瓦斯鉆孔綜合增透技術(shù)研究與應(yīng)用

史曉瓊

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

陽煤集團(tuán)新景礦位于陽泉市西南部，距市中心11 km，井田范圍東部與三礦二號井相連，西部以保安河溝水流中心線為界與七元礦相連，北部與一礦井田相連，南部以桃河洪水位線為界與二礦井田隔河相望。井田東西長7.9 km，南北寬7.5 km。地理坐標(biāo)東經(jīng)113°21′10″～113°31′17″，北緯37°51′07″～37°56′31″。主采的3 號煤層為高瓦斯、低透氣性煤層，高突災(zāi)害問題一直困擾著礦井安全高效的發(fā)展。為切實解決這一問題，試驗應(yīng)用了水力造穴增透技術(shù)[1]，一定程度上解決了煤層突出問題，但區(qū)域煤層抽采效果不均衡，局部存在抽采盲區(qū)。為此，決定在原有水力造穴的基礎(chǔ)上，試驗應(yīng)用氣相壓裂增透技術(shù)，用以增加煤層裂隙，均衡煤層瓦斯壓力。

本次試驗的地點為3218 掘進(jìn)工作面，井下位于佛洼采區(qū)北翼中部，東為3216 工作面（正采），南為3217 工作面（正掘），西為3220 工作面（未掘），北為3#煤保安區(qū)3119、3121 工作面（未掘）。

本面南部為一傾向SW 的單斜構(gòu)造，煤層傾角4～10o；中部為寬緩背斜、向斜組合的褶皺構(gòu)造，煤層傾角2～6o；北部為一傾向SW 的單斜構(gòu)造，煤層傾角3～8o。

1 氣相壓裂增透技術(shù)原理

氣相壓裂增透瓦斯治理技術(shù)是利用高能氣體瞬間作用于煤層，使迎頭煤體松動，化解可能存在的“瓦斯包”，使應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部移動，在迎頭前方造成較長的卸壓帶，均化壓力場、平衡應(yīng)力場；同時壓裂瞬間能使煤層產(chǎn)生大量裂隙，煤體內(nèi)被填充或壓實的裂隙被重新打開，從而提高煤層透氣性、滲透率，促使大量吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，并為游離狀態(tài)的瓦斯提供釋放通道，提高瓦斯抽采效率，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，有效降低或者解決煤層中的瓦斯問題[2]。

本次試驗是在壓裂管內(nèi)裝液態(tài)二氧化碳，運至井下，推入施工好的煤層鉆孔，然后引爆，管內(nèi)的液態(tài)CO2在20～40 ms 內(nèi)變成氣態(tài)CO2，體積劇增，高能CO2氣體從壓裂管內(nèi)噴出，煤炭受到巨大沖擊，產(chǎn)生新的裂隙[3]。

2 試驗方案確定

本次試驗采用“5+2”氣相壓裂試驗方案，“5”是指5 個水力造穴鉆孔，“2”是指2 個氣相壓裂鉆孔。主孔深度80 m，保護(hù)巷道及兩側(cè)輪廓線15 m。如圖1所示，造穴間距分別為孔口往里20～60 m段3 m，60～80 m 段2 m。壓裂孔深度50 m，壓裂段12～62 m，封孔深度12 m。設(shè)計中3#、5#孔為氣相壓裂鉆孔，其余孔為造穴鉆孔，總工程量為562 m，造穴個數(shù)為68 個，如表1 所示。

圖1 試驗方案設(shè)計

表1 水力造穴參數(shù)表

3 試驗施工情況

3218 掘進(jìn)工作面“氣相壓裂+水力造穴”增透試驗工作于2020 年3 月12 日開始施工，截至3 月16 日施工完畢7 個鉆孔后，進(jìn)行氣相壓裂作業(yè)。鉆孔施工總工程量為734.1 m，出煤量為62.73 t，平均單個造穴位出煤粉0.92 t。施工過程詳情如表2所示。

表2 試驗施工情況表

本次試驗先施工造穴鉆孔，施工完畢即接入抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采。最后施工氣相壓裂鉆孔，于3 月16 日8 點班進(jìn)行了氣相壓裂作業(yè)。

4 試驗效果對比分析

4.1 “氣相壓裂+水力造穴”增透與水力造穴增透效果對比

4.1.1 試驗鉆孔抽采效果對比

本次試驗自施工完畢鉆孔開始進(jìn)行抽采，至3月25 日共連接抽采7 個鉆孔，累計抽采瓦斯純量為21 847.21 m3，單孔平均抽采量為3 121.03 m3，單孔平均抽采純量為1.38 m3/min。

“氣相壓裂+水力造穴”增透與水力造穴增透數(shù)據(jù)對比如表3 所示。

通過表3 數(shù)據(jù)對比，分析如下：

（1）氣相壓裂試驗方案施工效率為112.4 m/d，比造穴鉆孔施工效率83 m/d 提高35.4%；

（2）相同的抽采時間內(nèi)，氣相壓裂增透抽采純量21 847.21 m3，相比造穴增透13 162.75 m3提高66.0%；

（3）相同的抽采時間內(nèi)，氣相壓裂增透的單孔平均抽采量3 121.03 m3，相比造穴增透1 316.27 m3提高137.1%；

（4）相同的抽采時間內(nèi)，氣相壓裂增透的單日平均抽采量1 986.11 m3，相比造穴增透1 196.61 m3提高66.0%；

（5）氣相壓裂增透的抽采量變化率為54.0%（2 632.32～1 211.90）， 是 造 穴 增 透43.5%（607.68～343.3）的1.24 倍。

表3 “氣相壓裂+水力造穴”增透與水力造穴增透數(shù)據(jù)對比表

4.1.2 對比掘進(jìn)期間工作面瓦斯?jié)舛?/p>

對比掘進(jìn)期間工作面瓦斯?jié)舛热鐖D2 所示。

圖2 “氣相壓裂+水力造穴”增透與水力造穴增透掘進(jìn)期間工作面瓦斯情況

（1）氣相壓裂增透區(qū)域進(jìn)度在12～20 m 區(qū)間時，掘進(jìn)期間工作面瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大值為0.73%，20～60 m 時明顯下降，平均值為0.55%；

（2）造穴增透措施區(qū)域進(jìn)度在12～30 m區(qū)間時，掘進(jìn)期間工作面瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.79%，30～60 m持續(xù)平穩(wěn)在0.75%左右，即將達(dá)到報警臨界值。

4.2 氣相壓裂增透前后鉆孔抽采效果對比

4.2.1 單孔濃度統(tǒng)計及對比

自鉆孔施工完畢接入抽采后，對所有抽放鉆孔的濃度進(jìn)行統(tǒng)計，濃度變化曲線如圖3 所示。

3 月16 日8 點班進(jìn)行了氣相壓裂，以3 月16日為界限，分析壓裂前后單孔抽采濃度，如表4所示。

表4 氣相壓裂前后單孔瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)對比表

分析：

（1）從單孔瓦斯抽采濃度變化圖可得出，在氣相壓裂前后，單孔瓦斯?jié)舛扔忻黠@的提升。

（2）1#、6#、7#鉆孔單孔瓦斯?jié)舛仍趬毫押蟾邼舛葏^(qū)段的持續(xù)時間較長（5～7 d）；2#、4#鉆孔單孔瓦斯?jié)舛仍趬毫押蟾邼舛瘸掷m(xù)時間不長（1～2 d），隨后一直在衰減。

4.2.2 單孔抽采流量統(tǒng)計及對比

3 月16 日8 點班進(jìn)行了氣相壓裂，以3 月16日為界限，分析壓裂前后單孔抽采流量，如表5、表6 所示。

分析：

（1）經(jīng)過氣相壓裂后，預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采流量普遍有所提高（除2#、4#），提高1.27～2.91 倍；

（2）氣相壓裂后孔板的瓦斯抽采量是壓裂前的1.56 倍。

表5 氣相壓裂前單孔抽采流量統(tǒng)計表（單位：m3/min）

表6 氣相壓裂后單孔抽采流量統(tǒng)計表（單位：m3/min）

5 結(jié) 論

（1）氣相壓裂后抽采效果大幅度提高，抽采總量、單孔抽采純量、單日抽采純量都大幅度提升，增強(qiáng)了瓦斯釋放效果，有效地降低了掘進(jìn)過程中煤與瓦斯突出的危險性，縮短了鉆孔施工時長，提升了掘進(jìn)效率。

（2）氣相壓裂后，區(qū)域預(yù)抽鉆孔的單孔抽采瓦斯及單孔抽采流量較氣相壓裂前都有明顯的提高，說明氣相壓裂對區(qū)域煤體有一定的增透作用。

（3）“氣相壓裂+水力造穴”增透技術(shù)極大地降低了掘進(jìn)期間工作面的瓦斯涌出量，有效地消除了瓦斯隱患。

（4）2#、4#鉆孔單孔抽采濃度、抽采流量較壓裂前變化不明顯，甚至出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，可能是氣相壓裂后，壓裂鉆孔的“沖擊波”將壓裂周圍煤體的游離瓦斯推向兩側(cè)，導(dǎo)致距離壓裂孔較近的2#、4#孔出現(xiàn)明顯衰減現(xiàn)象。