复杂低渗高瓦斯煤层CO2 气相压裂强化增透技术研究

李建雄 LI Jian-xiong

（山西华晋吉宁煤业有限责任公司，临汾 042100）

0 引言

煤与瓦斯突出是煤炭生产的最大威胁，近几年事故频发。据国家矿山安监局2022 年初文件显示，近两年在山西、贵州、河南等省份发生了多起煤与瓦斯突出事故，造成人员伤亡和经济损失[1]。造成我国瓦斯灾害频发的主要原因：第一是我国煤田地质构造条件复杂，构造煤发育，煤层具有低渗透、难抽采等显著特征[2]；第二随着采掘深度增加、地应力增加，瓦斯压力更大、含量持续升高[3，4]。

瓦斯高效抽采是治理瓦斯灾害的根本性技术措施[5]。国内外现阶段的瓦斯治理技术，目前规模化应用的主要有水力压裂[6，7]、水力割缝、水力冲孔[8]和密集钻孔[9]等。制约吉宁煤矿瓦斯治理的关键瓶颈技术难题有两个：第一是煤层结构复杂造成瓦斯抽采技术的复杂性。煤层顶板下4m 处的夹矸将煤层分化为两个储层系统，上、下分层瓦斯垂向运移受阻，使常规钻孔抽采效率限制在钻孔所在的上分层或者下分层，大幅度降低常规钻孔抽采效率；第二，瓦斯含量高，煤层渗透性差，抽采效率低、难度大，必须实施有效的强化造缝、增透卸压技术，大幅度提高煤层透气性。因此，为了破解吉宁煤矿瓦斯治理的技术瓶颈难题，创新性地在2201 首采工作面开展CO2气相压裂强化造缝、增透防突掘进技术研究和工业性试验，对比分析现场试验的瓦斯抽采参数和煤巷掘进速度，形成适配于吉宁矿CO2气相压裂强化增透、高效瓦斯治理的技术模式。

1 工作面瓦斯地质概况

山西华晋吉宁煤矿位于山西省临汾市乡宁县，主要开采2 号煤层，瓦斯含量8～10.52m3/t，煤层实测透气性系数为0.023m2/MPa2·d，煤层坚固性系数0.66～0.74，瓦斯放散初速度16mmHg，煤层的破坏类型为Ⅱ类破坏煤。

2201 工作面位于二盘区右翼，底板标高136～214m，地面标高495～745m，2201 工作面掘进过程中不涉及穿层或穿岩，工作面煤层厚度5.8～6.5m，平均厚度6.21m，煤层整体向北倾斜，倾角0°～15°，一般7°。工作面内2#煤层节理发育，在煤层中下部夹一层泥岩矸石，平均厚度约0.27m，煤层厚度变化不大，区域内无河流冲刷带影响，属稳定煤层。

2 CO2 气相压裂技术

2.1 CO2 气相压裂技术原理

CO2气相压裂装置由充气阀、加热器、储液管、液态CO2、剪切片和释放头等核心部分组成，见图1。

图1 CO2 气相压裂装置

已有研究表明[10，11]，CO2气相压裂技术主要通过冲击射流的动态和高压CO2气体准静态荷载作用煤层，达到造缝增透、卸压防突的目的。其作用原理分为宏观和微观尺度。宏观尺度上，高压流体冲破剪切片，动载冲击改造煤层，煤层中原始裂隙被重新打开，形成以钻孔为中心的放射状大尺度复杂裂缝网络。流体随着压力和温度的变化，汽化为高压CO2气体二次作用形成的裂隙网络，在孔裂隙尖端形成“楔开”效应，产生拉应力，当其破坏强度大于煤体的抗拉强度（0.5～1.5MPa）时，裂隙尖端形成损伤区域而失稳破坏；微观尺度上，煤岩致裂后，小尺度孔裂隙向大尺度转化，高压多相脉冲射流在煤基质形成大量的以冲蚀坑为中心形成的“三翼”状裂隙，产生大量新生的微裂缝，沿主裂缝逐级发育为复杂的分支裂隙。从宏观到微观，CO2压裂技术在煤层中形成复杂缝网，具有卸压和增渗的双重效应，进而实现地应力场和瓦斯压力场的双重降低和均化，形成以裂缝网络为主体的新生应力场和瓦斯压力场，最终实现瓦斯高效抽采的目标。（图2）

图2 气相压裂多簇密集造缝示意图

2.2 掘进工作面CO2 气相压裂技术方案

为提高瓦斯治理和掘进效率，项目组采用新型、深钻孔多级CO2气相压裂技术在2201 掘进工作面实施强化增透措施。依据煤体坚固性系数、瓦斯含量、透气性系数和气相压裂技术增透原理，技术方案设计思路为：以煤层的夹矸为界线，分别在上下分煤层实施气相压裂钻孔，气相压裂装置选用C74 型号，爆破压力185MPa，设备单根长度1.5m，气相压裂段的钻孔覆盖率不得低于70%；为了增加煤层的抽采速度，缩减有效抽采时间，增加数个辅助抽采钻孔，钻孔布置见图3。图中设计压裂钻孔10 个，辅助抽采钻孔12 个，合计22 个钻孔，钻孔孔深为100m，孔径Φ105mm。其中，压裂钻孔分别布设在工作面迎头6 个，左右钻场各2 个。

图3 2201 掘进工作面瓦斯治理方案

现场技术方案实施时，需要遵循先进行压裂钻孔施工，后补打辅助抽采钻孔原则，具体实施步骤：

①钻孔成孔后，及时将CO2气相压裂装置逐一连接，并使用钻机推进钻孔内，推进完毕后压裂孔内剖面，见图4。

图4 压裂孔内剖面图

②采用钻杆将压裂设备和两个注水封孔器连接，并将封孔器推至钻孔深度15m，采用手压泵给封孔器注水，注水压力达到10MPa 时，停止注水，关闭压力截止阀。

③使用钻机固定最末端的钻杆，连接好线路，拉信号线到安全区域，撤人设警戒，启动压裂设备。

④30 分钟后检查工作面情况，确认无异常进入工作面，将压裂设备用钻机拉出钻孔。设备完全拉出后，及时封孔连抽。

⑤按照上述步骤所有压裂工作结束后，完成辅助抽采钻孔施工。

3 煤层钻孔瓦斯抽采效果与分析

3.1 抽采期内CO2 气相压裂钻孔瓦斯纯量

图5 是气相压裂钻孔的瓦斯流量对比参数分布规律。由图可知，与前期工作面钻孔的抽采数据相比，实施气相压裂技术方案后，在抽采13 天期间钻孔瓦斯抽采纯量提高，提高了4.6～9.7 倍。其中最小百米钻孔瓦斯抽采纯量为右2 钻孔的0.10m3/min，最大为左2 孔的0.193m3/min，平均值为0.138m3/min；分别提高了4.6 倍、9.7 倍和6.7 倍。

图5 CO2 气相压裂前后钻孔百米瓦斯纯流量对比

3.2 与条件预抽措施瓦斯抽采效果对比

为进一步分析CO2气相压裂增透效果，对比分析掘进工作面里程740m 条带预抽增透防突技术措施的瓦斯抽采参数，其钻孔布设方案为迎头钻孔控制巷道轮廓线外5m，共布置15 个钻孔，终孔间距4m；在迎头两帮布置迈步钻场，钻场间距10m，钻场内钻孔控制巷道轮廓线外15m 范围，所有钻孔均分上中下三排布置，共33 个钻孔，钻孔深度135m，钻孔孔径105mm。两循环的瓦斯治理效果对比结果见表1。

表1 气相压裂与条带预抽增透措施的瓦斯治理效果对比

由表1 可知，2201 掘进工作面在采取CO2气相压裂技术后，瓦斯抽采效率明显提升，进而提高巷道掘进效率。与条带预抽方案相比：①压裂方案钻孔数量减少11 个，总进尺减少2255m，减少了50%，节约钻孔施工工程量，降低打钻费用。②钻孔的百米瓦斯抽采纯流量均呈现增大的规律，由0.023～0.026m3/min 提高至0.049～0.055m3/min，最大提升倍数为2.13。③抽采时间缩短47 天，减少了78%；掘进速度提高，月进尺由原来36m 提高至80m，提高了2.22 倍。

4 结论

①针对吉宁矿2#煤层高含量、低透气性、多分层、多夹矸发育及采前难抽、采中涌出量大的复杂地质特点，形成适配于该矿区的185MPa 高压力、大容量的CO2气相压裂强化造缝、增透防突关键技术。②掘进工作面实施气相压裂技术后，瓦斯抽采浓度和纯流量均呈现大幅度的提升，提高了4.6～9.7 倍。③与前期条带预抽防突技术措施相比，CO2气相压裂技术实施后，煤层瓦斯抽采纯量提高了4.6～9.7 倍，抽采时间缩短47 天，月掘进速度由原来36m提高至80m，提高了2.22 倍。