復(fù)雜低滲高瓦斯煤層CO2 氣相壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)研究

李建雄 LI Jian-xiong

（山西華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，臨汾 042100）

0 引言

煤與瓦斯突出是煤炭生產(chǎn)的最大威脅，近幾年事故頻發(fā)。據(jù)國家礦山安監(jiān)局2022 年初文件顯示，近兩年在山西、貴州、河南等省份發(fā)生了多起煤與瓦斯突出事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。造成我國瓦斯災(zāi)害頻發(fā)的主要原因：第一是我國煤田地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，構(gòu)造煤發(fā)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(yīng)力增加，瓦斯壓力更大、含量持續(xù)升高[3，4]。

瓦斯高效抽采是治理瓦斯災(zāi)害的根本性技術(shù)措施[5]。國內(nèi)外現(xiàn)階段的瓦斯治理技術(shù)，目前規(guī)?；瘧?yīng)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(guān)鍵瓶頸技術(shù)難題有兩個(gè)：第一是煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成瓦斯抽采技術(shù)的復(fù)雜性。煤層頂板下4m 處的夾矸將煤層分化為兩個(gè)儲(chǔ)層系統(tǒng)，上、下分層瓦斯垂向運(yùn)移受阻，使常規(guī)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(guī)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(shí)施有效的強(qiáng)化造縫、增透卸壓技術(shù)，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(shù)瓶頸難題，創(chuàng)新性地在2201 首采工作面開展CO2氣相壓裂強(qiáng)化造縫、增透防突掘進(jìn)技術(shù)研究和工業(yè)性試驗(yàn)，對(duì)比分析現(xiàn)場試驗(yàn)的瓦斯抽采參數(shù)和煤巷掘進(jìn)速度，形成適配于吉寧礦CO2氣相壓裂強(qiáng)化增透、高效瓦斯治理的技術(shù)模式。

1 工作面瓦斯地質(zhì)概況

山西華晉吉寧煤礦位于山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣，主要開采2 號(hào)煤層，瓦斯含量8～10.52m3/t，煤層實(shí)測透氣性系數(shù)為0.023m2/MPa2·d，煤層堅(jiān)固性系數(shù)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(qū)右翼，底板標(biāo)高136～214m，地面標(biāo)高495～745m，2201 工作面掘進(jìn)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(nèi)2#煤層節(jié)理發(fā)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(qū)域內(nèi)無河流沖刷帶影響，屬穩(wěn)定煤層。

2 CO2 氣相壓裂技術(shù)

2.1 CO2 氣相壓裂技術(shù)原理

CO2氣相壓裂裝置由充氣閥、加熱器、儲(chǔ)液管、液態(tài)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(shù)主要通過沖擊射流的動(dòng)態(tài)和高壓CO2氣體準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用煤層，達(dá)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(dòng)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(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)絡(luò)，在孔裂隙尖端形成“楔開”效應(yīng)，產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)其破壞強(qiáng)度大于煤體的抗拉強(qiáng)度（0.5～1.5MPa）時(shí)，裂隙尖端形成損傷區(qū)域而失穩(wěn)破壞；微觀尺度上，煤巖致裂后，小尺度孔裂隙向大尺度轉(zhuǎn)化，高壓多相脈沖射流在煤基質(zhì)形成大量的以沖蝕坑為中心形成的“三翼”狀裂隙，產(chǎn)生大量新生的微裂縫，沿主裂縫逐級(jí)發(fā)育為復(fù)雜的分支裂隙。從宏觀到微觀，CO2壓裂技術(shù)在煤層中形成復(fù)雜縫網(wǎng)，具有卸壓和增滲的雙重效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力場和瓦斯壓力場的雙重降低和均化，形成以裂縫網(wǎng)絡(luò)為主體的新生應(yīng)力場和瓦斯壓力場，最終實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采的目標(biāo)。（圖2）

圖2 氣相壓裂多簇密集造縫示意圖

2.2 掘進(jìn)工作面CO2 氣相壓裂技術(shù)方案

為提高瓦斯治理和掘進(jìn)效率，項(xiàng)目組采用新型、深鉆孔多級(jí)CO2氣相壓裂技術(shù)在2201 掘進(jìn)工作面實(shí)施強(qiáng)化增透措施。依據(jù)煤體堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯含量、透氣性系數(shù)和氣相壓裂技術(shù)增透原理，技術(shù)方案設(shè)計(jì)思路為：以煤層的夾矸為界線，分別在上下分煤層實(shí)施氣相壓裂鉆孔，氣相壓裂裝置選用C74 型號(hào)，爆破壓力185MPa，設(shè)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(shí)間，增加數(shù)個(gè)輔助抽采鉆孔，鉆孔布置見圖3。圖中設(shè)計(jì)壓裂鉆孔10 個(gè)，輔助抽采鉆孔12 個(gè)，合計(jì)22 個(gè)鉆孔，鉆孔孔深為100m，孔徑Φ105mm。其中，壓裂鉆孔分別布設(shè)在工作面迎頭6 個(gè)，左右鉆場各2 個(gè)。

圖3 2201 掘進(jìn)工作面瓦斯治理方案

現(xiàn)場技術(shù)方案實(shí)施時(shí)，需要遵循先進(jìn)行壓裂鉆孔施工，后補(bǔ)打輔助抽采鉆孔原則，具體實(shí)施步驟：

①鉆孔成孔后，及時(shí)將CO2氣相壓裂裝置逐一連接，并使用鉆機(jī)推進(jìn)鉆孔內(nèi)，推進(jìn)完畢后壓裂孔內(nèi)剖面，見圖4。

圖4 壓裂孔內(nèi)剖面圖

②采用鉆桿將壓裂設(shè)備和兩個(gè)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(dá)到10MPa 時(shí)，停止注水，關(guān)閉壓力截止閥。

③使用鉆機(jī)固定最末端的鉆桿，連接好線路，拉信號(hào)線到安全區(qū)域，撤人設(shè)警戒，啟動(dòng)壓裂設(shè)備。

④30 分鐘后檢查工作面情況，確認(rèn)無異常進(jìn)入工作面，將壓裂設(shè)備用鉆機(jī)拉出鉆孔。設(shè)備完全拉出后，及時(shí)封孔連抽。

⑤按照上述步驟所有壓裂工作結(jié)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(nèi)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(duì)比參數(shù)分布規(guī)律。由圖可知，與前期工作面鉆孔的抽采數(shù)據(jù)相比，實(shí)施氣相壓裂技術(shù)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(duì)比

3.2 與條件預(yù)抽措施瓦斯抽采效果對(duì)比

為進(jìn)一步分析CO2氣相壓裂增透效果，對(duì)比分析掘進(jìn)工作面里程740m 條帶預(yù)抽增透防突技術(shù)措施的瓦斯抽采參數(shù)，其鉆孔布設(shè)方案為迎頭鉆孔控制巷道輪廓線外5m，共布置15 個(gè)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(nèi)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(gè)鉆孔，鉆孔深度135m，鉆孔孔徑105mm。兩循環(huán)的瓦斯治理效果對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 氣相壓裂與條帶預(yù)抽增透措施的瓦斯治理效果對(duì)比

由表1 可知，2201 掘進(jìn)工作面在采取CO2氣相壓裂技術(shù)后，瓦斯抽采效率明顯提升，進(jìn)而提高巷道掘進(jìn)效率。與條帶預(yù)抽方案相比：①壓裂方案鉆孔數(shù)量減少11 個(gè)，總進(jìn)尺減少2255m，減少了50%，節(jié)約鉆孔施工工程量，降低打鉆費(fèi)用。②鉆孔的百米瓦斯抽采純流量均呈現(xiàn)增大的規(guī)律，由0.023～0.026m3/min 提高至0.049～0.055m3/min，最大提升倍數(shù)為2.13。③抽采時(shí)間縮短47 天，減少了78%；掘進(jìn)速度提高，月進(jìn)尺由原來36m 提高至80m，提高了2.22 倍。

4 結(jié)論

①針對(duì)吉寧礦2#煤層高含量、低透氣性、多分層、多夾矸發(fā)育及采前難抽、采中涌出量大的復(fù)雜地質(zhì)特點(diǎn)，形成適配于該礦區(qū)的185MPa 高壓力、大容量的CO2氣相壓裂強(qiáng)化造縫、增透防突關(guān)鍵技術(shù)。②掘進(jìn)工作面實(shí)施氣相壓裂技術(shù)后，瓦斯抽采濃度和純流量均呈現(xiàn)大幅度的提升，提高了4.6～9.7 倍。③與前期條帶預(yù)抽防突技術(shù)措施相比，CO2氣相壓裂技術(shù)實(shí)施后，煤層瓦斯抽采純量提高了4.6～9.7 倍，抽采時(shí)間縮短47 天，月掘進(jìn)速度由原來36m提高至80m，提高了2.22 倍。