鷂子巖隧道低透氣性煤層水力壓裂增透施工技術

劉 盛 何 泉 劉石磊

(1.中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121； 2.中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

鷂子巖隧道位于重慶市北碚區境內，為正線雙線鐵路隧道，起訖里程DK150+570～DK155+352，中心里程DK152+961，最大埋深330 m，全長4 782 m，線路高程261.29 m～284.43 m。為滿足工期、施工排水、運營排水、施工通風需求，本隧采取“出口+平導”輔助坑道方案，平導位于左線線路中線右側35 m，為無軌運輸平導，坑底較對應里程正洞軌面低3 m，全長3 154 m，里程為PDK152+200～PDK155+354。隧道洞身穿越煤系地層、采空區及可巖溶，隧道于DK153+290與觀音峽核部正交，并于DK153+400與白廟子斷層大角度相交，夾角約75°。全隧共設置進、出口兩個工區組織施工，進口工區負責進口段正洞，為低瓦斯工區；出口工區負責平導及正洞施工，為瓦斯突出工區。

1 隧道煤與瓦斯簡介

根據設計地勘資料，鷂子巖隧道正洞于DK153+205～DK153+470，平導PDK153+220～DK153+480段穿越龍潭組第3段K8，K9煤層，煤層附近分布觀音峽背斜與白廟子逆斷層，由于背斜與斷層的影響，煤層段施工難度極大。

2019年8月平導施工至PDK153+374里程后，布設13孔 地質鉆孔對煤層瓦斯情況進行預測，鉆孔實施過程中孔口瓦斯濃度100%，硫化氫濃度500+ppm(超量程)，且存在噴孔現象，最大噴孔長度達5 m，持續時間較長。通過地質鉆孔最終確定實際煤層厚度K8煤層為3.5 m，K9上煤層為0.5 m，K9下煤層為0.5 m，具體煤層分布情況如圖1所示。經對K8，K9煤層的煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯透氣性系數進行了測定，具體參數見表1～表3。

表1 煤層瓦斯壓力測定參數表 MPa

表2 煤層瓦斯含量測定參數表 m3/t

根據2019版《鐵路瓦斯隧道技術規范》有關規定，實測的K8，K9煤層的瓦斯壓力P>0.74 MPa、噸煤瓦斯含量W0>8 m3/t，區域預測K8，K9煤層為突出危險區。最終測定的煤層透氣性系數均小于0.1 m2/MPa2d，K8，K9煤層均屬于較難抽放煤層。結合煤礦水力壓裂增透處理的經驗，在距離煤層法向距離20 m位置對K8，K9煤層實施水力壓裂增透處理措施。

2 水力壓裂增透技術措施

根據現有資料，K8，K9煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高，低透氣性，本隧道采用穿層鉆孔煤層水力壓裂增透技術壓裂K8，K9煤層，用高壓水泵向鉆孔內煤層注入高壓水，水力壓裂煤體，以增強煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果，縮短瓦斯抽采時間。

2.1 水力壓裂增透實施地點

平導上臺階施工至距離K9(右上)煤層法向距離20 m，即在PDK153+355處進行；正洞施工至距離K9(右上)煤層法向距離20 m處進行，即在DK153+355處進行。

2.2 水力壓裂增透措施鉆孔布置

1)平導煤層水力壓裂措施鉆孔布置：在平導PDK153+355處共布置7個鉆孔，鉆孔孔徑為φ89；P1號壓裂孔穿過K8煤層左側并封孔，P2號壓裂孔穿過K8煤層并封孔，P3號壓裂孔穿過K8煤層右側并封孔，壓裂K8煤層；P4號壓裂孔穿過K9右上煤層并封孔，壓裂K9右上煤層；P5號壓裂孔穿過K9右下煤層并封孔，壓裂K9右下煤層；P6號壓裂孔穿過K9左上煤層并封孔，壓裂K9左上煤層；P7號壓裂孔穿過K9左下煤層并封孔，壓裂K9左下煤層。平導壓裂鉆孔布置示意圖見圖2。

2)正洞煤層水力壓裂措施鉆孔布置：在正洞抽采硐室內DK153+355處共布置7個鉆孔，鉆孔孔徑為φ89；1號壓裂孔穿過K8煤層左側并封孔，2號壓裂孔穿過K8煤層并封孔，3號壓裂孔穿過K8煤層右側并封孔，壓裂K8煤層；4號壓裂孔穿過K9右上煤層并封孔，壓裂K9右上煤層；5號壓裂孔穿過K9右下煤層并封孔，壓裂K9右下煤層；6號壓裂孔穿過K9左上煤層并封孔，壓裂K9左上煤層；7號壓裂孔穿過K9左下煤層并封孔，壓裂K9左下煤層。正洞壓裂鉆孔布置詳見圖3(正洞水力壓裂孔布置圖)。

2.3 壓裂設備及附件配件

壓裂設備及附件包括壓裂泵、水箱、壓裂管及儀器儀表等，壓裂系統示意圖見圖4，壓裂設備及附件基本配置表見表4。

表4 壓裂設備及附件基本配置表

1)高壓泵選型。

設計采用水泵選用3ZSBG220/42-55型煤礦專用泵，額定流量200 L/min，額定排出壓力42 MPa，配套電動機功率250 kW。配備相匹配的控制箱等。

高壓泵選用具有顯示與記錄壓力、流量、泵溫等參數及智能保護的功能。具有自動和手動操作及遠程控制功能。

2)水箱。

水箱容量不小于3 m3。

3)壓裂管件。

壓裂孔外壓裂管路選用φ32高壓纏絲管配合相應的快速接頭連接而成；孔內壓裂管前10 m選用DN25×13的無縫鋼管，剩余孔段選用DN25×8.5的無縫鋼管，兩種規格無縫鋼管采用變徑管組成；孔內與孔外的壓裂管采用孔口連接座連接成整個壓裂管路。

2.4 壓裂參數及壓裂方式

1)壓裂參數。

根據壓裂煤層物理性質及平導埋深計算等情況綜合考慮，壓裂壓力選擇為35 MPa～40 MPa；注水量選為50 m3/h～60 m3/h(預計)；壓裂方式為高壓注水。根據煤層埋深計算需要壓裂水壓。水力壓裂注水壓力根據試驗地點地應力和瓦斯壓力計算。

計算公式：PB=σZ-P0+S。

其中，PB為煤層破裂壓力；σZ為煤層垂直地應力；P0為煤層的孔隙壓力；S為煤層的抗張強度。

初步確定為煤體注水壓力為30 MPa～35 MPa，壓裂時應大于該壓力。

經計算確定壓裂壓力為35 MPa，壓裂時應大于該壓力；壓入水量為60 m3/h；壓入水量應大于該水量。

2)壓裂方式。

首先進行試壓，試壓壓力必須達到泵的額定壓力，且保持該壓力運行時間不少于10 min。

其次進行壓裂，壓裂過程中實施監測泵組運行狀況，記錄壓力和流量數據，壓裂過程中連續觀測壓裂影響區域的瓦斯變化情況，壓裂結束后保壓時間不能少于1 h。

最后進行返排，返排過程中實時監測瓦斯排放情況，巷道瓦斯濃度超限或排放量達到0.5 m3/min，立即停止返排或將管道接入氣水分離器(見圖5)。

2.5 壓裂孔封孔

鉆孔孔口約1 m孔段采用人工封孔，封孔材料為馬麗散或黃泥+木楔等。其余孔段采用水泥砂漿進行有效封孔，封孔材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥、白水泥和水(比例=3.5∶1∶4)進行封孔，水泥砂漿的抗壓強度不小于50 MPa，壓裂孔，封孔長度應根據壓裂鉆孔的長度進行確定，具體為鉆孔封孔至K9右上煤層頂板鈣質頁巖與灰巖交界面或直接封至煤巖交接面。壓裂鉆孔封孔示意圖見圖6。

3 壓裂增透效果分析

1)透氣性分析。

透氣性系數是水力壓裂增透效果的重要參數，鷂子巖隧道K8，K9煤層實施完成水力壓裂措施后，對瓦斯透氣性系數進行分析測定，測定結果如表5所示。

表5 瓦斯透氣性系數測定參數表 m2/MPa2d

表5與表3進行對比分析，經過水力壓裂后的煤層透氣性系數值提高了20倍～40倍，表明了利用水力壓裂能有效增透煤層。

2)瓦斯抽采分析。

鷂子巖隧道控制范圍內總抽采瓦斯量為88 384.4 m3，采用鉆孔機械抽排瓦斯方法，在實施過程中對瓦斯抽采量及平均濃度進行對比分析，分析情況如表6所示。

表6 鉆孔抽采數據分析

如表6所述，采取水力壓裂增透措施后，每天的瓦斯抽采量提高約3倍，平均瓦斯抽采濃度同時有所提高，且節約工期約5.5個月。

4 結語

鷂子巖隧道結合煤礦水力壓裂增透施工技術的經驗，同時又結合了隧道開挖斷面大的特點。實踐證明采取這種水力壓裂增透技術能夠有效增透煤層，提高煤層瓦斯抽采效率，縮短煤層瓦斯抽采時間。