楊百舸，張軍勝，令狐建設(shè)，曹運(yùn)興,3,4,5

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；2.華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉045000，3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層氣(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；4.河南省非常規(guī)能源與開(kāi)發(fā)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；5.河南理工大學(xué) 煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南焦作 454003)

煤炭是中國(guó)的主要能源，煤炭在保障中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的同時(shí)，也使煤炭的開(kāi)采條件不斷惡化，瓦斯災(zāi)害、特別是煤與瓦斯突出災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1]。盡管近10 年來(lái)這一災(zāi)害事故大幅度減少，但惡性事故依然發(fā)生，給礦工生命和煤礦安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，如2020 年6 月10 日發(fā)生在陜西韓城燎原煤礦的瓦斯突出事故，造成7 死2 傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1 666 萬(wàn)元。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在657 個(gè)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，煤與瓦斯突出礦井約占礦井總數(shù)的17.6%[2]。絕大多數(shù)突出煤層的透氣性差，煤層透氣性系數(shù)低，預(yù)抽瓦斯困難。煤層屬于難以抽采的礦井占49.2%，屬于容易抽采的僅占1.6%[3]。突出主要發(fā)生在掘進(jìn)工作面，實(shí)現(xiàn)突出煤層掘進(jìn)面的安全快速掘進(jìn)是一項(xiàng)重大技術(shù)難題。為實(shí)現(xiàn)這一目的，針對(duì)不同瓦斯地質(zhì)條件，國(guó)內(nèi)外研發(fā)應(yīng)用了多種瓦斯治理技術(shù)，如水力壓裂[4]、水力割縫[5]、水力沖孔[6]、深孔爆破[7]、鉆割抽一體化[8]、氣體驅(qū)替[9]、密集鉆孔[10]等，不同程度解決了瓦斯抽采和卸壓防突等技術(shù)難題。

山西新元煤炭有限責(zé)任公司(新元煤礦)位于山西省晉中市壽陽(yáng)縣境內(nèi)，開(kāi)采的山西組3 號(hào)煤層為低–特低透氣性突出煤層，瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜、瓦斯含量高、壓力大，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重。前期主要應(yīng)用密集鉆孔抽采技術(shù)解決突出工作面的防突掘進(jìn)，該技術(shù)在瓦斯地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的淺部效果較好，但在深部高瓦斯工作面效果十分有限。密集鉆孔抽采措施后，噴孔、夾鉆、煤炮等動(dòng)力現(xiàn)象仍然頻繁發(fā)生，掘進(jìn)期間瓦斯超限時(shí)常發(fā)生。一旦出現(xiàn)瓦斯超限，必須停止掘進(jìn)并采取局部抽采防突措施，往往需要半個(gè)月以上方可抽采達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重影響了煤巷掘進(jìn)速度和煤礦安全生產(chǎn)。

CO2氣相壓裂技術(shù)是一種液態(tài)CO2相變膨脹致裂技術(shù)，是通過(guò)快速加熱液態(tài)CO2，使其相變氣化膨脹的一種非炸藥爆破技術(shù)。1914 年，美國(guó)煤礦工程師發(fā)明該技術(shù)，在20 世紀(jì)30—50 年代成為高瓦斯煤礦的安全高效采煤技術(shù)。后來(lái)逐漸應(yīng)用于巖石開(kāi)采和工業(yè)清堵等。該技術(shù)1990 年在我國(guó)煤礦開(kāi)采領(lǐng)域進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓裂后煤巷瓦斯?jié)舛壬吆蛻?yīng)用于瓦斯治理的潛在可行性。此后，氣相壓裂技術(shù)在國(guó)內(nèi)多用于井下低滲難抽煤層瓦斯增透[11-12]和掘進(jìn)期間卸壓防突[13]，在煤層頂板弱化[14]、放頂煤輔助放頂[15]、地面井壓裂[16]等領(lǐng)域中也有所應(yīng)用。目前，氣相壓裂技術(shù)正在陽(yáng)泉礦區(qū)、潞安礦區(qū)等多個(gè)礦井的井下瓦斯治理領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。

為解決新元煤礦低–特低透氣性突出煤層的抽采防突掘進(jìn)這一技術(shù)難題，2015 年10 月以來(lái)，陽(yáng)煤集團(tuán)與河南理工大學(xué)合作，在陽(yáng)泉礦區(qū)新元煤礦開(kāi)發(fā)并規(guī)?；囼?yàn)了煤層CO2氣相壓裂高效抽采防突掘進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯高效抽采，有效降低煤層的突出危險(xiǎn)性，大幅度均化了風(fēng)流瓦斯?jié)舛群陀砍隽?，保障了連續(xù)掘進(jìn)生產(chǎn)，獲得良好的應(yīng)用效果。本文主要介紹該技術(shù)方法以及在新元煤礦的應(yīng)用成果，以期對(duì)全國(guó)類似瓦斯地質(zhì)條件煤層瓦斯治理有所裨益和借鑒。

1 CO2 氣相壓裂技術(shù)

CO2氣相壓裂設(shè)備主要由壓裂管、充氣閥、噴氣閥、加熱器、控壓剪切片組成(圖1)。壓裂管是高強(qiáng)度鋼管，兩端分別是與之密封連接的充氣閥和噴氣閥，通過(guò)墊圈進(jìn)行密封。壓裂管儲(chǔ)存液態(tài)CO2并內(nèi)置加熱器，噴氣閥端裝有控制釋放壓力的控壓剪切片。

圖1 CO2 氣相壓裂裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Sketch of CARDOX system

加熱器引發(fā)后釋放大量熱能，管中液態(tài)CO2受熱迅速轉(zhuǎn)換為高壓氣體，氣體壓力達(dá)到控制壓力時(shí)沖破剪切片，從噴氣閥噴出作用于煤層。氣相壓裂技術(shù)的核心機(jī)理是：在煤層中形成一定范圍的裂縫圈[17-18]，產(chǎn)生大量人工微裂隙并開(kāi)啟原有閉合裂隙，從而提高煤層透氣性[19-20]，提高瓦斯抽采效率，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，降低突出危險(xiǎn)性，為掘進(jìn)創(chuàng)造良好條件[21]。

與常規(guī)炸藥爆破相比，CO2爆破技術(shù)具有低頻長(zhǎng)波、低溫低壓等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。其次，該技術(shù)爆破振動(dòng)很小，僅為炸藥的1/20，對(duì)頂板支護(hù)和兩幫不造成破壞。更為重要的是，該技術(shù)不產(chǎn)生明火火焰或電火花，不會(huì)引起瓦斯爆炸，是高瓦斯煤礦的本質(zhì)安全爆破技術(shù)。正是由于CO2爆破的上述獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，它成為高瓦斯煤礦瓦斯治理和其他特殊工程的不可替代技術(shù)，應(yīng)用前景有待繼續(xù)開(kāi)拓。

2 研究區(qū)瓦斯地質(zhì)概況及瓦斯治理現(xiàn)狀

2.1 礦井瓦斯地質(zhì)概況

新元煤礦位于山西省沁水煤田北部邊緣，井田面積128.79 km2，設(shè)計(jì)年產(chǎn)能力為500 萬(wàn)t/a?，F(xiàn)階段主采山西組3 號(hào)煤層，厚度平均2.58 m，為大部可采的穩(wěn)定煤層，含0～3 層夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但局部有河流沖刷現(xiàn)象，3 號(hào)煤層頂?shù)装寮懊簩忧闆r如圖2 所示。

新元煤礦3 號(hào)煤層為煤與瓦斯突出煤層，具有瓦斯含量高、壓力大，透氣性差等綜合特征。在實(shí)施瓦斯治理措施后，巷道掘進(jìn)期間，噴孔、夾鉆、煤炮等動(dòng)力現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限(研究礦井規(guī)定為0.7%)現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，掘進(jìn)速度慢，嚴(yán)重制約了煤礦的采掘接替。

2.2 試驗(yàn)工作面瓦斯地質(zhì)特征

本次研究和試驗(yàn)在新元煤礦3 號(hào)煤層10 采區(qū)31002 工作面進(jìn)行。該工作面長(zhǎng)2 300 m，寬240 m。采用雙U 型通風(fēng)系統(tǒng)，即兩進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)，雙巷煤柱間距為20 m。試驗(yàn)巷道回風(fēng)與輔助進(jìn)風(fēng)巷均為矩形斷面，寬×高為5.3 m×2.8 m，工作面及巷道布置情況如圖3 所示。

圖3 新元煤礦3 號(hào)煤層31002 工作面工程平面圖Fig.3 Engineering plan of the working face 31002 of coal seam 3 in Xinyuan Coal Mine

31002 工作面位于區(qū)域單斜構(gòu)造上(S1 背斜)，地層走向近東西，向南傾斜，傾角1o～4o，平均2o，斷層較少，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。3 號(hào)煤厚度2.7～3.0 m，平均2.8 m，埋深482～504 m。煤巖類型以光亮型為主，層理明顯，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，煤層中上部賦存一區(qū)域上較為穩(wěn)定的構(gòu)造煤分層，一般0.2～0.3 m，局部變厚至1.5 m，堅(jiān)固性系數(shù)f值0.3～0.5。掘進(jìn)期間實(shí)測(cè)瓦斯含量12～15 m3/t，透氣性差，實(shí)測(cè)透氣性系數(shù)為0.017 m2/(MPa2·d)。

2.3 掘進(jìn)面密集鉆孔防突掘進(jìn)技術(shù)效果分析

31002 工作面掘進(jìn)初期采用密集鉆孔條帶狀強(qiáng)化抽采消突技術(shù)，主要措施是：

①在迎頭布置24 個(gè)60 m 鉆孔，覆蓋兩幫15 m安全范圍；

② 所有鉆孔封孔后接管聯(lián)網(wǎng)，負(fù)壓預(yù)抽2～3 周；

③測(cè)試抽采區(qū)瓦斯含量，評(píng)價(jià)抽采效果，抽采達(dá)標(biāo)后恢復(fù)掘進(jìn)；

④ 每天掘進(jìn)前再施工16 個(gè)卸壓鉆孔，孔深16 m；

⑤ 在左右和正前方施工3 個(gè)檢測(cè)孔，測(cè)試防突參數(shù)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值，如果K1<0.4，恢復(fù)掘進(jìn)。

如此循環(huán)掘進(jìn)。31002 工作面雙巷開(kāi)始掘進(jìn)后，瓦斯抽采效率低，上述密集鉆孔防突措施難以達(dá)到預(yù)期的防突效果，在每天掘進(jìn)前施工16 個(gè)卸壓孔時(shí)，頻繁出現(xiàn)噴孔、壓鉆、煤粉大、吸鉆等異常動(dòng)力情況，K1值仍然超標(biāo)，割煤時(shí)瓦斯?jié)舛燃眲≡龃笊踔脸霈F(xiàn)瓦斯超限，掘進(jìn)生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行。生產(chǎn)3 個(gè)多月進(jìn)尺150 m，月進(jìn)尺只有40～50 m。

對(duì)31002 工作面回風(fēng)巷2017 年7 月—10 月連續(xù)3 個(gè)循環(huán)防突掘進(jìn)實(shí)施情況和技術(shù)加以分析，掘進(jìn)階段位于回風(fēng)巷口以東50～200 m 段，每循環(huán)掘進(jìn)50 m。生產(chǎn)情況簡(jiǎn)述如下：

①回風(fēng)巷采取密集鉆孔預(yù)抽防突掘進(jìn)措施；

② 在掘進(jìn)巷道前方施工24 個(gè)60～70 m 長(zhǎng)的輔助瓦斯抽采鉆孔；

③全部鉆孔并網(wǎng)抽采(抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)；

表1 密集鉆孔防突掘進(jìn)技術(shù)抽采情況Table 1 Drainage situation using intensive drilling and anti-outburst tunneling technology

④ 檢測(cè)瓦斯含量小于8 m3/t，恢復(fù)掘進(jìn)，每天開(kāi)始掘進(jìn)前，先施工16 個(gè)16 m 卸壓鉆孔并檢測(cè)K1，若K1<0.4 時(shí)，允許掘進(jìn)6 m；K1≥0.4 時(shí)，補(bǔ)充12 個(gè)卸壓孔再進(jìn)行檢測(cè)；

⑤ 掘進(jìn)階段共計(jì)34 d，進(jìn)尺150 m，平均日進(jìn)尺4.41 m(三循環(huán)掘進(jìn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2)；

表2 密集鉆孔防突掘進(jìn)情況Table 2 Tunneling situation using intensive drilling and anti-outburst tunneling technology

⑥ 34 d 掘進(jìn)階段：K1值最大0.57，K1值超標(biāo)6次，超標(biāo)率17.6%，平均值0.35；施工卸壓鉆孔期間，共發(fā)生19 次動(dòng)力現(xiàn)象，6 次噴孔，13 次壓鉆；

⑦ 三循環(huán)掘進(jìn)期間，巷道風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.15%～0.77%，停止割煤期間為0.15%～0.25%，割煤時(shí)升高到0.30%～0.77%。其中，連續(xù)3 d 掘進(jìn)5 m時(shí)瓦斯涌出情況如圖4 所示，根據(jù)巷道風(fēng)量便可計(jì)算巷道絕對(duì)瓦斯涌出量。從圖中可以看出，波峰上升十分迅速，表現(xiàn)為瓦斯急劇上升與異常涌出。按照瓦斯體積分?jǐn)?shù)7%即為超限，7 月12 日—7 月14日僅僅3 d 內(nèi)，便發(fā)生2 次瓦斯超限；

圖4 新元煤礦3 層煤層31002 回風(fēng)巷道密集鉆孔防突掘進(jìn)技術(shù)風(fēng)流瓦斯?jié)舛菷ig.4 Methane concentration using intensive drilling and anti-outburst tunneling technology in backwind roadway 31002 of No.3 coal seam in Xinyuan Coal Mine

⑧ 整體循環(huán)用時(shí)分別為39、34、33 d，共計(jì)用時(shí)106 d，平均每循環(huán)用時(shí)35.3 d。

從抽采數(shù)據(jù)、瓦斯涌出、掘進(jìn)效果來(lái)看，密集鉆孔防突掘進(jìn)技術(shù)無(wú)法解決該區(qū)域瓦斯地質(zhì)條件下的安全掘進(jìn)生產(chǎn)，新的適配性高效防突掘進(jìn)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)十分必要和迫切。

3 CO2 氣相壓裂–抽采消突掘進(jìn)試驗(yàn)與效果考察

31002 回風(fēng)巷道于2018 年1 月復(fù)產(chǎn)?；謴?fù)掘進(jìn)后，采用CO2氣相壓裂技術(shù)作為局部防突措施的輔助手段。

3.1 試驗(yàn)技術(shù)方案與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.1.1 試驗(yàn)方案

①試驗(yàn)地點(diǎn)：31002 回風(fēng)200～350 m 段，實(shí)測(cè)瓦斯含量12 m3/t，分為3 個(gè)循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，每循環(huán)掘進(jìn)50 m。

② 試驗(yàn)時(shí)間：2018 年2 月24 日—5 月13 日。

③鉆孔參數(shù)：鉆頭直徑113 mm，鉆孔深度60 m，孔口封孔長(zhǎng)度15 m 左右，封孔壓力8 MPa。

④ CO2氣相壓裂參數(shù)：釋放壓力120 MPa，壓裂管20 根/鉆孔，壓裂鉆孔長(zhǎng)度為60 m。

⑤ 鉆孔布置與壓裂施工：采用11 孔(2+9)試驗(yàn)方案，其中2 個(gè)壓裂鉆孔，9 個(gè)瓦斯抽采鉆孔。鉆孔分上下兩排布置，上排6 個(gè)孔，下排5 個(gè)孔。2 個(gè)壓裂孔位于巷道兩邊并平行巷道方向正前方鉆進(jìn)成孔；9 個(gè)瓦斯抽采鉆孔呈輻射狀覆蓋巷道兩幫各15 m 范圍(鉆孔布置方法如圖5 所示) 。

圖5 31002 回風(fēng)巷道氣相壓裂方案Fig.5 CO2 gas-phase fracturing scheme of the backwind roadway 31002

⑥ 施工順序：先施工壓裂鉆孔，完成2 個(gè)鉆孔的氣相壓裂施工，再施工其他9 個(gè)瓦斯抽采鉆孔。

⑦ 接管抽采：所有11 個(gè)鉆孔施工完畢后，水泥封孔并網(wǎng)接抽5 d 左右，檢測(cè)掘進(jìn)前方瓦斯含量低于8 m3/t，恢復(fù)掘進(jìn)生產(chǎn)。

⑧ 局部卸壓和K1值檢驗(yàn)：掘進(jìn)前實(shí)施16 個(gè)16 m 深卸壓鉆孔，隨后施工3 個(gè)10 m 深K1值檢查孔，測(cè)試K1，K1<0.4 時(shí)恢復(fù)掘進(jìn)，記錄掘進(jìn)動(dòng)力現(xiàn)象。

⑨ 掘進(jìn)50 m 后，停止掘進(jìn)，進(jìn)入下一循環(huán)。

⑩ 施工安全措施：?jiǎn)?dòng)氣相壓裂前后，所有人員撤離施工影響區(qū)并設(shè)立安全警戒線，瓦檢員檢查施工區(qū)瓦斯情況，確認(rèn)施工安全。

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況簡(jiǎn)述如下：

①回風(fēng)巷采取氣相壓裂預(yù)抽防突掘進(jìn)措施；

② 在掘進(jìn)巷道前方施工11 個(gè)60 m 鉆孔，完成雙孔壓裂，全部鉆孔并網(wǎng)抽采(抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表3)；

表3 氣相壓裂防突掘進(jìn)技術(shù)抽采情況Table 3 Drainage data using CO2 gas-phase fracturing technology

③掘進(jìn)階段共計(jì)24 d，進(jìn)尺150 m，平均日進(jìn)尺6.25 m(三循環(huán)掘進(jìn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4)；

表4 氣相壓裂防突掘進(jìn)技術(shù)掘進(jìn)情況Table 4 Tunneling data using CO2 gas-phase fracturing technology

④ 24 d 掘進(jìn)階段：K1值最大0.38，未發(fā)生K1值超標(biāo)現(xiàn)象；施工卸壓鉆孔期間，共發(fā)生2 次動(dòng)力現(xiàn)象，即為2 次壓鉆；

⑤ 三循環(huán)掘進(jìn)期間，巷道風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.15%～0.35%，停止割煤期間為0.15%～0.25%，割煤時(shí)升高到0.30%～0.35%。其中，連續(xù)3 d 掘進(jìn)5 m時(shí)瓦斯涌出情況如圖 6 所示，根據(jù)巷道風(fēng)量便可計(jì)算巷道絕對(duì)瓦斯涌出量。從圖中可以看出，波峰上升比較緩慢，未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象；

圖6 31002 回風(fēng)巷道CO2 氣相壓裂試驗(yàn)后風(fēng)流瓦斯?jié)舛菷ig.6 Methane concentration of ventilation air flow after the CO2 gas-phase fracfuring in the backwind roadway 31002

⑥ 整體循環(huán)用時(shí)分別為20、18、16 d，共計(jì)用時(shí)54 d，平均每循環(huán)用時(shí)18.0 d。

3.2 效果考察

在新元煤礦31002 回風(fēng)連續(xù)掘進(jìn)巷道，對(duì)采取氣相壓裂防突措施前后的4 種參數(shù)進(jìn)行考察和對(duì)比，即抽采參數(shù)、掘進(jìn)期間K1值及動(dòng)力現(xiàn)象、掘進(jìn)期間風(fēng)流瓦斯涌出量情況、掘進(jìn)效率，分析如下。

1) 抽采效果

通過(guò)表1 和表3 的對(duì)比得知：氣相壓裂技術(shù)在瓦斯抽采濃度及瓦斯日抽采量上均有大幅提高，即為：瓦斯抽采濃度從三循環(huán)平均 17.3%上升到48.1%，提高1.8 倍；瓦斯日均抽采量從三循環(huán)平均437 m3上升到1 306 m3，提高2.0 倍。對(duì)比抽采效果認(rèn)為：氣相壓裂技術(shù)能有效改善煤層瓦斯抽采效果，提高瓦斯抽采效率，節(jié)約瓦斯抽采時(shí)間。

2) 掘進(jìn)期間K1值及動(dòng)力現(xiàn)象

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值是瓦斯突出預(yù)測(cè)的敏感指標(biāo)，國(guó)家法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[22-23]規(guī)定，在K1≥0.5 時(shí)，煤層有突出危險(xiǎn)性。掘進(jìn)期間的動(dòng)力現(xiàn)象，是指發(fā)生在掘進(jìn)前卸壓鉆孔實(shí)施過(guò)程中的噴孔、壓鉆等。動(dòng)力現(xiàn)象的多少是評(píng)價(jià)防突效果的重要參數(shù)之一，也是評(píng)價(jià)掘進(jìn)面前方突出危險(xiǎn)性大小的重要依據(jù)之一。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料表明(表4)，在氣相壓裂和抽采后，在24 d 的150 m 掘進(jìn)生產(chǎn)中，K1值最大為0.38，平均0.31，沒(méi)有出現(xiàn)大于0.5 或0.4 的超標(biāo)現(xiàn)象，施工卸壓鉆孔時(shí)共發(fā)生過(guò)2 次壓鉆現(xiàn)象。這2 次壓鉆發(fā)生在該循環(huán)掘進(jìn)施工的最后一天，即CO2氣相壓裂消突措施鉆孔的末端，很可能是氣相壓裂和抽采對(duì)鉆孔尾端作用不完全導(dǎo)致的。對(duì)比密集鉆孔抽采消突措施效果發(fā)現(xiàn)，密集鉆孔措施后的34 d、150 m掘進(jìn)期間，K1值最大為0.57，平均0.35，34 d 中K1值超標(biāo)6 次，超標(biāo)率17.6%。施工卸壓鉆孔時(shí)共發(fā)生6 次壓鉆、13 次噴孔。就掘進(jìn)期間K1值及動(dòng)力現(xiàn)象而論，氣相壓裂抽采消突效果具有更好的消突作用，認(rèn)為這是煤層瓦斯含量和瓦斯壓力降低的直接效應(yīng)。

3) 瓦斯涌出量和風(fēng)流瓦斯?jié)舛染闆r

31002 工作面掘進(jìn)期間供風(fēng)量為480 m3/min。巷道風(fēng)流瓦斯?jié)舛群陀砍隽恐苯臃从趁簩油咚骨闆r、突出危險(xiǎn)性以及氣相壓裂的瓦斯抽采和消突效果。

氣相壓裂措施后掘進(jìn)期間，統(tǒng)計(jì)分析連續(xù)3 d掘進(jìn)相同進(jìn)尺時(shí)的瞬時(shí)瓦斯涌出數(shù)據(jù)(每天統(tǒng)計(jì)500～1 200 個(gè))，分析揭示了絕對(duì)瓦斯涌出量最大值、平均值及方差等及其所表征的瓦斯涌出規(guī)律(表5)。

表5 CO2 氣相壓裂前后絕對(duì)瓦斯涌出量對(duì)比Table 5 Comparison of absolute gas emission before and after CO2 gas-phase fracturing

對(duì)比分析表明，氣相壓裂措施后，絕對(duì)瓦斯涌出量平均值降低13%，整體變化不大；但氣相壓裂后巷道絕對(duì)瓦斯涌出量最大值從平均3.39 m3/min降低到1.30 m3/min，降低62%；氣相壓裂后絕對(duì)瓦斯涌出量方差值從平均0.564 2 m3/min 降低到0.013 5 m3/min，降低98%。絕對(duì)瓦斯涌出量最大值與方差的大幅降低表明，氣相壓裂使巷道瓦斯涌出更加均勻平穩(wěn)，這種均勻涌出有利于掘進(jìn)生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，消除了因掘進(jìn)期間的瞬間異常涌出造成超限和停產(chǎn)。

氣相壓裂使煤層瓦斯均勻平穩(wěn)涌出，圖6 為試驗(yàn)工作面氣相壓裂段掘進(jìn)期間(2018 年3 月3 日—3 月5 日)連續(xù)3 d 的風(fēng)流瓦斯?jié)舛惹€。圖6 表明，巷道瓦斯體積分?jǐn)?shù)始終低于 0.4%，均勻分布在0.2%～0.4%。在割煤時(shí)瓦斯?jié)舛壬叩?.4%，其他時(shí)段分布在0.2%左右，長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的低值狀態(tài)，峰值與低值之間的變化幅度不大，高濃度峰值沒(méi)有出現(xiàn)，這一現(xiàn)象稱為氣相壓裂的瓦斯涌出削峰效應(yīng)，即消除了瓦斯不均勻涌出的瞬間高濃度峰值(超標(biāo))現(xiàn)象，最終保證掘進(jìn)生產(chǎn)的安全連續(xù)進(jìn)行。

4) 掘進(jìn)效率

提高掘進(jìn)效率是煤礦井下瓦斯治理的最終技術(shù)目標(biāo)。在實(shí)施氣相壓裂抽采防突技術(shù)措施后，24 d掘進(jìn)150 m，日進(jìn)尺6.25 m，比密集鉆孔技術(shù)的4.41 m提高了42%。綜合計(jì)算所有施工時(shí)間，同樣掘進(jìn)150 m，密集鉆孔措施條件下用時(shí)106 d，氣相壓裂措施條件下用時(shí)54 d，節(jié)約52 d，掘進(jìn)效率提高1倍，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的技術(shù)目標(biāo)。

2 種防突技術(shù)的主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 兩種防突掘進(jìn)技術(shù)的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比Table 6 Comparison of the main technical parameters of two anti-outburst tunneling technologies

4 結(jié)論

a.對(duì)于高瓦斯突出煤層，氣相壓裂抽采技術(shù)具有良好的造縫、卸壓、增透、增抽和消突的綜合效果。能有效提高瓦斯抽采量，快速降低瓦斯含量和瓦斯壓力；具有良好的卸壓防突效果，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值超標(biāo)次數(shù)減少，平均值降低，噴孔、壓鉆、煤炮等動(dòng)力現(xiàn)象大幅度減少；具有顯著的瓦斯?jié)舛认鞣逍?yīng)，瞬間升高的現(xiàn)象消失，瓦斯超限次數(shù)大幅減少，瓦斯涌出趨于均化穩(wěn)定。

b.氣相壓裂技術(shù)具有顯著提高掘進(jìn)效率的綜合效果。與常規(guī)密集鉆孔措施比較，氣相壓裂技術(shù)節(jié)約了成本和時(shí)間，每循環(huán)抽采鉆孔數(shù)量從24 個(gè)減少到11 個(gè)，三循環(huán)掘進(jìn)150 m 的時(shí)間從106 d 減少到54 d，掘進(jìn)效率提高1 倍左右，即相同的時(shí)間多掘進(jìn)一倍的進(jìn)尺。

c.氣相壓裂技術(shù)通過(guò)釋放高能氣體作用于煤層，形成裂縫卸壓圈。在裂縫圈范圍內(nèi)，卸壓作用顯著，地應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)得以均化，煤層透氣性提高，瓦斯抽采效果大幅度提高。壓裂后通過(guò)多鉆孔并網(wǎng)高效抽采，地應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)進(jìn)一步平衡，最終形成分布更為均勻的新生瓦斯壓力場(chǎng)，使瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象減少、K1值降低，瓦斯均勻穩(wěn)定涌出，瓦斯超限次數(shù)減少，巷道掘進(jìn)速度和安全程度大幅提高。

d.CO2氣相壓裂高效抽采防突掘進(jìn)技術(shù)是突出低透氣性煤層安全高效的瓦斯治理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)抽采、防突、掘進(jìn)等工序的高效進(jìn)行，經(jīng)濟(jì)成本低，在全國(guó)類似瓦斯地質(zhì)條件煤礦中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。但是，該技術(shù)的卸壓范圍及影響半徑尚未得到明確定論，有待進(jìn)一步研究，該技術(shù)與其他技術(shù)配合使用的強(qiáng)化抽采和卸壓防突作用也可作為下一步的研究方向。同時(shí)必須指出，該技術(shù)對(duì)于氣相壓裂鉆孔質(zhì)量要求較高，鉆孔要平直，孔內(nèi)清洗干凈無(wú)煤屑，這就需要高質(zhì)量鉆機(jī)和良好的打鉆技術(shù)。