鷂子巖隧道低透氣性煤層水力壓裂增透施工技術(shù)

劉 盛 何 泉 劉石磊

(1.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121； 2.中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

鷂子巖隧道位于重慶市北碚區(qū)境內(nèi)，為正線雙線鐵路隧道，起訖里程DK150+570～DK155+352，中心里程DK152+961，最大埋深330 m，全長4 782 m，線路高程261.29 m～284.43 m。為滿足工期、施工排水、運營排水、施工通風(fēng)需求，本隧采取“出口+平導(dǎo)”輔助坑道方案，平導(dǎo)位于左線線路中線右側(cè)35 m，為無軌運輸平導(dǎo)，坑底較對應(yīng)里程正洞軌面低3 m，全長3 154 m，里程為PDK152+200～PDK155+354。隧道洞身穿越煤系地層、采空區(qū)及可巖溶，隧道于DK153+290與觀音峽核部正交，并于DK153+400與白廟子斷層大角度相交，夾角約75°。全隧共設(shè)置進(jìn)、出口兩個工區(qū)組織施工，進(jìn)口工區(qū)負(fù)責(zé)進(jìn)口段正洞，為低瓦斯工區(qū)；出口工區(qū)負(fù)責(zé)平導(dǎo)及正洞施工，為瓦斯突出工區(qū)。

1 隧道煤與瓦斯簡介

根據(jù)設(shè)計地勘資料，鷂子巖隧道正洞于DK153+205～DK153+470，平導(dǎo)PDK153+220～DK153+480段穿越龍?zhí)督M第3段K8，K9煤層，煤層附近分布觀音峽背斜與白廟子逆斷層，由于背斜與斷層的影響，煤層段施工難度極大。

2019年8月平導(dǎo)施工至PDK153+374里程后，布設(shè)13孔 地質(zhì)鉆孔對煤層瓦斯情況進(jìn)行預(yù)測，鉆孔實施過程中孔口瓦斯?jié)舛?00%，硫化氫濃度500+ppm(超量程)，且存在噴孔現(xiàn)象，最大噴孔長度達(dá)5 m，持續(xù)時間較長。通過地質(zhì)鉆孔最終確定實際煤層厚度K8煤層為3.5 m，K9上煤層為0.5 m，K9下煤層為0.5 m，具體煤層分布情況如圖1所示。經(jīng)對K8，K9煤層的煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯透氣性系數(shù)進(jìn)行了測定，具體參數(shù)見表1～表3。

表1 煤層瓦斯壓力測定參數(shù)表 MPa

表2 煤層瓦斯含量測定參數(shù)表 m3/t

根據(jù)2019版《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，實測的K8，K9煤層的瓦斯壓力P>0.74 MPa、噸煤瓦斯含量W0>8 m3/t，區(qū)域預(yù)測K8，K9煤層為突出危險區(qū)。最終測定的煤層透氣性系數(shù)均小于0.1 m2/MPa2d，K8，K9煤層均屬于較難抽放煤層。結(jié)合煤礦水力壓裂增透處理的經(jīng)驗，在距離煤層法向距離20 m位置對K8，K9煤層實施水力壓裂增透處理措施。

2 水力壓裂增透技術(shù)措施

根據(jù)現(xiàn)有資料，K8，K9煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高，低透氣性，本隧道采用穿層鉆孔煤層水力壓裂增透技術(shù)壓裂K8，K9煤層，用高壓水泵向鉆孔內(nèi)煤層注入高壓水，水力壓裂煤體，以增強煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果，縮短瓦斯抽采時間。

2.1 水力壓裂增透實施地點

平導(dǎo)上臺階施工至距離K9(右上)煤層法向距離20 m，即在PDK153+355處進(jìn)行；正洞施工至距離K9(右上)煤層法向距離20 m處進(jìn)行，即在DK153+355處進(jìn)行。

2.2 水力壓裂增透措施鉆孔布置

1)平導(dǎo)煤層水力壓裂措施鉆孔布置：在平導(dǎo)PDK153+355處共布置7個鉆孔，鉆孔孔徑為φ89；P1號壓裂孔穿過K8煤層左側(cè)并封孔，P2號壓裂孔穿過K8煤層并封孔，P3號壓裂孔穿過K8煤層右側(cè)并封孔，壓裂K8煤層；P4號壓裂孔穿過K9右上煤層并封孔，壓裂K9右上煤層；P5號壓裂孔穿過K9右下煤層并封孔，壓裂K9右下煤層；P6號壓裂孔穿過K9左上煤層并封孔，壓裂K9左上煤層；P7號壓裂孔穿過K9左下煤層并封孔，壓裂K9左下煤層。平導(dǎo)壓裂鉆孔布置示意圖見圖2。

2)正洞煤層水力壓裂措施鉆孔布置：在正洞抽采硐室內(nèi)DK153+355處共布置7個鉆孔，鉆孔孔徑為φ89；1號壓裂孔穿過K8煤層左側(cè)并封孔，2號壓裂孔穿過K8煤層并封孔，3號壓裂孔穿過K8煤層右側(cè)并封孔，壓裂K8煤層；4號壓裂孔穿過K9右上煤層并封孔，壓裂K9右上煤層；5號壓裂孔穿過K9右下煤層并封孔，壓裂K9右下煤層；6號壓裂孔穿過K9左上煤層并封孔，壓裂K9左上煤層；7號壓裂孔穿過K9左下煤層并封孔，壓裂K9左下煤層。正洞壓裂鉆孔布置詳見圖3(正洞水力壓裂孔布置圖)。

2.3 壓裂設(shè)備及附件配件

壓裂設(shè)備及附件包括壓裂泵、水箱、壓裂管及儀器儀表等，壓裂系統(tǒng)示意圖見圖4，壓裂設(shè)備及附件基本配置表見表4。

表4 壓裂設(shè)備及附件基本配置表

1)高壓泵選型。

設(shè)計采用水泵選用3ZSBG220/42-55型煤礦專用泵，額定流量200 L/min，額定排出壓力42 MPa，配套電動機功率250 kW。配備相匹配的控制箱等。

高壓泵選用具有顯示與記錄壓力、流量、泵溫等參數(shù)及智能保護(hù)的功能。具有自動和手動操作及遠(yuǎn)程控制功能。

2)水箱。

水箱容量不小于3 m3。

3)壓裂管件。

壓裂孔外壓裂管路選用φ32高壓纏絲管配合相應(yīng)的快速接頭連接而成；孔內(nèi)壓裂管前10 m選用DN25×13的無縫鋼管，剩余孔段選用DN25×8.5的無縫鋼管，兩種規(guī)格無縫鋼管采用變徑管組成；孔內(nèi)與孔外的壓裂管采用孔口連接座連接成整個壓裂管路。

2.4 壓裂參數(shù)及壓裂方式

1)壓裂參數(shù)。

根據(jù)壓裂煤層物理性質(zhì)及平導(dǎo)埋深計算等情況綜合考慮，壓裂壓力選擇為35 MPa～40 MPa；注水量選為50 m3/h～60 m3/h(預(yù)計)；壓裂方式為高壓注水。根據(jù)煤層埋深計算需要壓裂水壓。水力壓裂注水壓力根據(jù)試驗地點地應(yīng)力和瓦斯壓力計算。

計算公式：PB=σZ-P0+S。

其中，PB為煤層破裂壓力；σZ為煤層垂直地應(yīng)力；P0為煤層的孔隙壓力；S為煤層的抗張強度。

初步確定為煤體注水壓力為30 MPa～35 MPa，壓裂時應(yīng)大于該壓力。

經(jīng)計算確定壓裂壓力為35 MPa，壓裂時應(yīng)大于該壓力；壓入水量為60 m3/h；壓入水量應(yīng)大于該水量。

2)壓裂方式。

首先進(jìn)行試壓，試壓壓力必須達(dá)到泵的額定壓力，且保持該壓力運行時間不少于10 min。

其次進(jìn)行壓裂，壓裂過程中實施監(jiān)測泵組運行狀況，記錄壓力和流量數(shù)據(jù)，壓裂過程中連續(xù)觀測壓裂影響區(qū)域的瓦斯變化情況，壓裂結(jié)束后保壓時間不能少于1 h。

最后進(jìn)行返排，返排過程中實時監(jiān)測瓦斯排放情況，巷道瓦斯?jié)舛瘸藁蚺欧帕窟_(dá)到0.5 m3/min，立即停止返排或?qū)⒐艿澜尤霘馑蛛x器(見圖5)。

2.5 壓裂孔封孔

鉆孔孔口約1 m孔段采用人工封孔，封孔材料為馬麗散或黃泥+木楔等。其余孔段采用水泥砂漿進(jìn)行有效封孔，封孔材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥、白水泥和水(比例=3.5∶1∶4)進(jìn)行封孔，水泥砂漿的抗壓強度不小于50 MPa，壓裂孔，封孔長度應(yīng)根據(jù)壓裂鉆孔的長度進(jìn)行確定，具體為鉆孔封孔至K9右上煤層頂板鈣質(zhì)頁巖與灰?guī)r交界面或直接封至煤巖交接面。壓裂鉆孔封孔示意圖見圖6。

3 壓裂增透效果分析

1)透氣性分析。

透氣性系數(shù)是水力壓裂增透效果的重要參數(shù)，鷂子巖隧道K8，K9煤層實施完成水力壓裂措施后，對瓦斯透氣性系數(shù)進(jìn)行分析測定，測定結(jié)果如表5所示。

表5 瓦斯透氣性系數(shù)測定參數(shù)表 m2/MPa2d

表5與表3進(jìn)行對比分析，經(jīng)過水力壓裂后的煤層透氣性系數(shù)值提高了20倍～40倍，表明了利用水力壓裂能有效增透煤層。

2)瓦斯抽采分析。

鷂子巖隧道控制范圍內(nèi)總抽采瓦斯量為88 384.4 m3，采用鉆孔機械抽排瓦斯方法，在實施過程中對瓦斯抽采量及平均濃度進(jìn)行對比分析，分析情況如表6所示。

表6 鉆孔抽采數(shù)據(jù)分析

如表6所述，采取水力壓裂增透措施后，每天的瓦斯抽采量提高約3倍，平均瓦斯抽采濃度同時有所提高，且節(jié)約工期約5.5個月。

4 結(jié)語

鷂子巖隧道結(jié)合煤礦水力壓裂增透施工技術(shù)的經(jīng)驗，同時又結(jié)合了隧道開挖斷面大的特點。實踐證明采取這種水力壓裂增透技術(shù)能夠有效增透煤層，提高煤層瓦斯抽采效率，縮短煤層瓦斯抽采時間。