張肖峰，張軍勝，王曉東，范延昌

(1.山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)，山西 陽泉 045400；2.河南理工大學(xué) 煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南 焦作 454000；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

·試驗研究·

掘進(jìn)煤巷氣相壓裂瓦斯涌出規(guī)律研究

張肖峰1，張軍勝2,3，王曉東1，范延昌2,3

(1.山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)，山西 陽泉 045400；
2.河南理工大學(xué) 煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南 焦作 454000；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

通過對新元煤礦31004掘進(jìn)工作面進(jìn)行氣相壓裂試驗，分析總結(jié)出實施氣象壓裂后的瓦斯涌出規(guī)律：巷道回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛壬叱霈F(xiàn)一個峰值，主要原因是氣相壓裂的擾動，煤層造成裂縫，煤層瓦斯沿裂縫涌向巷道；實施氣相壓裂措施后，煤巷掘進(jìn)過程中，瓦斯涌出均衡，而且數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示，雙孔氣相壓裂后割煤時的瓦斯涌出量大于單孔壓裂后割煤時的瓦斯涌出量。實施氣相壓裂措施后，實現(xiàn)了煤巷安全高效快速掘進(jìn)。

氣相壓裂；瓦斯?jié)舛龋浑p孔壓裂；安全掘進(jìn)

隨著開采水平的延深，煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量隨之增大，礦井瓦斯等級升高，低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井，高瓦斯礦井變?yōu)橥怀龅V井。同時，隨著采煤機(jī)械化程度的提高，推進(jìn)速度加快，掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量急劇增加，經(jīng)常造成瓦斯?jié)舛瘸?。一旦瓦斯超限，就必須停止掘進(jìn)，采取瓦斯抽采措施，這影響了掘進(jìn)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，成為制約大型煤礦掘采失調(diào)的主要原因[1-4]. 在掘進(jìn)工作面進(jìn)風(fēng)量恒定條件下，割煤時瓦斯大量涌出，是造成風(fēng)流中瓦斯?jié)舛人查g升高超限的主要原因[5]. 如何解決割煤期間瓦斯涌出不均衡，實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)，是煤炭企業(yè)追求的共同目標(biāo)。

二氧化碳?xì)庀鄩毫鸭夹g(shù)是近年來迅速發(fā)展的一項瓦斯綜合治理新技術(shù)，它具有均衡瓦斯壓力場和地應(yīng)力場的雙重效應(yīng)[6]，本文對新元煤礦31004掘進(jìn)工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷道實施氣相壓裂后的瓦斯涌出情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出實施氣相壓裂后的瓦斯涌出規(guī)律，對瓦斯涌出異常的煤巷掘進(jìn)提供了指導(dǎo)意義。

1 概 況

新元煤礦是陽煤集團(tuán)主要生產(chǎn)礦井之一，設(shè)計煤炭產(chǎn)量為5 Mt/a. 該礦位于沁水煤田北部陽泉礦區(qū)，井田構(gòu)造為大型寬緩單斜；東西長15.6 km，南北寬9.6 km，近似長方形，面積約146 km2，主采煤層為山西組3#煤層和太原組的9#、15#煤層，2015年鑒定為突出礦井。試驗區(qū)域31004工作面位于井田南區(qū)，工作面整體為東高西低的單斜構(gòu)造形態(tài)。31004工作面主采3#煤，底板標(biāo)高504～586 m，地面標(biāo)高1 068.1～1 071 m，埋深485～564.1 m，工作面長度2 677 m，傾斜長240 m，煤層厚度2.52～2.82 m，最大瓦斯含量為12.70 m3/t，堅固性系數(shù)為0.3～0.5，煤層以亮煤為主，煤層結(jié)構(gòu)：0.40(0.03)2.29，2°～4°. 未采取氣相壓裂措施時，臨近巷道月進(jìn)尺30～40 m；掘進(jìn)過程中瓦斯涌出不均衡。

2 氣相壓裂裝置及技術(shù)原理

2.1 氣相壓裂裝置簡介

氣相壓裂裝置和材料主要由6部分組成(圖1)，包括壓裂管、充氣閥、噴氣閥、控壓剪切片、加熱器和液態(tài)CO2等。壓裂管是高強(qiáng)度空心鋼管，兩端分別是與之密封連接的充氣閥和噴氣閥。管內(nèi)部裝有液態(tài)CO2和加熱器，噴氣閥端裝有控制爆破壓力的控壓剪切片。在啟爆器引爆加熱器時，管中液態(tài)CO2在20～40 ms轉(zhuǎn)換為高壓氣體，氣體壓力在達(dá)到剪切片控制壓力時沖破剪切片，從噴氣閥噴出作用于煤層，破壞煤層，在煤層中形成多尺度裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有利于煤層瓦斯的釋放。

圖1 氣相壓裂裝置示意圖

氣相壓裂屬于低溫非炸藥破巖技術(shù)。由于氣相壓裂過程中不產(chǎn)生高溫和火花，不會引起瓦斯及煤塵爆炸，可以在易燃煤層或高瓦斯及突出煤礦中安全使用。其主要化工材料液相CO2和加熱器是低溫氣體和非爆炸器材，購置和儲存不需要專項審批手續(xù)，可以安全運(yùn)輸和保管，施工操作簡單，無需專門放炮員。壓裂無破壞性震蕩和沖擊波，對巷道支護(hù)不會產(chǎn)生破壞性影響。

2.2 氣相壓裂治理瓦斯技術(shù)原理

煤層進(jìn)行過氣相壓裂以后：1) 二氧化碳?xì)怏w瞬間以高速射流狀態(tài)噴出作用于煤層，煤層內(nèi)部受力區(qū)域失穩(wěn)破壞，形成大量宏觀裂隙，這個過程為氣相壓裂的動壓作用過程，持續(xù)時間很短。2) 瞬間射流沖擊作用結(jié)束后鉆孔內(nèi)充滿高壓的二氧化碳?xì)怏w還未來得及逸散出煤層，致使煤層孔隙產(chǎn)生異常超壓，作用在煤體骨架上，驅(qū)動煤層裂隙繼續(xù)延展，形成大量微觀裂縫，這個過程為氣相壓裂的靜壓作用過程，持續(xù)時間相對較長。

氣相壓裂在煤層中形成網(wǎng)狀裂隙系統(tǒng)，煤層滲透性大幅度提高，瓦斯由吸附狀態(tài)變?yōu)橛坞x狀態(tài)并向煤壁外涌出，最終平衡于大氣壓，從而形成了新的瓦斯壓力場：瓦斯壓力梯度降低，瓦斯壓力降低并均化，動力現(xiàn)象減少，掘進(jìn)期間瓦斯穩(wěn)定均勻涌出；另一方面氣相壓裂后產(chǎn)生裂隙造成煤層松動，形成新的應(yīng)力場，壓裂鉆孔近孔區(qū)域應(yīng)力集中得到緩解或降低，起到均化地應(yīng)力的效果，其主要表現(xiàn)為掘進(jìn)過程中煤炮聲減少，卸壓孔施工過程中壓鉆現(xiàn)象減少。通過實施氣相壓裂，極大地提高了掘進(jìn)速度。

3 壓裂區(qū)域試驗方案

2015年新元煤礦鑒定為突出礦井，曾發(fā)生過突出事故，31004工作面相鄰區(qū)域巷道掘進(jìn)月進(jìn)尺30～40 m，2013年31004工作面由于瓦斯壓力大，掘進(jìn)困難而停止，現(xiàn)對試驗區(qū)域31004掘進(jìn)工作面制定了單孔和雙孔氣相壓裂技術(shù)方案，即：

1) 60 m單孔壓裂方案：“1+10”方案，1個壓裂鉆孔+10個抽采鉆孔，壓裂預(yù)抽。

2) 60 m雙孔壓裂方案：“2+9”方案，2個壓裂鉆孔+9個抽采鉆孔，壓裂預(yù)抽。

3) 80 m雙孔壓裂方案：“2+9”方案，2個壓裂鉆孔+9個抽采鉆孔，壓裂預(yù)抽。

壓裂管型號為C74 L型，壓裂管長度1.7 m，單根壓裂管充裝液態(tài)CO2量為2 kg，控壓剪切片壓力為126 MPa，依次實施3種不同方案。方案設(shè)計圖見圖2,3.

圖2 單孔壓裂設(shè)計圖

圖3 雙孔壓裂設(shè)計圖

4 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律

4.1 氣相壓裂過程中瓦斯涌出規(guī)律

31004掘進(jìn)工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷共進(jìn)行了6個循環(huán)氣相壓裂，3種壓裂方案各執(zhí)行2次，壓裂完畢后封孔預(yù)抽，預(yù)抽時間10天左右。當(dāng)抽采純量小于0.3 m3/min時，停止抽采，取樣測試防突參數(shù)K1值，K1值小于0.4方可恢復(fù)掘進(jìn)。6個循環(huán)累計巷道掘進(jìn)進(jìn)尺342 m.氣相壓裂掘進(jìn)情況見表1.

壓裂期間，根據(jù)回風(fēng)流中瓦斯探頭監(jiān)測瓦斯?jié)舛?，每次壓裂完后，根?jù)壓裂當(dāng)天瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葧查g增高，出現(xiàn)一個峰值，然后下降，每次持續(xù)時間0.5～1 h，壓裂過程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓厔菀妶D4.

表1 31004掘進(jìn)工作面氣相壓裂掘進(jìn)情況統(tǒng)計表

圖4 壓裂期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓厔輬D

原因分析：氣相壓裂后產(chǎn)生裂縫及擾動，煤層得到卸壓，同時煤層裂縫之間連通，煤層滲透性大幅度提高，煤層中游離的瓦斯通過裂縫迅速向壓裂鉆孔方向滲流擴(kuò)散到巷道中并最終平衡于大氣壓；同時吸附瓦斯迅速解吸并與游離瓦斯壓力場乃至鉆孔大氣壓場平衡，最終形成了新生瓦斯壓力場。因此在壓裂期間瓦斯?jié)舛葧查g升高，出現(xiàn)一個短暫的峰值，然后下降，恢復(fù)平衡。

4.2 掘進(jìn)期間工作面瓦斯涌出規(guī)律

工作面恢復(fù)掘進(jìn)后，平均每天進(jìn)尺約6 m，完成一循環(huán)60 m氣相壓裂措施，掘進(jìn)大約需要8天；完成一循環(huán)80 m氣相壓裂，掘進(jìn)大約需要12天。根據(jù)割煤期間煤頭監(jiān)測瓦斯?jié)舛龋蜻M(jìn)期間每天平均瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計見圖5. 由圖5可知，實施60 m單孔壓裂方案后，掘進(jìn)期間煤頭瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.3%，割煤期間瓦斯?jié)舛认鄬Ψ€(wěn)定，沒有異常升高現(xiàn)象；60 m雙孔壓裂后掘進(jìn)期間煤頭瓦斯?jié)舛葹?.3%～0.4%，沒有異常波動現(xiàn)象；80 m雙孔壓裂后，掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛葹?.3%～0.58%，濃度相對出現(xiàn)波動，掘進(jìn)過程中煤頭瓦斯?jié)舛茸兓厔菀妶D5.

原因分析：氣相壓裂后，掘進(jìn)面前方煤體產(chǎn)生裂縫卸壓，滲透性大幅度提高，地應(yīng)力場和瓦斯壓力場得以均化，割煤時瓦斯均勻涌出，不再出現(xiàn)瓦斯突然升高現(xiàn)象，進(jìn)而實現(xiàn)連續(xù)快速掘進(jìn)，這對其他巷道掘進(jìn)或回采過程中瓦斯涌出異常問題的治理具有指導(dǎo)意義。

從圖5可以看出，雙孔壓裂后，掘進(jìn)期間煤頭平均瓦斯?jié)舛雀哂趩慰讐毫押竺侯^的瓦斯平均濃度，主要原因是實施雙孔壓裂后，壓裂的范圍更大，壓裂后產(chǎn)生的裂隙連通性更好，更有利于瓦斯的釋放。同時，也發(fā)現(xiàn)80 m雙孔壓裂后掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛扔邢鄬^大波動趨勢，其主要是因為隨著掘進(jìn)進(jìn)尺增加，鉆孔深度加深，鉆孔內(nèi)使用壓裂管的數(shù)量應(yīng)隨之增加，60 m鉆孔壓裂時壓裂管數(shù)量為15根，而80 m鉆孔壓裂時壓裂管數(shù)量為20根；另外，隨著巷道向前推進(jìn)，第六循環(huán)壓裂位置處于該工作面埋深最深位置，

圖5 掘進(jìn)過程中煤頭瓦斯?jié)舛茸兓厔輬D

處于褶區(qū)軸部，瓦斯含量高。因此要保證壓裂效果，80 m雙孔壓裂時鉆孔內(nèi)壓裂管數(shù)量應(yīng)在25根以上為宜。

5 結(jié) 論

通過對新元煤礦31004掘進(jìn)工作面氣相壓裂期間和壓裂后掘進(jìn)過程中瓦斯?jié)舛茸兓治觯偨Y(jié)得出以下規(guī)律：

1) 氣相壓裂技術(shù)具有均衡煤層瓦斯壓力場和地應(yīng)力場的雙重效應(yīng)，氣相壓裂技術(shù)實施過程中，巷道回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)升高，形成一個短暫的峰值，然后下降，恢復(fù)平衡。

2) 實施氣相壓裂后，在掘進(jìn)期間，煤頭瓦斯?jié)舛绕椒€(wěn)，沒有出現(xiàn)異常波動；但是雙孔壓裂后掘進(jìn)過程中煤頭瓦斯?jié)舛雀哂趩慰讐毫押蟮耐咚節(jié)舛?，其主要原因是雙孔壓裂的作用范圍更廣，裂縫連通效果更好，更有利于瓦斯釋放。

3) 從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，80 m雙孔壓裂后，瓦斯?jié)舛茸兓秶鄬^大，一方面是由于地質(zhì)條件因素影響，此位置位于該工作面埋深最深位置，而且是褶區(qū)的軸部；另一方面，80 m雙孔氣相壓裂要達(dá)到預(yù)期的效果，應(yīng)增加壓裂管數(shù)量，應(yīng)增加至25根左右為宜。

[1] 陳大力.綜掘工作面瓦斯預(yù)測技術(shù)研究[J].煤礦安全，2001，32(8)：4-7.

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ResearchonGasPhaseFracturingGasReleaseLawinTunnelingRoadway

ZHANGXiaofeng,ZHANGJunsheng,WANGXiaodong,FANYanchang

By fracturing with phase transition test on No.31004 heading face in Xinyuan Coal Mine, the paper analyzed the gas emission law after implementation of fracturing with phase transition. After the fracturing, due to the disturbance of fracturing, the gas inside the seam gushes into the roadway along the crack, a concentration peak emerges in the return air flow of the roadway. The gas emission keep balanced during coal tunneling. The monitoring shows that the gas emission with double-borehole is much larger than the single-borehole one. Fracturing with phase transition contribute greatly to the exploration in a safe and efficient way.

Gas fracturing with phase transition; Gas concentration; Double hole fracturing; Safe driving

2017-08-18

張肖峰(1973—)，男，山西平遙人，1994年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，碩士研究生，主要從事煤礦瓦斯災(zāi)害防治工作

(E-mail)312398387@qq.com

TD712+.52

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1672-0652(2017)11-0035-04