蘇 岳

(山西陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán) 新景礦， 山西 陽(yáng)泉 045008)

陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)新景礦是一座高瓦斯礦井，該礦開(kāi)采的3#煤層具有突出危險(xiǎn)性，為充分解決掘進(jìn)巷道掘進(jìn)期間瓦斯突出問(wèn)題，持續(xù)在掘進(jìn)工作面煤頭推廣水力造穴技術(shù)和機(jī)械擴(kuò)孔技術(shù)?，F(xiàn)水力造穴技術(shù)能較好地解決煤層的透氣性問(wèn)題，機(jī)械擴(kuò)孔相較于水力造穴技術(shù)，施工速度快，經(jīng)過(guò)機(jī)械擴(kuò)孔后，掘進(jìn)工作面掘進(jìn)期間瓦斯治理效果基本和水力造穴效果相當(dāng)。為了充分提高煤層透氣性，提升掘進(jìn)工作面本煤層鉆孔的瓦斯抽采效果，引進(jìn)CO2氣相壓裂技術(shù)，以降低掘進(jìn)工作面瓦斯含量，確保安全生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)工作面概況

該礦3218掘進(jìn)工作面位于其井下一采區(qū)北翼中部，東為3216工作面(正采)，南為3217工作面(正掘)，西為3220工作面(未掘)。3218輔助進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷設(shè)計(jì)1 392 m，輔助進(jìn)風(fēng)巷已掘1 070 m；回風(fēng)巷已掘1 260 m，3218輔助進(jìn)風(fēng)巷為矩形斷面，凈寬5.0 m，凈高2.8 m，凈斷面積14 m2. 最大瓦斯涌出量為3.33 m3/min，瓦斯涌出不均衡系數(shù)為1.15，單巷掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為1.45 m3/min.

試驗(yàn)工作面所采3#煤層總體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般含1層夾石；煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。本工作面煤層總厚2.19～2.79 m，平均厚度2.39 m；煤層結(jié)構(gòu)為0.47(0.04)1.88；煤層傾角2°～9°，平均傾角5o；可采指數(shù)1；變異系數(shù)5.9%，儲(chǔ)存穩(wěn)定。

2 氣相壓裂原理

CO2氣相壓裂增透瓦斯治理技術(shù)是在煤層中利用高能氣體瞬間作用于煤層間隙，使迎頭煤體松動(dòng)，化解可能存在的“瓦斯包”，使應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部移動(dòng)，在迎頭前方造成較長(zhǎng)的卸壓帶，均化壓力場(chǎng)、平衡應(yīng)力場(chǎng)[1]；同時(shí)壓裂瞬間能使煤層產(chǎn)生大量裂隙，煤體內(nèi)被填充或壓實(shí)的裂隙被重新打開(kāi)，從而提高煤層透氣性、滲透率[1-2]，促使大量吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，并為游離狀態(tài)的瓦斯提高釋放通道，提高瓦斯抽采效率，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，有效降低或者解決煤層中的瓦斯問(wèn)題[3-4].

3 氣相壓裂鉆孔設(shè)計(jì)及施工情況

3.1 氣相壓裂及造穴鉆孔設(shè)計(jì)及施工方案

3218回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面采用“5+2”造穴孔+CO2氣相壓裂措施?！?”是指5個(gè)造穴鉆孔，主孔深度80 m，造穴間距分別為孔口往里20～60 m段3 m，60～80 m段2 m，選用間替造穴。“2”是指2個(gè)氣相壓裂孔，孔深度80 m，壓裂段22～72 m，自由段8 m，封孔深度12 m. 工作面首先施工5個(gè)造穴鉆孔，再施工2個(gè)氣相壓裂孔，壓裂設(shè)計(jì)深度80 m，充分保證壓裂段22～72 m，而后距離為自由段，封孔深度12 m. 總工程量為562 m，造穴個(gè)數(shù)為68個(gè)，氣相壓裂鉆孔設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1，本工作面順層鉆孔抽采系統(tǒng)見(jiàn)圖2.

圖1 氣相壓裂鉆孔設(shè)計(jì)圖

圖2 本煤層順層鉆孔抽采系統(tǒng)圖

3.2 氣相壓裂孔對(duì)周?chē)@孔的影響及分析

該設(shè)計(jì)中，為充分增透工作面煤層，鉆孔分布基本呈對(duì)稱(chēng)布置，3#氣相壓裂鉆孔進(jìn)一步作用于1#、2#孔，5#氣相壓裂鉆孔作用于6#、7#鉆孔。對(duì)氣相壓裂鉆孔選擇在8點(diǎn)班進(jìn)行爆破，先對(duì)3#孔進(jìn)行壓裂，同時(shí)及時(shí)統(tǒng)計(jì)壓裂后其他各孔的濃度，而5#孔壓裂時(shí)間較3#孔晚2 h；壓裂前后造穴孔濃度變化見(jiàn)圖3. 當(dāng)3#孔氣相壓裂后，1#孔單孔瓦斯抽采濃度提高20%；6#孔瓦斯?jié)舛扔?0%提升至25%，2#孔瓦斯?jié)舛认陆?0%；4#孔瓦斯?jié)舛认陆?0%，7#孔瓦斯?jié)舛认陆?%. 5#孔氣相壓裂后，1#孔抽采濃度較3#孔壓裂后下降13%，與未壓裂前相比上升7%；2#孔抽采濃度較3#孔壓裂后上升5%，與未壓裂前相比下降15%；4#孔抽采濃度較3#孔壓裂后上升24%，與未壓裂前相比上升14%，6#孔抽采濃度較3#孔壓裂后下降3%，與未壓裂前相比上升2%；7#孔抽采濃度較3#孔壓裂后無(wú)變化，與未壓裂前相比下降2%.

圖3 壓裂前后造穴孔單孔濃度變化曲線圖

壓裂前后單孔抽采純量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1. 由圖3，表1可知，1#孔抽采純量較3#孔壓裂后下降幅度大，與未壓裂前相比略增大；2#孔抽采純量較3#孔壓裂后下降50%，與未壓裂前相比呈大幅下降趨勢(shì)；4#孔抽采純量較3#孔壓裂后增大1.2倍，與未壓裂前相比略增大；6#孔抽采純量較3#孔壓裂后增大3.5倍，與未壓裂前相比提升5.4倍；7#孔抽采純量較3#孔壓裂后增大5.5倍。

表1 壓裂前后單孔純量表

為探究3#孔對(duì)周?chē)@孔的增透效果，首先對(duì)1#、2#孔抽采純量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并同未經(jīng)過(guò)氣相壓裂作用的鉆孔進(jìn)行對(duì)比，1#、2#孔單孔純量變化見(jiàn)圖4.

圖4 1#、2#孔單孔純量變化圖

由圖4可知，在2020年3月16日未施工氣相壓裂鉆孔前，1#、2#孔已基本有衰減趨勢(shì)，在施工氣相壓裂鉆孔后，2#孔因距離氣相壓裂鉆孔較近，當(dāng)日抽采純量增幅較大，結(jié)合2#孔打鉆過(guò)程中，有噴孔、斷電等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，因此基本可以確定2#孔處有瓦斯積聚包。根據(jù)CO2氣相壓裂原理，對(duì)距離較近的2#孔作用較明顯，CO2氣相壓裂技術(shù)有效提高了煤層透氣性，消除“瓦斯包”，而對(duì)于1#孔，氣相壓裂使得瓦斯均勻釋放，讓1#孔抽采純量在自然衰減過(guò)程中逐漸上升。而參照未使用氣相壓裂鉆孔，1#、2#孔其衰減率相對(duì)較低。

4#孔抽采純量變化情況見(jiàn)圖5. 由圖5可知，當(dāng)2020年3月16日進(jìn)行氣相壓裂時(shí)，4#孔周?chē)咚故艿紺O2擠壓，在受到兩次氣相壓裂影響時(shí)，其單孔濃度及抽采純量變化較快，結(jié)合4#孔在施工過(guò)程中，40 m后為半煤半矸，初步判定此處瓦斯積聚不大。4#孔在氣相壓裂作用結(jié)束后，其衰減變化情況基本同1#、2#相同。

圖5 4#孔抽采純量變化圖

6#、7#孔抽采純量變化情況見(jiàn)圖6. 由圖6可知，當(dāng)2020年3月16日施工氣相壓裂時(shí)，對(duì)6#孔影響較小，分析原因是由于施工過(guò)程中6#、7#施工位置均處于半煤半矸狀態(tài)，氣相壓裂作用相較于煤層中的作用較弱，7#孔在進(jìn)行氣相壓裂后，其抽采純量變化不明顯。為了增大抽采純量，對(duì)7#孔在原基礎(chǔ)上，重新進(jìn)行串桿，7#孔純量變化明顯增加，充分說(shuō)明補(bǔ)孔對(duì)其有作用。同時(shí)，分析鉆孔衰減規(guī)律，6#孔抽采純量基本呈現(xiàn)正常衰減狀態(tài)，而7#孔仍然為正常衰減，因此應(yīng)注意7#孔周?chē)咚骨闆r。

圖6 6#、7#孔抽采純量變化圖

4 造穴效果分析

采用循環(huán)造穴增透與氣相壓裂增透后，3218工作面掘進(jìn)期間回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍?%以下，增透效果對(duì)比圖見(jiàn)圖7. 由圖7可知，造穴增透措施區(qū)域進(jìn)度在12～20 m時(shí)，掘進(jìn)期間工作面瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大值為0.73%，20～60 m時(shí)明顯下降，平均值為0.55%，氣相壓裂增透區(qū)域進(jìn)度在12～30 m時(shí)，掘進(jìn)期間工作面瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.79%，30～60 m持續(xù)平穩(wěn)在0.75%左右，即將達(dá)到報(bào)警臨界值。

圖7 造穴增透與氣相壓裂增透效果對(duì)比圖

5 結(jié)論與思考

經(jīng)過(guò)氣相壓裂后，預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間較短，抽采效率明顯提高，抽采流量提高1.27～2.91倍，氣相壓裂后鉆孔的瓦斯抽采量是壓裂前的1.56倍。同時(shí)對(duì)比造穴增透技術(shù)，在相同的抽采時(shí)間內(nèi)，氣相壓裂增透的單日平均抽采量1 986.11 m3，相比造穴增透1 196.61 m3,提高66.0%；氣相壓裂增透的抽采量變化率54.0%(2 632.3～1 211.90 m3)，是造穴增透43.5%(607.68～343.3 m3)的1.24倍。通過(guò)對(duì)氣相壓裂鉆孔周?chē)@孔的純量分析，基本可確定在現(xiàn)有透氣性煤層中，氣相壓裂對(duì)普通鉆孔有增透作用，可有效降低掘進(jìn)期間工作面掌頭瓦斯?jié)舛取?/p>

下一步工作中，分析1#、2#鉆孔，當(dāng)負(fù)壓穩(wěn)定情況下，衰減率基本保持不變，針對(duì)1#、2#孔的瓦斯條件，在氣相壓裂設(shè)計(jì)中，根據(jù)氣相壓裂的作用半徑，可考慮只設(shè)計(jì)一個(gè)鉆孔；在4#孔設(shè)計(jì)中，是否可考慮最后施工，或者將4#孔施工為壓裂作用下的最小長(zhǎng)度孔；如遇到半煤半矸條件，需注意鉆孔周?chē)咚骨闆r，補(bǔ)孔設(shè)計(jì)可重點(diǎn)針對(duì)在有半煤半矸狀態(tài)下的工作面煤層中。