復雜低滲高瓦斯煤層CO2 氣相壓裂強化增透技術研究

李建雄 LI Jian-xiong

（山西華晉吉寧煤業有限責任公司，臨汾 042100）

0 引言

煤與瓦斯突出是煤炭生產的最大威脅，近幾年事故頻發。據國家礦山安監局2022 年初文件顯示，近兩年在山西、貴州、河南等省份發生了多起煤與瓦斯突出事故，造成人員傷亡和經濟損失[1]。造成我國瓦斯災害頻發的主要原因：第一是我國煤田地質構造條件復雜，構造煤發育，煤層具有低滲透、難抽采等顯著特征[2]；第二隨著采掘深度增加、地應力增加，瓦斯壓力更大、含量持續升高[3，4]。

瓦斯高效抽采是治理瓦斯災害的根本性技術措施[5]。國內外現階段的瓦斯治理技術，目前規模化應用的主要有水力壓裂[6，7]、水力割縫、水力沖孔[8]和密集鉆孔[9]等。制約吉寧煤礦瓦斯治理的關鍵瓶頸技術難題有兩個：第一是煤層結構復雜造成瓦斯抽采技術的復雜性。煤層頂板下4m 處的夾矸將煤層分化為兩個儲層系統，上、下分層瓦斯垂向運移受阻，使常規鉆孔抽采效率限制在鉆孔所在的上分層或者下分層，大幅度降低常規鉆孔抽采效率；第二，瓦斯含量高，煤層滲透性差，抽采效率低、難度大，必須實施有效的強化造縫、增透卸壓技術，大幅度提高煤層透氣性。因此，為了破解吉寧煤礦瓦斯治理的技術瓶頸難題，創新性地在2201 首采工作面開展CO2氣相壓裂強化造縫、增透防突掘進技術研究和工業性試驗，對比分析現場試驗的瓦斯抽采參數和煤巷掘進速度，形成適配于吉寧礦CO2氣相壓裂強化增透、高效瓦斯治理的技術模式。

1 工作面瓦斯地質概況

山西華晉吉寧煤礦位于山西省臨汾市鄉寧縣，主要開采2 號煤層，瓦斯含量8～10.52m3/t，煤層實測透氣性系數為0.023m2/MPa2·d，煤層堅固性系數0.66～0.74，瓦斯放散初速度16mmHg，煤層的破壞類型為Ⅱ類破壞煤。

2201 工作面位于二盤區右翼，底板標高136～214m，地面標高495～745m，2201 工作面掘進過程中不涉及穿層或穿巖，工作面煤層厚度5.8～6.5m，平均厚度6.21m，煤層整體向北傾斜，傾角0°～15°，一般7°。工作面內2#煤層節理發育，在煤層中下部夾一層泥巖矸石，平均厚度約0.27m，煤層厚度變化不大，區域內無河流沖刷帶影響，屬穩定煤層。

2 CO2 氣相壓裂技術

2.1 CO2 氣相壓裂技術原理

CO2氣相壓裂裝置由充氣閥、加熱器、儲液管、液態CO2、剪切片和釋放頭等核心部分組成，見圖1。

圖1 CO2 氣相壓裂裝置

已有研究表明[10，11]，CO2氣相壓裂技術主要通過沖擊射流的動態和高壓CO2氣體準靜態荷載作用煤層，達到造縫增透、卸壓防突的目的。其作用原理分為宏觀和微觀尺度。宏觀尺度上，高壓流體沖破剪切片，動載沖擊改造煤層，煤層中原始裂隙被重新打開，形成以鉆孔為中心的放射狀大尺度復雜裂縫網絡。流體隨著壓力和溫度的變化，汽化為高壓CO2氣體二次作用形成的裂隙網絡，在孔裂隙尖端形成“楔開”效應，產生拉應力，當其破壞強度大于煤體的抗拉強度（0.5～1.5MPa）時，裂隙尖端形成損傷區域而失穩破壞；微觀尺度上，煤巖致裂后，小尺度孔裂隙向大尺度轉化，高壓多相脈沖射流在煤基質形成大量的以沖蝕坑為中心形成的“三翼”狀裂隙，產生大量新生的微裂縫，沿主裂縫逐級發育為復雜的分支裂隙。從宏觀到微觀，CO2壓裂技術在煤層中形成復雜縫網，具有卸壓和增滲的雙重效應，進而實現地應力場和瓦斯壓力場的雙重降低和均化，形成以裂縫網絡為主體的新生應力場和瓦斯壓力場，最終實現瓦斯高效抽采的目標。（圖2）

圖2 氣相壓裂多簇密集造縫示意圖

2.2 掘進工作面CO2 氣相壓裂技術方案

為提高瓦斯治理和掘進效率，項目組采用新型、深鉆孔多級CO2氣相壓裂技術在2201 掘進工作面實施強化增透措施。依據煤體堅固性系數、瓦斯含量、透氣性系數和氣相壓裂技術增透原理，技術方案設計思路為：以煤層的夾矸為界線，分別在上下分煤層實施氣相壓裂鉆孔，氣相壓裂裝置選用C74 型號，爆破壓力185MPa，設備單根長度1.5m，氣相壓裂段的鉆孔覆蓋率不得低于70%；為了增加煤層的抽采速度，縮減有效抽采時間，增加數個輔助抽采鉆孔，鉆孔布置見圖3。圖中設計壓裂鉆孔10 個，輔助抽采鉆孔12 個，合計22 個鉆孔，鉆孔孔深為100m，孔徑Φ105mm。其中，壓裂鉆孔分別布設在工作面迎頭6 個，左右鉆場各2 個。

圖3 2201 掘進工作面瓦斯治理方案

現場技術方案實施時，需要遵循先進行壓裂鉆孔施工，后補打輔助抽采鉆孔原則，具體實施步驟：

①鉆孔成孔后，及時將CO2氣相壓裂裝置逐一連接，并使用鉆機推進鉆孔內，推進完畢后壓裂孔內剖面，見圖4。

圖4 壓裂孔內剖面圖

②采用鉆桿將壓裂設備和兩個注水封孔器連接，并將封孔器推至鉆孔深度15m，采用手壓泵給封孔器注水，注水壓力達到10MPa 時，停止注水，關閉壓力截止閥。

③使用鉆機固定最末端的鉆桿，連接好線路，拉信號線到安全區域，撤人設警戒，啟動壓裂設備。

④30 分鐘后檢查工作面情況，確認無異常進入工作面，將壓裂設備用鉆機拉出鉆孔。設備完全拉出后，及時封孔連抽。

⑤按照上述步驟所有壓裂工作結束后，完成輔助抽采鉆孔施工。

3 煤層鉆孔瓦斯抽采效果與分析

3.1 抽采期內CO2 氣相壓裂鉆孔瓦斯純量

圖5 是氣相壓裂鉆孔的瓦斯流量對比參數分布規律。由圖可知，與前期工作面鉆孔的抽采數據相比，實施氣相壓裂技術方案后，在抽采13 天期間鉆孔瓦斯抽采純量提高，提高了4.6～9.7 倍。其中最小百米鉆孔瓦斯抽采純量為右2 鉆孔的0.10m3/min，最大為左2 孔的0.193m3/min，平均值為0.138m3/min；分別提高了4.6 倍、9.7 倍和6.7 倍。

圖5 CO2 氣相壓裂前后鉆孔百米瓦斯純流量對比

3.2 與條件預抽措施瓦斯抽采效果對比

為進一步分析CO2氣相壓裂增透效果，對比分析掘進工作面里程740m 條帶預抽增透防突技術措施的瓦斯抽采參數，其鉆孔布設方案為迎頭鉆孔控制巷道輪廓線外5m，共布置15 個鉆孔，終孔間距4m；在迎頭兩幫布置邁步鉆場，鉆場間距10m，鉆場內鉆孔控制巷道輪廓線外15m 范圍，所有鉆孔均分上中下三排布置，共33 個鉆孔，鉆孔深度135m，鉆孔孔徑105mm。兩循環的瓦斯治理效果對比結果見表1。

表1 氣相壓裂與條帶預抽增透措施的瓦斯治理效果對比

由表1 可知，2201 掘進工作面在采取CO2氣相壓裂技術后，瓦斯抽采效率明顯提升，進而提高巷道掘進效率。與條帶預抽方案相比：①壓裂方案鉆孔數量減少11 個，總進尺減少2255m，減少了50%，節約鉆孔施工工程量，降低打鉆費用。②鉆孔的百米瓦斯抽采純流量均呈現增大的規律，由0.023～0.026m3/min 提高至0.049～0.055m3/min，最大提升倍數為2.13。③抽采時間縮短47 天，減少了78%；掘進速度提高，月進尺由原來36m 提高至80m，提高了2.22 倍。

4 結論

①針對吉寧礦2#煤層高含量、低透氣性、多分層、多夾矸發育及采前難抽、采中涌出量大的復雜地質特點，形成適配于該礦區的185MPa 高壓力、大容量的CO2氣相壓裂強化造縫、增透防突關鍵技術。②掘進工作面實施氣相壓裂技術后，瓦斯抽采濃度和純流量均呈現大幅度的提升，提高了4.6～9.7 倍。③與前期條帶預抽防突技術措施相比，CO2氣相壓裂技術實施后，煤層瓦斯抽采純量提高了4.6～9.7 倍，抽采時間縮短47 天，月掘進速度由原來36m提高至80m，提高了2.22 倍。