田新亮

(潞安集團 通風處，山西 長治 046204)

1 技術簡介

CO2氣相壓裂卸壓增透技術是利用高能氣體瞬間作用于煤層，使煤體松動，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；壓裂瞬間能使煤體產(chǎn)生大量裂隙，煤體內(nèi)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，促使大量吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)；由于煤體對CO2的吸附能力大于CH4，壓裂后部分CH4氣體被置換出來，通過導通裂隙與釋放孔排至回風流，降低煤體瓦斯含量。

該技術利用迎頭超前探孔進行氣相壓裂卸壓增透，并在巷道兩幫邁步鉆場內(nèi)施工鉆孔，對迎頭前方煤層瓦斯進行抽采，氣相壓裂施工技術參數(shù)如表1所示，鉆孔布置如圖1所示。

表1 氣相壓裂施工技術參數(shù)

氣相壓裂技術的相關設備及連接順序如圖2所示，主要由壓裂桿、封孔器、推桿、引線、發(fā)爆器及加壓泵等組成。壓裂桿在壓裂孔內(nèi)安裝到位后，由發(fā)爆器進行遠程起爆，裝在壓裂桿內(nèi)的加熱器在低壓電流作用下反應，釋放熱能促使液態(tài)CO2瞬間轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，由壓裂桿的釋放頭釋放沖擊波，作用于鉆孔周圍煤體，達到卸壓、增透、促排的作用。

圖1 壓裂孔及護幫鉆孔布置(m)

圖2 氣相壓裂施工設備布置

2 應用地點概況

余吾煤業(yè)S2108膠帶巷在西翼膠帶大巷開口，沿3號煤層底板掘進，巷道平均坡度+3°，煤層厚度5.32～6.15 m，掘進過程實測煤層最大瓦斯含量為9.748 2 m3∕t，煤層普氏系數(shù)f=0.47。巷道設計長度為1 351 m，截止2015年2月5日，巷道累計掘進395 m，并從此時開始循環(huán)使用CO2氣相壓裂技術。

N1101膠帶巷在西翼膠帶大巷開口，沿3號煤層底板掘進，傾角為0～-5°，煤層厚度6.34 m，掘進過程實測煤層最大瓦斯含量為9.912 8 m3∕t，煤層普氏系數(shù)f=0.49。巷道設計長度為2 487 m，截止 2014年11月20日，巷道累計掘進385 m，并從此時開始循環(huán)使用CO2氣相壓裂技術。

N2103工作面膠帶巷沿3號煤底板掘進，傾角為-6～+5°，煤層厚度6.65 m，掘進過程實測煤層最大瓦斯含量為10.101 4 m3∕t，煤層普氏系數(shù)f=0.53。巷道設計長度為3 148 m，截止 2015年12月16日，巷道累計掘進2 115 m，并從此時開始循環(huán)使用CO2氣相壓裂技術。

3 應用效果分析

3.1 提高瓦斯涌出均勻性

CO2氣相壓裂能夠消除掘進前方可能存在的“瓦斯包”，使迎頭前方煤體瓦斯均勻分布并勻速涌出，減少工作面瓦斯涌出強度忽大忽小的現(xiàn)象，提高工作面瓦斯涌出的均勻性。

工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€能夠直觀地反映出一段時間內(nèi)工作面瓦斯涌出強度的變化情況，瓦斯涌出不均衡系數(shù)是表征工作面瓦斯涌出的不均勻性的物理量，故可通過對比分析氣相壓裂前后工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓闆r及瓦斯涌出不均衡系數(shù)，評價氣相壓裂效果。

3.1.1 回風流瓦斯?jié)舛茸兓€

S2108膠帶巷氣相壓裂前后各選取1個月回風流瓦斯?jié)舛茸兓€，分別如圖3、圖4所示。由圖可知，未采用氣相壓裂技術時，回風流瓦斯?jié)舛?天內(nèi)最大達0.52%，最小至0.18%，其變化幅度相對較大，且基本在0.2%以上；循環(huán)采用氣相壓裂技術后，瓦斯?jié)舛茸兓仍?.1%以內(nèi)，瓦斯?jié)舛茸兓认鄬p少了50%。

圖3 S2108膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂前)

圖4 S2108膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂后)

N1101膠帶巷氣相壓裂前后各選取1個月回風流瓦斯?jié)舛茸兓€，分別如圖5、圖6所示。由圖可知，未采用氣相壓裂技術時，回風流瓦斯?jié)舛?天內(nèi)最大達0.65%，最小至0.25%，其變化幅度相對較大，且基本在0.25%以上；循環(huán)采用氣相壓裂技術后，瓦斯?jié)舛茸兓然驹?.1%以內(nèi)，瓦斯?jié)舛茸兓认鄬p少了60%。

圖5 N1101膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂前)

圖6 N1101膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂后)

N2103膠帶巷氣相壓裂前后各選取1個月回風流瓦斯?jié)舛茸兓€，分別如圖7、圖8所示。由圖可知，未采用氣相壓裂技術時，回風流瓦斯?jié)舛?天內(nèi)最大達0.65%，最小至0.35%，其變化幅度相對較大，且基本在0.15%以上；循環(huán)采用氣相壓裂技術后，瓦斯?jié)舛茸兓然驹?.1%以內(nèi)，瓦斯?jié)舛茸兓认鄬p少了33%。

圖7 N2103膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(壓裂前)

圖8 N2103膠帶巷工作面回風流瓦斯?jié)舛茸兓€圖(壓裂后)

3.1.2 工作面瓦斯涌出不均衡性系數(shù)分析

S2108膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化曲線如圖9所示，由圖可知，未采用氣相壓裂技術時，工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)波動較大，且基本在1.65左右，整體相對較大；循環(huán)采用氣相壓裂技術后，涌出不均衡系數(shù)呈緩慢下降趨勢，并逐步穩(wěn)定到1.25左右，瓦斯涌出不均衡系數(shù)相對降低了24%。

圖9 S2108膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化

N1101膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化曲線如圖10所示，由圖可知，未采用氣相壓裂技術時，工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)波動較大，最大達2.7，平均為1.6，整體相對較大；循環(huán)采用氣相壓裂技術后，涌出不均衡系數(shù)呈緩慢下降趨勢，并逐步穩(wěn)定到1.35上下，瓦斯涌出不均衡系數(shù)相對降低了17%。

圖10 N1101膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化

N2103膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化曲線如圖11所示，由圖可知，未采用氣相壓裂技術時，工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)基本在1.35左右，部分時段急劇增大；循環(huán)采用氣相壓裂技術后，涌出不均衡系數(shù)呈緩慢下降趨勢，但下降的幅度相對較小，并逐步穩(wěn)定到1.2左右，瓦斯涌出不均衡系數(shù)相對降低了11%。

圖11 N2103膠帶巷工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)變化

迎頭CO2氣相壓裂一定程度上提高了工作面瓦斯涌出均勻性，S2108膠帶巷、N1101膠帶巷及N2103膠帶巷的回風流瓦斯?jié)舛茸兓葔毫褏^(qū)域較非壓裂區(qū)域分別減少了50%、60%、33%；瓦斯涌出不均衡系數(shù)壓裂區(qū)域較非壓裂區(qū)域分別降低了24%、17%、11%。

3.2 提高巷道掘進速度

在掘進工作面迎頭進行氣相壓裂后，會使迎頭煤體松動，煤體透氣性系數(shù)短時間內(nèi)大大增加，使得迎頭瓦斯在工作面迎頭不生產(chǎn)期間也得到充分快速釋放，從而降低迎頭煤體殘余瓦斯含量，緩解迎頭快速割煤期間瓦斯大量涌出而導致瓦斯預警的壓力，縮短單排割煤時間，提高掘進速度。

通過統(tǒng)計余吾煤業(yè)壓裂前后一段時間內(nèi)工作面掘進月進尺，計算平均日進尺來評價氣相壓裂對掘進速度的影響。然而工作面的掘進速度與諸多因素有關，如煤層原始瓦斯含量、生產(chǎn)組織、機械故障等，且眾多因素無法一一考究，現(xiàn)僅將掘進工作面迎頭超前探施工、檢修放假因素考慮在內(nèi)以計算月掘進平均速度，以輔助分析。

S2108膠帶巷工作面掘進情況：其中2014年11月至2015年1月工作面未采取壓裂措施，且未在迎頭施工超前探孔，2015年2月至11月開始采取迎頭超前探及氣相壓裂措施，平均日進尺及掘進速度逐月變化曲線如圖12所示。

圖12 S2108膠帶巷掘進月平均日進尺及掘進速度變化曲線

由圖12可知，非氣相壓裂區(qū)域和氣相壓裂區(qū)域相比較，平均日進尺及月掘進平均速度均呈上升趨勢。

N1101膠帶巷工作面逐月掘進情況：其中2014年7月至11月工作面未采取壓裂措施，且未在迎頭施工超前探孔，2014年12月至2015年11月開始采取迎頭超前探及氣相壓裂措施，平均日進尺及掘進速度逐月變化曲線如圖13所示。

圖13 N1101膠帶巷掘進月平均日進尺及掘進速度變化曲線

由圖13可知，非氣相壓裂區(qū)域和氣相壓裂區(qū)域相比較，雖然工作面受迎頭施工超前探及生產(chǎn)組織影響，平均日進尺呈減少趨勢，但工作面掘進速度整體上小幅度提升。

N2103膠帶巷工作面逐月掘進情況：其中2014年4月至12月工作面未采取壓裂措施，且未在迎頭施工超前探孔，2015年1月至11月開始采取迎頭超前探及氣相壓裂措施，期間生產(chǎn)組織不正常，平均日進尺及掘進速度逐月變化曲線如圖14所示。

圖14 N2103膠帶巷掘進月平均日進尺及掘進速度變化曲線

由圖14可知，非氣相壓裂區(qū)域和氣相壓裂區(qū)域相比較，工作面受區(qū)域瓦斯含量升高及迎頭施工超前探及生產(chǎn)組織影響，平均日進尺有所減少，但工作面掘進速度有小幅度提升，但掘進的安全性得到充分保障。

3.3 百米瓦斯預警次數(shù)

S2108膠帶巷、N1101膠帶巷、N2103膠帶巷氣相壓裂區(qū)域與非壓裂區(qū)域，巷道平均每掘進100 m的瓦斯預警次數(shù)對比分析，如圖15所示。

圖15 百米瓦斯預警次數(shù)對比分析

由圖15可知，非壓裂區(qū)域3個地點的百米瓦斯預警次數(shù)分別為0.81、0.6、0.57次，壓裂區(qū)域分別為0、0.08、0.73次，除N2103膠帶巷因掘進區(qū)域供風距離較長，巷道煤壁瓦斯涌出量增高而導致瓦斯預警次數(shù)約有增加外，其余兩地點瓦斯預警次數(shù)均明顯下降。

4 結(jié) 語

CO2氣相壓裂能夠在一定程度上提高工作面瓦斯涌出均勻性，減少瓦斯異常涌出，大幅度降低瓦斯預警次數(shù)，保障了掘進工作的安全開展。