基于水力壓裂增透的多煤層瓦斯隧道快速揭煤防突技術研究

任青陽，柯善劍，劉海軍，肖宋強

(1.重慶交通大學 山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074； 2.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000；3.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，重慶 401120)

隨著我國交通強國戰略的不斷推進，公路等基礎交通設施正大規模建設。然而，我國山地所占全國面積約為1/3，尤其西南地區含煤系地層較為發育，隧道穿越煤系地層的情況日益增多[1-6]。據統計，截至2019年底我國(不含港澳臺地區)已修公路隧道中瓦斯隧道160座，其中長度達3 km以上的瓦斯隧道超過50座[7-8]。由于煤系地層段地質構造復雜、煤巖體強度低且軟弱破碎，加之大量瓦斯和高瓦斯壓力的存在，瓦斯隧道開挖極易誘發瓦斯事故，威脅施工人員生命財產安全，耽誤工期并影響工程效益。因此，在隧道開挖穿越煤系地層段之前，準確掌握煤巖層賦存狀況，并根據煤層瓦斯突出危險情況采取有效的揭煤防突措施，對瓦斯隧道的安全、高效開挖具有重要意義[9]。

國內外學者對瓦斯隧道揭煤防突方法及技術開展了相應研究。如朱建偉等[10]以重慶鷂子巖隧道為背景，利用超前長鉆孔獲得煤層產狀和瓦斯參數等數據，并在此基礎上采用多煤層平導與正硐區域聯合揭煤防突施工技術。任青陽等[11]探討了超前地質鉆探法在復雜煤系地層隧道中的應用，制定出地質調查與超前地質鉆探相結合的復雜煤系地層探測方法，描述了該方法技術的工藝流程，并應用于穿越煤系地層瓦斯隧道實際工程。李棟等[12]對比分析了煤礦石門揭煤和鐵路大斷面隧道揭煤特點，結合防突規定研究了鐵路大斷面瓦斯隧道中地質預報和瓦斯突出危險預測等工藝流程，并基于某一瓦斯隧道揭煤工程闡述了割縫控制水力壓裂增透防突技術。甘甜香[13]基于正習高速公路2座穿越煤系地層隧道，分析了隧道煤系地層段施工難點，利用Midas/GTS NX數值計算軟件，研究了穿越傾斜煤層時隧道過程中圍巖和支護結構的變形和應力狀況，明確了隧道結構薄弱部位。綜上所述，現有研究主要集中在瓦斯隧道超前地質預報探測、隧道開挖圍巖穩定性分析等，而關于隧道煤系地層防突技術多參照煤礦石門揭煤防突技術。然而，防突措施在隧道開挖中實施空間及時間緊張，加之開挖斷面大，無法照搬煤礦井下石門揭煤有關防突措施。此外，現有瓦斯隧道的有效防突技術經驗較少，缺乏可用的借鑒經驗。

本文以正習高速公路天城壩多煤層高瓦斯隧道為研究對象，形成了基于水力壓裂增透的多煤層瓦斯隧道揭煤防突技術，分析了多煤層瓦斯隧道揭煤防突流程，探討了隧道水力壓裂防突技術中壓裂鉆孔布置、壓裂工藝、封孔工藝和壓裂關鍵參數等，并對防突效果進行了分析探討。研究成果可為類似瓦斯隧道揭煤防突施工提供借鑒。

1 水力壓裂煤層增透原理及增透效果分析

水力壓裂技術起源于油氣系統壓裂技術，其技術原理是通過高壓泵將大量壓力水注入煤層中，使鉆孔周圍煤體應力場發生改變，當煤體應力大于其破裂壓力時，煤體發生破壞產生新裂紋，在壓力水作用下，裂紋將進一步擴展延伸。此外，煤體是典型的非均質多孔介質，其內部具有豐富的原生節理裂隙[14-15]。水力壓裂不僅能在煤層中產生新裂隙，而且新裂隙將與煤體原生裂隙聯通，從而在煤層中構造出復雜的網狀裂縫，大幅增加了煤體瓦斯解吸流動通道，從而使煤層透氣性大大提高，有利于煤層瓦斯抽采。大量學者對水力壓裂理論及技術開展了研究，認為高壓水致裂煤體的過程可描述為“壓裂—充水浸潤擴張—再壓裂—再充水浸潤擴張”的裂紋起裂擴展及煤體浸潤過程[16]。

煤層水力壓裂增透效果受水壓裂縫分布情況的影響，而裂縫展布形態受地應力、煤體強度、天然弱面等控制。煤層水壓裂縫發展過程如圖1所示，地應力側壓系數對裂縫擴展的影響如圖2所示，水壓裂縫發展過程依次為應力累積階段、裂縫起裂階段、裂縫擴展階段和裂縫擴展完成階段[17-18]。隨著壓裂鉆孔內水壓力不斷增大，使鉆孔周圍煤巖體應力發生重新分布，并形成拉應力增高區，為應力累積階段；當鉆孔壁煤體應力累積量超過其極限強度時(主要為拉伸破壞)，煤體發生破裂形成微裂縫，為裂縫起裂階段；隨著壓力水不斷注入煤體內，裂縫尖端在水楔作用下始終為應力增高區，使微裂縫不斷擴展延伸形成宏觀主裂縫，為裂縫擴展階段；當注入煤體的高壓水量與煤體內濾失的水量達到平衡時，裂縫擴展將停止，形成穩定的水壓主裂縫，為裂縫擴展完成階段。此外，裂縫擴展方向受地應力狀態的影響，當最大和最小水平主應力相同時(即地應力側壓系數λ=1)，鉆孔周圍會出現較多裂縫，裂縫擴展沒有固定方向，呈隨機分布；當最大和最小水平主應力相同時，裂縫沿最大主應力方向起裂擴展。同時研究發現，煤層水力壓裂過程也是高壓水驅替瓦斯過程，壓裂過程中煤層內賦存的瓦斯被高壓水驅趕壓縮，形成瓦斯壓力梯度；壓裂結束后進行瓦斯抽采，由于煤體孔隙水壓的急劇降低，瓦斯在瓦斯壓力梯度下沿抽采鉆孔運移，使鉆孔內涌出大量的高濃度瓦斯，顯著提高鉆孔瓦斯抽采效果[19]。綜合而言，水力壓裂技術已在許多低透氣性煤層增透中廣泛應用，如重慶松藻礦區、河南平頂山礦區等多個礦井均開展了水力壓裂增透技術，并取得了良好效果。然而，水力壓裂增透技術在瓦斯隧道揭煤防突中應用較少，尤其是穿越近距離煤層群的高瓦斯隧道，缺乏相關瓦斯隧道水力壓裂技術的理論及技術指導。因此探討水力壓裂技術在瓦斯隧道揭煤防突中的應用十分有必要。

圖1 煤層水壓裂縫發展過程Fig.1 Development process of hydraulic fractures in coal seams

圖2 地應力側壓系數對水壓裂縫的影響Fig.2 Influence of in-situ stress lateral pressure coefficient on hydraulic fractures

2 工程概況

天城壩隧道位于遵義市習水縣仙源鎮北約5.50 km，按單向雙線分離式設計，左、右兩線長度分別為4 210、4 245 m，左線和右線最大埋深分別為525.2、388.3 m。如圖3所示，天城壩隧道共穿越9層煤，煤層從上往下編號分別為C5、C6、C7-1、C7-2、C7-3、C8-1、C8-2、C11和C12，含煤層總厚度6.28～13.65 m，平均為10.4 m。其中，C6、C7-2、C8-1、C8-2煤層為可采煤層，尤其C6和C8煤層厚度達2.17 m和4.56 m；煤層瓦斯含量達7.01～37.16 m3/t，煤層瓦斯壓力高達4.12 MPa。

圖3 天城壩隧道穿越煤層情況Fig.3 Status for Tianchengba tunnel passing through the coal seam

3 多煤層瓦斯隧道揭煤防突流程

根據《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》要求[20]，結合煤礦井下石門揭煤防突經驗，提出多煤層瓦斯隧道水力壓裂增透及揭煤防突體系。具體工藝流程如圖4所示。

圖4 多煤層瓦斯隧道揭煤防突流程Fig.4 Flow chart of outburst prevention during tunnel exposing the multi coal seams

首先，基于隧道地質物探結果，在隧道距離煤系地層段30 m處開展超前地質預報，對煤層位置進行探測，并對鉆孔過程中噴孔、頂鉆等瓦斯動力現象進行觀察。然后，距煤層法向距離20 m處施工不少于3個的初探鉆孔，開展煤層區域突出危險性預測。

隨后，在距煤層法距12 m處再實施多個檢測鉆孔，再次對煤層突出危險性進行精準探測。對存在突出危險性的煤層，需進行區域防突措施(該工程采用水力壓裂增透技術)，并對防突效果進行檢驗，若再次不達標則進一步補充防突措施。當煤層區域防突指標達標后，方可開挖工作面至距離煤層法距5 m處，且對突出危險性煤層開展工作面防突及檢驗；若存在突出危險，則需要補充工作面防突措施，待防突效果檢驗確認無危險性后，可將開挖面邊探邊掘至距煤層最小法距2 m處。

接著，需要再次對煤層突出危險性進行驗證，待確認煤層無突出危險性之后，可以借助安全防護措施進行隧道揭煤作業。在隧道揭煤中和揭開煤層后，均要求對煤層進行突出危險性驗證，待邊驗證邊掘進過完煤層至距煤層法距5 m后，完成隧道揭煤作業。

3.1 超前地質綜合預報

為獲得瓦斯隧道穿越煤系地層情況，如煤層產狀、瓦斯賦存狀況等，從而為后續防突措施的制定提供基礎數據，在進行隧道揭煤作業前，需對煤系地層段進行超前地質預報。首先，在距離煤層30 m處，施工φ76 mm的地質鉆孔，對煤層位置、走向等產狀情況進行探測。在距煤層法向距離20 m處時，進一步施工地質初探鉆孔，分析掘進面前方煤巖層性質、產狀、斷層褶皺等地質構造和巖溶發育情況等地質資料。在隧道開挖掘進面與煤層垂距12 m處，施工多個地質精探鉆孔，并使勘探鉆孔控制在隧道輪廓線外5 m，準確預測煤巖層位置、產狀及厚度等。

3.2 突出危險性預測

在隧道開挖掘進面距煤層法距12 m處，通過地質精探鉆孔測定煤層瓦斯含量W、瓦斯壓力P、瓦斯放散初速度ΔP、煤體堅固性系數f和煤的破壞類型等參數，同時結合鉆孔過程中的瓦斯動力現象，如噴孔、夾鉆、頂鉆等，綜合判斷煤層是否具有瓦斯突出危險性。經測定，天城壩隧道有關煤層瓦斯突出危險性預測指標結果見表1。

表1 天城壩隧道穿越煤層的瓦斯突出性情況Tab.1 Gas outburst status in Tianchengba tunnel passing through coal seam

根據《防治煤與瓦斯突出細則》[21]，C6和C8煤層各項指標均達到煤層突出性單項指標臨界值，如C6和C8煤層瓦斯壓力平均值分別為3.19、2.46 MPa；C7煤層除煤體堅固性系數未達到煤層突出性單項指標臨界值外，其他指標均超過指標臨界值(煤層瓦斯壓力平均為1.87 MPa)，故綜合判斷C6—C8煤層具有突出危險性。因此，為確保安全，需對突出煤層采取防突措施。

4 多煤層瓦斯隧道揭煤防突技術

針對天城壩隧道煤層瓦斯突出危險情況，為實現隧道安全高效快速揭煤防突施工，借鑒水力壓裂增透技術在煤礦井下石門揭煤中成功應用經驗，決定采用以水力壓裂煤層增透方法為核心的揭煤防突措施。具體以C6煤層為例進行介紹。

4.1 壓裂鉆孔布置及壓裂工藝

壓裂鉆孔施工位置為距C6煤層14.6 m最小法向距離處，通過掘進面向煤層施工穿層鉆孔，鉆孔終孔于隧道開挖輪廓線的上邊緣處，且超出C6煤層底板0.5 m；鉆孔直徑76 mm，深度為94.3 m，壓裂鉆孔沿隧道方向299°，鉆孔傾角10°。

水力壓裂鉆孔布置完成后，在鉆孔內按要求放入壓裂管、注漿管。所用壓裂管的煤層段為帶篩孔的篩管，其他段為無縫鋼管；注漿管為鋁塑管，與壓裂管固定在一起，并通過鉆機放入鉆孔內。隨后對壓裂鉆孔進行封孔，封孔結束后需對封孔材料進行養護，待封孔養護達標后連接壓裂設備及其管路，可進行水力壓裂煤層作業。水力壓裂工藝流程及裝備連接如圖5所示。

圖5 水力壓裂系統示意Fig.5 Schematic diagram of hydraulic fracturing system

4.2 封孔工藝

為有效保證煤層水力壓裂增透效果和提高煤層瓦斯抽采效率，將壓裂鉆孔封孔底部至C6煤層頂板處，如圖6所示。壓裂管為壁厚6 mm、內徑40 mm的無縫鋼管，每根長2 m，鋼管間采用接頭連接，且壓裂管前端為2 m花管。注漿管為φ20 mm鐵管，其鉆孔外端和球閥連接，通過開啟球閥進行注漿作業。在鉆孔封孔段底部，利用“馬尾巴”封堵水泥砂漿并過濾水，其堵塞長度不小于1 m，且其尾端留約50 cm花管，通過紗布纏繞。而封孔段外端利用聚氨酯進行封堵，封堵段長度不小于1.5 m。注漿液為抗收縮能力強、抗壓強度大(>20 MPa)的水泥砂漿。具體封孔工藝為：①按照管路設計要求連接注漿管路；②對注漿泵進行試運行，觀察泵及管路是否正常；③按比例將各種封孔材料加入料攪拌桶；接著連接孔內注漿管與孔外管道，并開啟注漿泵進行注漿作業；④將清水加入注漿后的攪拌機內，清洗注漿泵和注漿管道。

圖6 壓裂鉆孔封孔示意Fig.6 Schematic for sealing fracturing borehole

4.3 壓裂參數計算

(1)煤巖體破裂壓力。煤層進行水力壓裂時，當水壓達到鉆孔壁圍巖的破裂壓力時，煤巖體將破裂產生裂縫[21]。根據鉆孔周圍煤巖應力分析可得水力壓裂煤巖體的破裂壓力為：

pf=σ1+σ3-2(σ1-σ3)cosθ+Rt

(1)

式中，pf為煤巖的破裂壓力；σ1、σ3分別為最大和最小水平主應力；θ為壓裂鉆孔方向角；Rt為煤的抗拉強度。

根據學者們對中國地應力的測量數據統計可知[22]，煤巖層的最大、最小水平主應力與埋深H呈線性增長趨勢：

(2)

高壓水在管路中流動時，由于黏性流體與管道壁有摩擦，高壓流體會產生能量損失。研究表明，管道內的流體阻力為[23-24]：

(3)

式中，ΔP為壓力損失；l為管道長度；Q為管道內流體流量；D為管道內徑；Re為雷諾數，可通過Re=111 65Q/D計算獲得。

根據式(1)—式(3)，結合天城壩隧道煤層賦存條件(煤巖體抗拉強度2.6 MPa)，以及壓裂管路參數(壓裂管為φ50 mm，長度500 m)，經綜合計算，C6煤層壓裂孔的破裂壓力為26.1 MPa。

(2)壓裂注入水量。煤層進行水力壓裂時，可根據水力壓裂的影響范圍確定其壓入水量。具體計算公式：

V水=abhk

(4)

式中，V水為壓裂壓入水量；a為影響區域長度；b為影響區域寬度；h為影響區域高度；k為影響區域孔隙率。

根據本隧道作業地點情況和煤層壓裂預計范圍(20 m)，代入上述公式計算得出：C6煤層壓裂孔注水量約37.5 m3。

4.4 瓦斯抽采鉆孔布置

煤層水力壓裂完成后，需對煤層瓦斯進行接抽。C6煤層瓦斯抽采鉆孔設計在距C6煤層14.6 m最小法向距離處施工。采用煤礦用液壓鉆機進行鉆孔，鉆頭為PDC金剛石復鉆頭，鉆頭外徑76 mm，鉆桿為φ63 mm×760 mm普通鉆桿。按終孔間排距4 m×4 m網格布置瓦斯抽采鉆孔，并使鉆孔能預抽隧道輪廓線外至少12 m。鉆孔孔徑76 mm，終孔至C6煤層底板0.5 m處，采用囊袋式注漿封孔法隨鉆隨封。瓦斯抽采鉆孔施工完成后，將抽采管連入φ200 mm的抽采主鐵管，并通過地面移動抽采泵對該隧道煤層瓦斯進行抽采。瓦斯抽采現場如圖7所示。

圖7 煤層瓦斯抽采現場Fig.7 Site photograph for draining the coal gas in tunnel

5 防突效果分析

C6煤層進行水力壓裂結束后進行瓦斯抽采，瓦斯抽采效果如圖8和圖9所示。煤層瓦斯抽采30 d內，單孔平均瓦斯抽采純量總體上隨抽采時間逐漸衰減，抽采初期約為0.013 m3/min，抽采30 d后衰減至0.006 m3/min，平均值為0.009 m3/min。此外，瓦斯抽采主管道的瓦斯抽采濃度也隨抽采時間緩慢降低，由抽采初期的80%逐步衰減至60%，表明隧道開挖掘進面附近煤層賦存的瓦斯逐漸被抽出。如圖9所示，在抽采30 d內煤層瓦斯累計抽采總量達1.2萬m3。

圖8 煤層瓦斯抽采效果Fig.8 Gas drainage effect from coal seam

圖9 煤層瓦斯累積抽采總量Fig.9 Total cumulative gas extraction volume

從煤層瓦斯抽采效果可以看出，C6煤層實施水力壓裂增透技術以后，煤層瓦斯抽采效果較好，從而提高隧道煤層揭煤防突效率。煤層瓦斯接抽結束以后，對煤層瓦斯參數進行檢測，發現C6煤層瓦斯抽采后殘余瓦斯含量和瓦斯壓力分別為2.91～5.29 m3/t和0.26～0.61 MPa，均在臨界指標8 m3/t和0.74 MPa之下，表明瓦斯抽采效果達標。同時，采用綜合指標法和鉆屑瓦斯解吸指標法對煤層瓦斯突出危險性進行預測，并記錄施鉆過程中是否發生噴孔、夾鉆、頂鉆等動力現象，結果表明并無瓦斯動力現象發生，且檢驗結果均無超過指標。此外，在隧道開挖掘進面距煤層法距12、5、2 m處進行瓦斯抽采效果檢驗，測定鉆屑瓦斯解析指標K1值、Δh2和鉆屑量S等，發現均未超標。

綜上所述，對C6突出煤層實施水力壓裂防突技術后，煤層消突效果顯著，工作面防突檢驗達標，縮短揭煤時間2個月，為后續揭開C8特厚煤層及隧道貫通提供安全技術保障。

6 結論

本文以天城壩瓦斯隧道為工程實例，形成了基于水力壓裂大范圍增加煤層透氣性方法的多煤層瓦斯隧道揭煤防突技術，分析了水力壓裂致裂煤層增透原理與增透效果影響因素，明確了以超前地質預報初探、精探和突出危險性預測為核心的瓦斯隧道揭煤防突流程，探討了隧道水力壓裂防突中壓裂相關參數及工藝，并對防突效果進行了分析探討。

(1)多煤層瓦斯隧道揭煤防突根據至煤層法向距離30、20、12、5、2 m依次對煤系地層實施超前探測、初探、精探、區域防突及檢驗、工作面防突及檢驗、驗證揭煤等，待驗證無突出危險性后方可開挖揭煤，直至穿越煤層法距5 m處。

(2)利用水力壓裂致裂煤層增加煤體透氣性，從而提高瓦斯隧道消突效果，并優化了隧道內實施水力壓裂技術的壓裂鉆孔布置、壓裂工藝、封孔工藝、破裂壓力及用水量、瓦斯抽采鉆孔布置等關鍵工藝參數。

(3)C6—C8煤層的原始瓦斯壓力1.62～4.12 MPa，瓦斯放散初速度為18.2～34.0，煤體堅固性系數為0.3～1.0，破壞類型為Ⅲ類。上述指標綜合表明C6—C8煤層為突出煤層。當C6煤層實施水力壓裂防突技術后，煤層平均單孔瓦斯抽采純量達0.009 m3/min，瓦斯抽采濃度在60%以上；抽采30 d后殘余瓦斯含量和瓦斯壓力2.91～5.29 m3/t和0.26～0.61 MPa，均小于突出臨界指標，且鉆屑瓦斯解析指標等均未超標，縮短揭煤時間2個月。