巷道掘进过程中，常规瓦斯抽采钻孔的瓦斯浓度在40%～60%，而气相压裂后瓦斯抽采钻孔的瓦斯浓度在60%以上，气相压裂后钻孔瓦斯浓度有明显的提升。

图6 钻孔瓦斯浓度随巷道掘进长度变化Fig.6 Gas concentration of the borehole changes with the length of the roadway

钻孔瓦斯混合流量随巷道掘进长度变化如图7所示。钻孔瓦斯纯流量随巷道掘进长度变化如图8所示。从图7和图8中可以看出，在巷道掘进过程中，常规瓦斯抽采和气相压裂的钻孔瓦斯混合流量、瓦斯纯量差异明显，气相压裂后钻孔瓦斯混合流量和钻孔瓦斯纯量均获得了较大的提升。这说明气相压裂措施对抽采钻孔周围的煤体产生了明显影响。

图7 钻孔瓦斯混合流量随巷道掘进长度变化Fig.7 Mixed flow of gas in borehole changes with the length of roadway

图8 钻孔瓦斯纯流量随巷道掘进长度变化Fig.8 Pure gas flow rate of borehole varies with the length of roadway

此外，在巷道掘进过程中，随着抽采钻孔数量的增多，钻孔瓦斯混合流量和瓦斯纯量的变化呈现阶梯状的分布特征；并且在每个小掘进循环中，气相压裂后钻孔瓦斯混合流量和瓦斯纯量的下降趋势要明显一些，但是绝对值仍然比常规瓦斯抽采要高得多。

煤层瓦斯含量随巷道掘进长度变化如图9所示。钻屑瓦斯解吸指标K1值随巷道掘进长度变化如图10所示。

图9 煤层瓦斯含量随巷道掘进长度变化Fig.9 Coal seam gas content changes with length of roadway

图10 钻屑瓦斯解吸指标K1值随巷道掘进长度变化Fig.10 Value of K1 of the drilling cuttings gas desorption index varies with the length of the roadway

从图9和图10可以看出，气相压裂增透措施执行后，经过巷帮钻场钻孔瓦斯抽采，煤层煤层瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标K1值有了明显下降。

气相压裂与常规瓦斯抽采措施瓦斯参数测定结果统计见表3。从表3中可以看出，实施气相压裂措施后，瓦斯抽采钻孔的浓度、混合流量和纯量均有不同程度的提高，瓦斯抽采浓度是未进行气相压裂的1.62倍，混合流量是未进行气相压裂的3.14倍，纯量是未进行气相压裂的5.12倍；而从抽采效果上来看，实施气相压裂措施后，煤层瓦斯含量减少了2.04 m3/t，钻屑瓦斯解吸指标K1值减少了0.12 mL/(g·min0.5)；气相压裂后煤层渗透率增大，煤层瓦斯抽采效果提升明显。

表3 气相压裂与常规瓦斯抽采措施瓦斯参数测定结果统计Tab.3 Statistics of gas parameter measurement results of gas phase fracturing and conventional gas drainage measures

气相压裂增透试验完成后，根据试验结果，夏店煤矿完善了气相压裂增透工艺，制定了巷道掘进气相压裂方案，提出了气相压裂增透施工安全技术措施。2018年5月，在夏店煤矿N101回风巷、N101运输巷和N101切眼3条巷道掘进过程中实施了气相压裂增透措施，共实施气相压裂19次，起爆压裂杆345根。

通过分析瓦斯监控数据，发现气相压裂措施对巷道的瓦斯涌出产生如下影响：①降低了巷道瓦斯涌出浓度。在巷道掘进期间，气相压裂前回风流平均瓦斯浓度与最低瓦斯浓度分别为0.36%、0.32%，压裂后分别为0.28%、0.25%，分别下降了0.08%和0.07%。②促进了巷道瓦斯均衡涌出。气相压裂后，掘进时工作面瓦斯传感器峰值从0.65%降至0.50%，支护检修时瓦斯峰值从0.18%升至0.22%。这说明CO2气相压裂促使煤层透气性增加，在掘进和支护期间煤层瓦斯释放量趋于均衡。③提升了巷帮钻场瓦斯抽采效果。在CO2气相压裂瞬间，回风流瓦斯浓度上升0.10%，一般持续5～8 s；在压裂完毕后，巷帮钻场瓦斯抽采浓度、混合流量明显增加，整体抽采量有明显提升。掘进面煤体基本参数测定也表明，压裂前后煤体的瓦斯含量及钻屑解吸指标K1均有明显下降，其中含量下降2 m3/t，K1值下降0.12 mL/(g·min0.5)左右。④加快了巷道的掘进速度。N101回风巷、N101运输巷和N101切眼3条巷道掘进工效表明，实施CO2压裂后单日进尺从4.0 m提升至5.5 m，极大地缓解了工作面接替紧张局面，保障了工作面的安全高效开采。

4 结论

(1)液态二氧化碳相变和高能气体急剧膨胀瞬间作用于煤层，使煤体松动破裂，是低渗煤层气相压裂增透的机理。

(2)气相压裂增透技术具有降低巷道瓦斯涌出浓度、促进巷道瓦斯均衡涌出、提升巷帮钻场瓦斯抽采效果和加快巷道掘进速度等多重作用。

(3)实施气相压裂措施后，抽采时间内瓦斯抽采纯量是未进行气相压裂的5.12倍，巷道掘进平均单日进尺从4.0 m提升至5.5 m，巷道掘进速度提升显著，缓解了工作面接替紧张局面，保障了工作面的安全高效开采。