氣相壓裂技術在掘進巷道中的應用與研究

蘇 岳

(山西陽泉煤業(yè)集團 新景礦， 山西 陽泉 045008)

陽泉煤業(yè)集團新景礦是一座高瓦斯礦井，該礦開采的3#煤層具有突出危險性，為充分解決掘進巷道掘進期間瓦斯突出問題，持續(xù)在掘進工作面煤頭推廣水力造穴技術和機械擴孔技術?，F水力造穴技術能較好地解決煤層的透氣性問題，機械擴孔相較于水力造穴技術，施工速度快，經過機械擴孔后，掘進工作面掘進期間瓦斯治理效果基本和水力造穴效果相當。為了充分提高煤層透氣性，提升掘進工作面本煤層鉆孔的瓦斯抽采效果，引進CO2氣相壓裂技術，以降低掘進工作面瓦斯含量，確保安全生產。

1 試驗工作面概況

該礦3218掘進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輔助進風巷、回風巷設計1 392 m，輔助進風巷已掘1 070 m；回風巷已掘1 260 m，3218輔助進風巷為矩形斷面，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為1.15，單巷掘進工作面絕對瓦斯涌出量為1.45 m3/min.

試驗工作面所采3#煤層總體賦存穩(wěn)定，結構簡單，一般含1層夾石；煤層以鏡煤、亮煤為主，內生裂隙發(fā)育。本工作面煤層總厚2.19～2.79 m，平均厚度2.39 m；煤層結構為0.47(0.04)1.88；煤層傾角2°～9°，平均傾角5o；可采指數1；變異系數5.9%，儲存穩(wěn)定。

2 氣相壓裂原理

CO2氣相壓裂增透瓦斯治理技術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，化解可能存在的“瓦斯包”，使應力集中區(qū)向煤體深部移動，在迎頭前方造成較長的卸壓帶，均化壓力場、平衡應力場[1]；同時壓裂瞬間能使煤層產生大量裂隙，煤體內被填充或壓實的裂隙被重新打開，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題[3-4].

3 氣相壓裂鉆孔設計及施工情況

3.1 氣相壓裂及造穴鉆孔設計及施工方案

3218回風巷掘進工作面采用“5+2”造穴孔+CO2氣相壓裂措施?！?”是指5個造穴鉆孔，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?！?”是指2個氣相壓裂孔，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個造穴鉆孔，再施工2個氣相壓裂孔，壓裂設計深度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，造穴個數為68個，氣相壓裂鉆孔設計圖見圖1，本工作面順層鉆孔抽采系統(tǒng)見圖2.

圖1 氣相壓裂鉆孔設計圖

圖2 本煤層順層鉆孔抽采系統(tǒng)圖

3.2 氣相壓裂孔對周圍鉆孔的影響及分析

該設計中，為充分增透工作面煤層，鉆孔分布基本呈對稱布置，3#氣相壓裂鉆孔進一步作用于1#、2#孔，5#氣相壓裂鉆孔作用于6#、7#鉆孔。對氣相壓裂鉆孔選擇在8點班進行爆破，先對3#孔進行壓裂，同時及時統(tǒng)計壓裂后其他各孔的濃度，而5#孔壓裂時間較3#孔晚2 h；壓裂前后造穴孔濃度變化見圖3. 當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)計見表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；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#孔對周圍鉆孔的增透效果，首先對1#、2#孔抽采純量進行統(tǒng)計分析，并同未經過氣相壓裂作用的鉆孔進行對比，1#、2#孔單孔純量變化見圖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，在施工氣相壓裂鉆孔后，2#孔因距離氣相壓裂鉆孔較近，當日抽采純量增幅較大，結合2#孔打鉆過程中，有噴孔、斷電等瓦斯動力現象，因此基本可以確定2#孔處有瓦斯積聚包。根據CO2氣相壓裂原理，對距離較近的2#孔作用較明顯，CO2氣相壓裂技術有效提高了煤層透氣性，消除“瓦斯包”，而對于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#孔其衰減率相對較低。

4#孔抽采純量變化情況見圖5. 由圖5可知，當2020年3月16日進行氣相壓裂時，4#孔周圍瓦斯受到CO2擠壓，在受到兩次氣相壓裂影響時，其單孔濃度及抽采純量變化較快，結合4#孔在施工過程中，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圖6. 由圖6可知，當2020年3月16日施工氣相壓裂時，對6#孔影響較小，分析原因是由于施工過程中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7#孔在原基礎上，重新進行串桿，7#孔純量變化明顯增加，充分說明補孔對其有作用。同時，分析鉆孔衰減規(guī)律，6#孔抽采純量基本呈現正常衰減狀態(tài)，而7#孔仍然為正常衰減，因此應注意7#孔周圍瓦斯情況。

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工作面掘進期間回風巷瓦斯?jié)舛仍?%以下，增透效果對比圖見圖7. 由圖7可知，造穴增透措施區(qū)域進度在12～20 m時，掘進期間工作面瓦斯?jié)舛冗_到最大值為0.73%，20～60 m時明顯下降，平均值為0.55%，氣相壓裂增透區(qū)域進度在12～30 m時，掘進期間工作面瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.79%，30～60 m持續(xù)平穩(wěn)在0.75%左右，即將達到報警臨界值。

圖7 造穴增透與氣相壓裂增透效果對比圖

5 結論與思考

經過氣相壓裂后，預抽鉆孔瓦斯抽采達標時間較短，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。同時對比造穴增透技術，在相同的抽采時間內，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。通過對氣相壓裂鉆孔周圍鉆孔的純量分析，基本可確定在現有透氣性煤層中，氣相壓裂對普通鉆孔有增透作用，可有效降低掘進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，當負壓穩(wěn)定情況下，衰減率基本保持不變，針對1#、2#孔的瓦斯條件，在氣相壓裂設計中，根據氣相壓裂的作用半徑，可考慮只設計一個鉆孔；在4#孔設計中，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度孔；如遇到半煤半矸條件，需注意鉆孔周圍瓦斯情況，補孔設計可重點針對在有半煤半矸狀態(tài)下的工作面煤層中。