氣相壓裂和水力割縫強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用*

申軍偉

（山西焦煤吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司防突管理部，山西 臨汾 042100）

隨著礦井開采深度和強(qiáng)度的不斷增加，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)逐漸增加，煤層瓦斯壓力和含量不斷增大，特別是低透氣性煤層，煤層瓦斯抽采困難[1]。因此，尋找一種有效的強(qiáng)化措施來增加煤層的透氣性以達(dá)到高效地進(jìn)行瓦斯抽采的目的，是一關(guān)鍵性科學(xué)問題。邱國帥[2]對平煤十礦己組煤進(jìn)行高壓脈沖水割裂增透抽采技術(shù)的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用該技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在80%～90%，抽采效果提高了3～5 倍。要天富[3]在新元煤礦310004 掘進(jìn)工作面進(jìn)行氣相壓裂增透技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)雙孔的氣相壓裂效果優(yōu)于單孔。武棟棟等[4]在新元煤礦山西組3 號煤層開展了氣相壓裂卸壓防突快速掘進(jìn)技術(shù)研究，試驗(yàn)表明經(jīng)過氣相壓裂后，瓦斯抽采效率提高明顯。郭育東[5]在侯村煤礦進(jìn)行水力沖孔造穴增透技術(shù)的研究，采用該技術(shù)后，鉆孔平均瓦斯抽采濃度是常規(guī)抽采孔的1.9 倍，平均瓦斯采純量是常規(guī)抽采孔的6 倍。賈賀敏[6]對玉溪煤礦1301 工作面采用60 m 雙孔壓裂方案，實(shí)施該方案后，瓦斯抽采效果明顯，消突效果顯著。

雖然不同的卸壓增透措施具有各自不同的優(yōu)勢，但是采取單一的卸壓增透措施具有一定的局限性，難以適應(yīng)煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件。因此，采用氣相壓裂和水力割縫聯(lián)合強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)在吉寧礦2203 聯(lián)絡(luò)巷條帶進(jìn)行增透技術(shù)試驗(yàn)，解決低透氣性煤層瓦斯抽采濃度低、瓦斯抽采率不高的問題，降低煤礦瓦斯災(zāi)害的危險(xiǎn)性具有重要意義。

1 技術(shù)原理

1.1 氣相壓裂原理

CO2氣相壓裂強(qiáng)化消突措施是利用高壓管內(nèi)液態(tài)CO2加熱后在20～40 ms 內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，其體積瞬間膨脹500～600 倍成為高壓氣體對煤層做功[7]。在此過程中，形成的瓦斯射流繼續(xù)沖擊壓裂周圍煤巖，使射流附近原有裂縫不斷擴(kuò)大，并產(chǎn)生新裂縫，從而擴(kuò)大裂縫空間，增加煤體滲透率。具體過程如圖1 所示，當(dāng)液體CO2被加熱時(shí)，快速形成高壓氣流，高壓氣流沖擊煤體墻壁后，周圍煤的層理在切割和高壓氣流的作用下不斷開裂，又形成新的裂縫。

圖1 氣相壓裂原理

1.2 水力割縫原理

水力割縫技術(shù)工藝是在不破壞煤層頂?shù)装鍘r性的條件下，通過超高壓水射流的切割作用，增大煤體的暴露面積、充分卸壓，改善煤體應(yīng)力，在鉆孔內(nèi)人為再造裂隙，增加透氣性和加速瓦斯釋放[8]，使得割縫孔周圍的裂縫數(shù)量會顯著增多，并且會與原有的裂縫相互連通，提高了瓦斯解吸和釋放的速度，從而使得瓦斯抽采效率顯著增加。如圖2所示，水力割縫鉆孔與傳統(tǒng)鉆孔相比，水力割縫鉆孔為瓦斯解吸創(chuàng)造了更多的通道，降低了煤層中的瓦斯含量，達(dá)到了消突的目的。

圖2 水力割裂原理

1.3 氣相壓裂與水力割縫聯(lián)合強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)原理

單一技術(shù)難以解決低透氣性煤層瓦斯抽采的難題，因此，提出氣相壓裂與水力割縫聯(lián)合強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)。該技術(shù)是在煤層施工卸壓鉆孔時(shí)，結(jié)合氣相壓裂與水力割縫的工藝特點(diǎn)，首先采用CO2氣相壓裂技術(shù)對煤體進(jìn)行增透處理，產(chǎn)生高壓沖擊波使煤體發(fā)生切向拉伸和徑向壓縮，最終超出煤體的抗拉強(qiáng)度，從而使瓦斯通道向深部擴(kuò)展，發(fā)生相變致裂。之后再采用水力割縫技術(shù)對煤體進(jìn)行切割，在煤體中形成縫槽，從而有效地增加瓦斯的流動通道。這兩種措施交替聯(lián)合使用可以使得瓦斯流動通道進(jìn)一步擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)煤層透氣性系數(shù)的提高，使得瓦斯抽采效率大幅上升。

2 工程試驗(yàn)及效果

本次試驗(yàn)地點(diǎn)為吉寧礦2#煤層2203 聯(lián)絡(luò)巷，平均煤層厚度6.29 m，煤層透氣性系數(shù)0.065 4 m2/（MPa2·d），為低透氣性煤層。根據(jù)山西焦煤集團(tuán)公司發(fā)山西焦煤通函 〔2021〕430 號文件《關(guān)于2021 年度礦井瓦斯等級鑒定（測定）結(jié)果的批復(fù)》及其附件《山西焦煤集團(tuán)公司2021 年度礦井瓦斯等級測定結(jié)果匯總表》，礦井絕對瓦斯涌出量為105.42 m3/min，礦井相對瓦斯涌出量為15.34 m3/t，吉寧煤礦被鑒定為高瓦斯礦井。2022年華北科技學(xué)院安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)中心出具的《山西華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司2#煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》 顯示在鑒定區(qū)域內(nèi)煤的最高破壞類型為Ⅱ類，最大瓦斯放散初速度指標(biāo)△Pmax=14.2，煤的最小堅(jiān)固性系數(shù)fmin=0.51，最大煤層瓦斯壓力Pmax=0.69 MPa，判定鑒定范圍內(nèi)無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

2.1 鉆孔布置設(shè)計(jì)

如圖3 所示，在迎頭和左右鉆場施工14 個(gè)深50～77 m 的順層鉆孔，鉆孔孔徑94 mm，鉆孔參數(shù)如表1 所示。所有抽采鉆孔在采取CO2氣相壓裂措施一段時(shí)間過后，由于抽采效果下降，對原先布置的壓裂鉆孔再采取一次超高壓水力割縫增透措施。其中CO2氣相壓裂桿直徑為68 mm，長度為2 000 mm，壓裂范圍20～40 m，釋放壓力120～180 MPa。水力割縫采用GF-100 型超高壓水力割縫裝置，設(shè)備承受壓力能夠達(dá)到100 MPa，割縫半徑1 500～2 000 mm，單個(gè)鉆孔耗液量約為1 500 m3，排量6～8 m3/min。

表1 2203 切眼里程98 m 處鉆孔布置參數(shù)

圖3 2203 切眼里程98 m 處鉆孔開孔布置

2.2 抽采效果檢驗(yàn)

迎頭處的鉆孔于2021 年11 月12 日至11 月17 日施工，如圖4 所示，氣相壓裂后抽采時(shí)間為21 天，抽采負(fù)壓為21 kPa，濃度平均為43.2%，抽采量平均為0.61 m3/min。從第16 天開始瓦斯抽采量和濃度就開始下降，為了維持抽采效果，采取水力割縫措施。在水力割縫后再連續(xù)監(jiān)測10 天，抽采負(fù)壓為14.2 kPa，濃度平均為44.2%，抽采量平均為0.64 m3/min?？梢钥闯?，采取水力割縫增透措施后，瓦斯抽采量和濃度開始逐步上升。

圖4 2203 正向迎頭預(yù)抽瓦斯鉆孔抽采濃度與抽采量變化情況

左幫鉆孔于2021 年11 月18 日至12 月14日施工，在氣相壓裂后，抽采時(shí)間為25 天，抽采負(fù)壓為18 kPa，濃度平均為41.4%，抽采量平均為0.47 m3/min。在水力割縫期后，抽采監(jiān)測時(shí)間為13 天，抽采負(fù)壓為17.6 kPa，濃度平均為46.2%，抽采量平均為0.79 m3/min。如圖5 所示，氣相壓裂抽采從第22 天開始瓦斯抽采量和濃度就開始下降。為了維持抽采效果，于是開始采取水力割縫措施，采取水力割縫增透措施后，瓦斯抽采量和濃度開始逐步上升。

圖5 2203 左幫預(yù)抽瓦斯鉆孔抽采濃度與抽采量變化情況

右?guī)豌@孔于2021 年11 月11 日至12 月9 日施工，在氣相壓裂后，抽采時(shí)間為45 天，抽采負(fù)壓平均為21 kPa，濃度為40.6%，抽采量平均為0.92 m3/min。在水力割縫后，抽采監(jiān)測時(shí)間為11 天，抽采負(fù)壓為16.9 kPa，濃度平均為36.7%，抽采量平均為0.85 m3/min。如圖6 所示，氣相壓裂后從28 天開始瓦斯抽采量和濃度就開始出現(xiàn)了下降。為了維持抽采效果，于是開始采取水力割縫措施，采取水力割縫增透措施后，瓦斯抽采量和濃度開始逐步上升。

圖6 2203 右?guī)皖A(yù)抽瓦斯鉆孔抽采濃度與抽采量變化情況

綜上所述，采取單一的CO2氣相壓裂增透措施，在前期效果十分顯著，但隨著時(shí)間的推移，瓦斯抽采效果會逐漸下降。而煤層瓦斯抽采是一項(xiàng)長期的工作，因此在氣相壓裂技術(shù)效果變差的情況下，對已經(jīng)采用氣相壓裂的鉆孔采取水力割縫的技術(shù)措施，能夠再次有效地提高瓦斯抽采量和管道內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，減少瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

1）CO2氣相壓裂與水力割縫聯(lián)合強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)可以使原生煤層二次強(qiáng)化卸壓，擴(kuò)大了原生煤層的暴露面積和瓦斯流量通道，提高了瓦斯的抽采量。采取水力割縫措施后，正向迎頭鉆孔的抽采量由0.48 m3/min 提高到峰值0.84 m3/min，左幫鉆孔由0.38 m3/min 提高到峰值0.95 m3/min，右?guī)豌@孔由0.46 m3/min 提高到峰值1.10 m3/min。

2）在同等條件下，使用CO2氣相壓裂與水力割縫聯(lián)合強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)可以減少施工鉆孔個(gè)數(shù)，顯著減少瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。

3）CO2氣相壓裂與水力割縫聯(lián)合強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)，可以延長瓦斯抽采時(shí)間，相比單一的增透技術(shù)，可以有效的提高瓦斯抽采量和管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛取?/p>