气相压裂和水力割缝强化瓦斯抽采技术应用*

申军伟

（山西焦煤吉宁煤业有限责任公司防突管理部，山西 临汾 042100）

随着矿井开采深度和强度的不断增加，煤与瓦斯突出危险逐渐增加，煤层瓦斯压力和含量不断增大，特别是低透气性煤层，煤层瓦斯抽采困难[1]。因此，寻找一种有效的强化措施来增加煤层的透气性以达到高效地进行瓦斯抽采的目的，是一关键性科学问题。邱国帅[2]对平煤十矿己组煤进行高压脉冲水割裂增透抽采技术的试验，发现使用该技术进行瓦斯抽采时，瓦斯浓度基本稳定在80%～90%，抽采效果提高了3～5 倍。要天富[3]在新元煤矿310004 掘进工作面进行气相压裂增透技术研究，发现双孔的气相压裂效果优于单孔。武栋栋等[4]在新元煤矿山西组3 号煤层开展了气相压裂卸压防突快速掘进技术研究，试验表明经过气相压裂后，瓦斯抽采效率提高明显。郭育东[5]在侯村煤矿进行水力冲孔造穴增透技术的研究，采用该技术后，钻孔平均瓦斯抽采浓度是常规抽采孔的1.9 倍，平均瓦斯采纯量是常规抽采孔的6 倍。贾贺敏[6]对玉溪煤矿1301 工作面采用60 m 双孔压裂方案，实施该方案后，瓦斯抽采效果明显，消突效果显著。

虽然不同的卸压增透措施具有各自不同的优势，但是采取单一的卸压增透措施具有一定的局限性，难以适应煤矿复杂地质条件。因此，采用气相压裂和水力割缝联合强化瓦斯抽采技术在吉宁矿2203 联络巷条带进行增透技术试验，解决低透气性煤层瓦斯抽采浓度低、瓦斯抽采率不高的问题，降低煤矿瓦斯灾害的危险性具有重要意义。

1 技术原理

1.1 气相压裂原理

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20～40 ms 内迅速转化为气态，其体积瞬间膨胀500～600 倍成为高压气体对煤层做功[7]。在此过程中，形成的瓦斯射流继续冲击压裂周围煤岩，使射流附近原有裂缝不断扩大，并产生新裂缝，从而扩大裂缝空间，增加煤体渗透率。具体过程如图1 所示，当液体CO2被加热时，快速形成高压气流，高压气流冲击煤体墙壁后，周围煤的层理在切割和高压气流的作用下不断开裂，又形成新的裂缝。

图1 气相压裂原理

1.2 水力割缝原理

水力割缝技术工艺是在不破坏煤层顶底板岩性的条件下，通过超高压水射流的切割作用，增大煤体的暴露面积、充分卸压，改善煤体应力，在钻孔内人为再造裂隙，增加透气性和加速瓦斯释放[8]，使得割缝孔周围的裂缝数量会显著增多，并且会与原有的裂缝相互连通，提高了瓦斯解吸和释放的速度，从而使得瓦斯抽采效率显著增加。如图2所示，水力割缝钻孔与传统钻孔相比，水力割缝钻孔为瓦斯解吸创造了更多的通道，降低了煤层中的瓦斯含量，达到了消突的目的。

图2 水力割裂原理

1.3 气相压裂与水力割缝联合强化瓦斯抽采技术原理

单一技术难以解决低透气性煤层瓦斯抽采的难题，因此，提出气相压裂与水力割缝联合强化瓦斯抽采技术。该技术是在煤层施工卸压钻孔时，结合气相压裂与水力割缝的工艺特点，首先采用CO2气相压裂技术对煤体进行增透处理，产生高压冲击波使煤体发生切向拉伸和径向压缩，最终超出煤体的抗拉强度，从而使瓦斯通道向深部扩展，发生相变致裂。之后再采用水力割缝技术对煤体进行切割，在煤体中形成缝槽，从而有效地增加瓦斯的流动通道。这两种措施交替联合使用可以使得瓦斯流动通道进一步扩大，实现煤层透气性系数的提高，使得瓦斯抽采效率大幅上升。

2 工程试验及效果

本次试验地点为吉宁矿2#煤层2203 联络巷，平均煤层厚度6.29 m，煤层透气性系数0.065 4 m2/（MPa2·d），为低透气性煤层。根据山西焦煤集团公司发山西焦煤通函 〔2021〕430 号文件《关于2021 年度矿井瓦斯等级鉴定（测定）结果的批复》及其附件《山西焦煤集团公司2021 年度矿井瓦斯等级测定结果汇总表》，矿井绝对瓦斯涌出量为105.42 m3/min，矿井相对瓦斯涌出量为15.34 m3/t，吉宁煤矿被鉴定为高瓦斯矿井。2022年华北科技学院安全生产检测检验中心出具的《山西华晋吉宁煤业有限责任公司2#煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》 显示在鉴定区域内煤的最高破坏类型为Ⅱ类，最大瓦斯放散初速度指标△Pmax=14.2，煤的最小坚固性系数fmin=0.51，最大煤层瓦斯压力Pmax=0.69 MPa，判定鉴定范围内无煤与瓦斯突出危险性。

2.1 钻孔布置设计

如图3 所示，在迎头和左右钻场施工14 个深50～77 m 的顺层钻孔，钻孔孔径94 mm，钻孔参数如表1 所示。所有抽采钻孔在采取CO2气相压裂措施一段时间过后，由于抽采效果下降，对原先布置的压裂钻孔再采取一次超高压水力割缝增透措施。其中CO2气相压裂杆直径为68 mm，长度为2 000 mm，压裂范围20～40 m，释放压力120～180 MPa。水力割缝采用GF-100 型超高压水力割缝装置，设备承受压力能够达到100 MPa，割缝半径1 500～2 000 mm，单个钻孔耗液量约为1 500 m3，排量6～8 m3/min。

表1 2203 切眼里程98 m 处钻孔布置参数

图3 2203 切眼里程98 m 处钻孔开孔布置

2.2 抽采效果检验

迎头处的钻孔于2021 年11 月12 日至11 月17 日施工，如图4 所示，气相压裂后抽采时间为21 天，抽采负压为21 kPa，浓度平均为43.2%，抽采量平均为0.61 m3/min。从第16 天开始瓦斯抽采量和浓度就开始下降，为了维持抽采效果，采取水力割缝措施。在水力割缝后再连续监测10 天，抽采负压为14.2 kPa，浓度平均为44.2%，抽采量平均为0.64 m3/min。可以看出，采取水力割缝增透措施后，瓦斯抽采量和浓度开始逐步上升。

图4 2203 正向迎头预抽瓦斯钻孔抽采浓度与抽采量变化情况

左帮钻孔于2021 年11 月18 日至12 月14日施工，在气相压裂后，抽采时间为25 天，抽采负压为18 kPa，浓度平均为41.4%，抽采量平均为0.47 m3/min。在水力割缝期后，抽采监测时间为13 天，抽采负压为17.6 kPa，浓度平均为46.2%，抽采量平均为0.79 m3/min。如图5 所示，气相压裂抽采从第22 天开始瓦斯抽采量和浓度就开始下降。为了维持抽采效果，于是开始采取水力割缝措施，采取水力割缝增透措施后，瓦斯抽采量和浓度开始逐步上升。

图5 2203 左帮预抽瓦斯钻孔抽采浓度与抽采量变化情况

右帮钻孔于2021 年11 月11 日至12 月9 日施工，在气相压裂后，抽采时间为45 天，抽采负压平均为21 kPa，浓度为40.6%，抽采量平均为0.92 m3/min。在水力割缝后，抽采监测时间为11 天，抽采负压为16.9 kPa，浓度平均为36.7%，抽采量平均为0.85 m3/min。如图6 所示，气相压裂后从28 天开始瓦斯抽采量和浓度就开始出现了下降。为了维持抽采效果，于是开始采取水力割缝措施，采取水力割缝增透措施后，瓦斯抽采量和浓度开始逐步上升。

图6 2203 右帮预抽瓦斯钻孔抽采浓度与抽采量变化情况

综上所述，采取单一的CO2气相压裂增透措施，在前期效果十分显著，但随着时间的推移，瓦斯抽采效果会逐渐下降。而煤层瓦斯抽采是一项长期的工作，因此在气相压裂技术效果变差的情况下，对已经采用气相压裂的钻孔采取水力割缝的技术措施，能够再次有效地提高瓦斯抽采量和管道内的瓦斯浓度，减少瓦斯灾害事故的发生。

3 结论

1）CO2气相压裂与水力割缝联合强化抽采瓦斯技术可以使原生煤层二次强化卸压，扩大了原生煤层的暴露面积和瓦斯流量通道，提高了瓦斯的抽采量。采取水力割缝措施后，正向迎头钻孔的抽采量由0.48 m3/min 提高到峰值0.84 m3/min，左帮钻孔由0.38 m3/min 提高到峰值0.95 m3/min，右帮钻孔由0.46 m3/min 提高到峰值1.10 m3/min。

2）在同等条件下，使用CO2气相压裂与水力割缝联合强化抽采瓦斯技术可以减少施工钻孔个数，显著减少瓦斯抽采达标时间。

3）CO2气相压裂与水力割缝联合强化抽采瓦斯技术，可以延长瓦斯抽采时间，相比单一的增透技术，可以有效的提高瓦斯抽采量和管路内的瓦斯浓度。