劉小鵬，徐 剛，王云龍，李忠群

(1.山西潞安礦業(yè)集團 慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 長治 046203；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

目前，我國的煤炭開采正朝著高效、智能的方向發(fā)展。但我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，透氣性系數(shù)只有1×10-6～1×10-7μm2，瓦斯抽采難度大，瓦斯抽采率低下[1-2]。特別是掘進工作面由于瓦斯涌出量大，措施實施占用時間長，造成了工作面的接替緊張，嚴重影響了礦井經(jīng)濟效益的提高[3]。針對上述問題，將氣相壓裂增透技術引入到掘進工作面的瓦斯抽采實踐中，研究氣相壓裂增透機理及增透工藝，分析掘進工作面氣相壓裂增透效果，加大掘進工作面瓦斯抽采力度，保障開采的有效接續(xù)，以期為煤礦的安全高效開采提供有力保障。

1 低滲煤層氣相壓裂增透原理

氣相壓裂增透技術(圖1)是利用液態(tài)二氧化碳相變和高能氣體急劇膨脹瞬間作用于煤層、使煤體松動破裂、從而增大煤層滲透性和提高瓦斯抽采效果的一種方法措施[4-5]。該技術具有如下特點：①均一化地應力場和平衡瓦斯壓力場，并能使應力集中區(qū)向煤體深部移動，在煤體淺部前方形成較長的卸壓帶；②液態(tài)二氧化碳相變和高能氣體瞬間膨脹不但能使煤體破裂產(chǎn)生大量裂隙，還能使煤體內(nèi)被填充或壓實的裂隙重新被打開，從而提高煤層滲透性，為游離狀態(tài)的瓦斯流動提供高效的運移通道，以達到提高瓦斯抽采效果的目的。

圖1 氣相壓裂增透技術示意Fig.1 Schematic diagram of gas phase fracturing anti-reflection technology

二氧化碳相變致裂增透技術原理如下：二氧化碳在溫度低于31 ℃或壓力大于7.35 MPa時以液態(tài)存在，而溫度超過31 ℃時開始汽化，且隨溫度的變化壓力也不斷變化。利用二氧化碳這一特點，在爆破器主管內(nèi)充裝液態(tài)二氧化碳，使用發(fā)爆器快速激發(fā)加熱裝置，液態(tài)二氧化碳瞬間汽化膨脹并產(chǎn)生高壓，體積膨脹600倍以上，當壓力達到爆破片極限強度(可設定壓力)時，定壓剪切片破斷，高壓氣體從放氣頭釋放，作用在煤(巖)體上，從而達到爆破致裂的目的。

2 低滲煤層氣相壓裂增透技術

2.1 低滲煤層氣相壓裂增透裝備系統(tǒng)

低滲煤層氣相壓裂增透裝備系統(tǒng)包括二氧化碳壓裂器、二氧化碳灌裝設備及其他附屬裝置等。二氧化碳壓裂器(圖2)由主管、充排氣電極閥、泄能閥、化學熱反應裝置、切割圈、密封墊、止飛機構等組成[6]。

圖2 二氧化碳壓裂器Fig.2 Carbon dioxide fracturing device

二氧化碳灌裝設備包括加壓泵、空氣壓縮機、液態(tài)二氧化碳儲存罐、液態(tài)二氧化碳充填平臺等[7]；其他附屬裝置包括封孔器、增壓泵、引線、發(fā)爆器等；其中消耗材料主要有化學熱反應裝置、剪切片及液態(tài)二氧化碳等。

2.2 低滲煤層氣相壓裂增透工藝流程

煤層氣相壓裂增透工藝流程如圖3所示。首先，進行壓裂器組裝，將液態(tài)CO2注入壓裂器內(nèi)腔，關閉注液閥；然后，在煤層中施工壓裂鉆孔，將注入液態(tài)CO2的壓裂器置于鉆孔內(nèi)，通過封孔器等裝置對壓裂器進行安裝并封孔[8](圖4)；最后，通過礦用發(fā)爆器引爆壓裂器使煤體致裂。

圖3 煤層氣相壓裂增透工藝流程Fig.3 Process flow of gas-phase fracturing for coal seam

圖4 煤層氣相壓裂鉆孔封孔示意Fig.4 Schematic diagram of hole sealing in coal seam gas phase fracturing drilling

壓裂器引爆的基本原理是礦用發(fā)爆器在充排氣電極閥上施加脈沖電流0.5～2.0 s，壓裂器中的化學熱反應材料迅速反應放熱，液態(tài)CO2溫度迅速升高；液態(tài)CO2汽化致使其壓力隨之加大，達到設定壓力時，定壓泄能片破裂，使得CO2氣體高速噴出，從而使其能夠在煤層裂隙中膨脹，導致煤層裂隙擴大、透氣性增強[9]。

3 掘進工作面氣相壓裂增透試驗

3.1 試驗區(qū)概況

夏店煤礦為山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司下屬的主力生產(chǎn)礦井之一，位于山西省襄垣縣境內(nèi)。礦井核定生產(chǎn)能力1.8 Mt/a，為高瓦斯礦井。主采3號煤層，透氣性系數(shù)為0.0288～0.0547m2/(MPa2·d)，屬于較難抽采煤層。

N101工作面為夏店煤礦北翼采區(qū)首采工作面，該工作面北面為實體煤，東面為3117放水巷，西面為實體煤，南面為北翼大巷。工作面切眼長度216 m，可采長度721 m，平均煤厚5.7 m，煤層平均埋深540 m，煤層底板標高+380～+430 m。N101回風巷斷面為矩形，巷道寬度5.0 m，高度3.2 m，設計長度657 m，巷道支護為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護。根據(jù)夏店煤礦測定結果，N101回風巷3號煤層瓦斯含量13 m3/t，瓦斯壓力1.2 MPa，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.081 1～0.252 5 d-1。預測N101回風巷掘進過程中瓦斯涌出量可達2.3 m3/min，瓦斯涌出量高，煤層透氣性低，鉆孔瓦斯流量衰減快，巷幫的超前預抽措施難以滿足巷道快速掘進的需要。

3.2 氣相壓裂增透效果考察方案及實施

巷幫邁步鉆場瓦斯抽采是夏店煤礦煤巷掘進工作面常用的瓦斯治理措施。由于N101回風巷瓦斯含量高、煤層透氣性低，瓦斯涌出量大，已有的瓦斯治理措施不能滿足巷道正常掘進的需要。為了實現(xiàn)N101回風巷的快速掘進，根據(jù)N101回風巷的基本情況，夏店煤礦制定了在N101回風巷掘進工作面實施二氧化碳氣相壓裂和在巷幫邁步鉆場進行瓦斯抽采的綜合瓦斯治理方案。

為了獲得氣相壓裂增透的效果，在N101回風巷掘進過程中將采用兩種瓦斯治理方案：①巷幫邁步鉆場瓦斯抽采；②掘進工作面二氧化碳氣相壓裂和巷幫邁步鉆場瓦斯抽采綜合治理瓦斯。

二氧化碳氣相壓裂綜合瓦斯治理方案為在掘進工作面施工1個壓裂鉆孔，在巷幫鉆場施工6個瓦斯抽采鉆孔。壓裂鉆孔具體參數(shù)見表1。氣相壓裂采用的壓裂桿為5130型，每個壓裂鉆孔采用20根壓裂桿，氣相壓裂鉆孔封孔深度15 m，封孔壓力6～10 MPa。

表1 氣相壓裂鉆孔參數(shù)Tab.1 Gas-phase fracturing drilling parameters

在掘進工作面巷幫采用雙側鉆場邊掘進邊抽采瓦斯(圖5)，鉆場寬4.0 m，深4.0 m，高3.2 m。同側鉆場間距80 m，異側相鄰鉆場間距40 m。每個鉆場正頭布置2排鉆孔，共計6個，鉆孔孔徑113 mm，封孔深度16 m，分別距底板1.8 m和1.3 m，孔間距0.5 m。為保證瓦斯抽采效果，鉆孔傾角要根據(jù)煤層傾角變化進行適當調(diào)整。巷幫鉆場鉆孔布置參數(shù)見表2。

圖5 氣相壓裂孔及瓦斯抽采鉆孔布置示意Fig.5 Schematic diagram of gas-phase fracturing hole and gas drainage hole layout

根據(jù)鉆孔布置方案，在2018年5月—7月夏店煤礦掘進工作面進行了氣相壓裂增透效果考察試驗。試驗巷道長度為320 m，劃分為2個掘進循環(huán)。其中，氣相壓裂段長度160m為一個掘進循環(huán)，實施氣相壓裂增透2次；常規(guī)瓦斯抽采段長度160 m為一個掘進循環(huán)，只進行瓦斯巷幫鉆場瓦斯抽采。試驗過程中，將氣相壓裂段和常規(guī)瓦斯抽采段的巷幫預抽孔分別并網(wǎng)進行鉆孔瓦斯流量觀測；此外，巷道掘進過程中每隔20 m取樣進行瓦斯含量和鉆孔瓦斯解吸指標K1測試，以便進行效果分析。

表2 巷幫鉆場瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)Tab.2 Drilling layout parameter for gas drainage in the tunnel drilling field

3.3 氣相壓裂增透效果分析

氣相壓裂增透試驗完成后，從鉆孔瓦斯?jié)舛?、鉆孔瓦斯混合流量、鉆孔瓦斯純流量、煤層瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標等參數(shù)對氣相壓裂增透效果進行分析。鉆孔瓦斯?jié)舛入S巷道掘進長度變化規(guī)律如圖6所示。從圖6中可以看出，巷道掘進過程中，常規(guī)瓦斯抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛仍?0%～60%，而氣相壓裂后瓦斯抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛仍?0%以上，氣相壓裂后鉆孔瓦斯?jié)舛扔忻黠@的提升。

圖6 鉆孔瓦斯?jié)舛入S巷道掘進長度變化Fig.6 Gas concentration of the borehole changes with the length of the roadway

鉆孔瓦斯混合流量隨巷道掘進長度變化如圖7所示。鉆孔瓦斯純流量隨巷道掘進長度變化如圖8所示。從圖7和圖8中可以看出，在巷道掘進過程中，常規(guī)瓦斯抽采和氣相壓裂的鉆孔瓦斯混合流量、瓦斯純量差異明顯，氣相壓裂后鉆孔瓦斯混合流量和鉆孔瓦斯純量均獲得了較大的提升。這說明氣相壓裂措施對抽采鉆孔周圍的煤體產(chǎn)生了明顯影響。

圖7 鉆孔瓦斯混合流量隨巷道掘進長度變化Fig.7 Mixed flow of gas in borehole changes with the length of roadway

圖8 鉆孔瓦斯純流量隨巷道掘進長度變化Fig.8 Pure gas flow rate of borehole varies with the length of roadway

此外，在巷道掘進過程中，隨著抽采鉆孔數(shù)量的增多，鉆孔瓦斯混合流量和瓦斯純量的變化呈現(xiàn)階梯狀的分布特征；并且在每個小掘進循環(huán)中，氣相壓裂后鉆孔瓦斯混合流量和瓦斯純量的下降趨勢要明顯一些，但是絕對值仍然比常規(guī)瓦斯抽采要高得多。

煤層瓦斯含量隨巷道掘進長度變化如圖9所示。鉆屑瓦斯解吸指標K1值隨巷道掘進長度變化如圖10所示。

圖9 煤層瓦斯含量隨巷道掘進長度變化Fig.9 Coal seam gas content changes with length of roadway

圖10 鉆屑瓦斯解吸指標K1值隨巷道掘進長度變化Fig.10 Value of K1 of the drilling cuttings gas desorption index varies with the length of the roadway

從圖9和圖10可以看出，氣相壓裂增透措施執(zhí)行后，經(jīng)過巷幫鉆場鉆孔瓦斯抽采，煤層煤層瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標K1值有了明顯下降。

氣相壓裂與常規(guī)瓦斯抽采措施瓦斯參數(shù)測定結果統(tǒng)計見表3。從表3中可以看出，實施氣相壓裂措施后，瓦斯抽采鉆孔的濃度、混合流量和純量均有不同程度的提高，瓦斯抽采濃度是未進行氣相壓裂的1.62倍，混合流量是未進行氣相壓裂的3.14倍，純量是未進行氣相壓裂的5.12倍；而從抽采效果上來看，實施氣相壓裂措施后，煤層瓦斯含量減少了2.04 m3/t，鉆屑瓦斯解吸指標K1值減少了0.12 mL/(g·min0.5)；氣相壓裂后煤層滲透率增大，煤層瓦斯抽采效果提升明顯。

表3 氣相壓裂與常規(guī)瓦斯抽采措施瓦斯參數(shù)測定結果統(tǒng)計Tab.3 Statistics of gas parameter measurement results of gas phase fracturing and conventional gas drainage measures

氣相壓裂增透試驗完成后，根據(jù)試驗結果，夏店煤礦完善了氣相壓裂增透工藝，制定了巷道掘進氣相壓裂方案，提出了氣相壓裂增透施工安全技術措施。2018年5月，在夏店煤礦N101回風巷、N101運輸巷和N101切眼3條巷道掘進過程中實施了氣相壓裂增透措施，共實施氣相壓裂19次，起爆壓裂桿345根。

通過分析瓦斯監(jiān)控數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氣相壓裂措施對巷道的瓦斯涌出產(chǎn)生如下影響：①降低了巷道瓦斯涌出濃度。在巷道掘進期間，氣相壓裂前回風流平均瓦斯?jié)舛扰c最低瓦斯?jié)舛确謩e為0.36%、0.32%，壓裂后分別為0.28%、0.25%，分別下降了0.08%和0.07%。②促進了巷道瓦斯均衡涌出。氣相壓裂后，掘進時工作面瓦斯傳感器峰值從0.65%降至0.50%，支護檢修時瓦斯峰值從0.18%升至0.22%。這說明CO2氣相壓裂促使煤層透氣性增加，在掘進和支護期間煤層瓦斯釋放量趨于均衡。③提升了巷幫鉆場瓦斯抽采效果。在CO2氣相壓裂瞬間，回風流瓦斯?jié)舛壬仙?.10%，一般持續(xù)5～8 s；在壓裂完畢后，巷幫鉆場瓦斯抽采濃度、混合流量明顯增加，整體抽采量有明顯提升。掘進面煤體基本參數(shù)測定也表明，壓裂前后煤體的瓦斯含量及鉆屑解吸指標K1均有明顯下降，其中含量下降2 m3/t，K1值下降0.12 mL/(g·min0.5)左右。④加快了巷道的掘進速度。N101回風巷、N101運輸巷和N101切眼3條巷道掘進工效表明，實施CO2壓裂后單日進尺從4.0 m提升至5.5 m，極大地緩解了工作面接替緊張局面，保障了工作面的安全高效開采。

4 結論

(1)液態(tài)二氧化碳相變和高能氣體急劇膨脹瞬間作用于煤層，使煤體松動破裂，是低滲煤層氣相壓裂增透的機理。

(2)氣相壓裂增透技術具有降低巷道瓦斯涌出濃度、促進巷道瓦斯均衡涌出、提升巷幫鉆場瓦斯抽采效果和加快巷道掘進速度等多重作用。

(3)實施氣相壓裂措施后，抽采時間內(nèi)瓦斯抽采純量是未進行氣相壓裂的5.12倍，巷道掘進平均單日進尺從4.0 m提升至5.5 m，巷道掘進速度提升顯著，緩解了工作面接替緊張局面，保障了工作面的安全高效開采。