秦江濤，陳 婧，謝文波，張從國

(1.重慶工程職業(yè)技術學院，重慶 402260；2.四川省川南煤業(yè)有限責任公司，四川 筠連 615251)

目前，我國煤礦瓦斯災害治理的最有效手段之一就是采用施工鉆孔預抽煤層瓦斯[1-3]。隨著可開采煤炭資源逐步向深部轉移，煤層瓦斯的抽采難度隨之增大。眾所周知，煤層的透氣性是影響其瓦斯抽采效率及效果的主要因素，因此，如何提高煤層的透氣性，解決低透氣性煤層的瓦斯抽采難的問題已成為制約煤礦安全生產(chǎn)、提高煤礦安全高效的關鍵因素[4，5]。近年來，隨著煤礦瓦斯治理技術的不斷發(fā)展，各種瓦斯增透措施被廣泛地應用于瓦斯災害的治理[6]，主要包括水力沖孔、CO2相變致裂以及水力割縫等。其中，水力沖孔主要是利用高壓水射流沖刷鉆孔內(nèi)壁，增加抽采鉆孔的半徑、增加原始煤體的暴露空間面積[7，8]；CO2相變致裂增透技術是利用CO2相變瞬間產(chǎn)生的高壓氣體來增強煤體的孔隙和裂隙發(fā)育[9]；水力割縫技術則是利用高壓射流水作為介質對鉆孔內(nèi)的煤體進行切割，從而在鉆孔內(nèi)形成新的縫槽，實現(xiàn)增加煤層透氣性、降低原巖煤層應力的目的[10，11]。以上三種煤層增透措施均有各自的優(yōu)勢，但也存在一定的不足。其中，水力沖孔壓力較小，通常在5～20MPa之間，容易造成垮孔、堵孔現(xiàn)象，且形成的孔洞具有不可控性，易形成瓦斯積聚，同時對巷道的頂?shù)装逡自斐善茐?，導致掘進過程支護困難，此外，對堅固系數(shù)比較大的煤層增透效果不理想；相比之下，水力割縫的壓力較大，可達到30～60MPa，但割縫的深度一般不超過1m，在中硬煤層中割縫深度更小，因而對煤層的增透效果較差[12-14]；最后，CO2相變致裂增透技術往往只適用于局部的瓦斯治理，而在硬度較大煤層中的增透效果相對較差。

通過以上分析可知，采用單一的煤層增透措施可實現(xiàn)的現(xiàn)場瓦斯預抽效果往往十分有限，在硬度大、低透氣性煤層中這一現(xiàn)象尤為突出。因此，為了解決這一難題，本文提出了一種新型聯(lián)合增透技術，即超高水力割縫和CO2相變致裂聯(lián)合增透技術，以期有效增加抽采鉆孔的影響半徑，提高煤層瓦斯的抽采效率，防止煤礦瓦斯災害的發(fā)生。

1 聯(lián)合增透技術原理

超高壓水力割縫和CO2相變致裂聯(lián)合增透技術是一種將超高壓水力割縫技術和CO2相變致裂技術進行耦合作用的煤層卸壓增透技術。首先，運用超高壓水力割縫技術對原始煤體進行切割。超高壓水力割縫技術是通過高壓泵組將射流介質水壓力提高到100MPa，利用超高壓射流介質對原始煤體進行切割，可在煤層中形成半徑大小為1.6～2.0m的縫槽，實現(xiàn)人為擴充裂隙，從而有效地增加原始煤體的暴露表面積和煤層中瓦斯流通的微通道，為瓦斯抽采創(chuàng)造有利的條件。同時，還能夠改變原始煤體的原應力，使其得到初步卸壓，原始煤層透氣性系數(shù)和瓦斯釋放能力也將得到初步提升[15，16]；之后，采用CO2相變致裂技術進一步對煤體增透處理。CO2相變致裂技術產(chǎn)生的高壓沖擊波可使介質的質點產(chǎn)生徑向位移，由此在煤體當中產(chǎn)生切向拉伸和徑向壓縮。當切向拉伸應力超過煤體抗拉強度時煤體將發(fā)生破壞，從而使煤層中的瓦斯流通微通道向深部擴展。爆生氣體緊隨其后進入由應力波產(chǎn)生的新擴增微通道，并再次發(fā)生相變致裂。如此循環(huán)往復，瓦斯流通的微通道便不斷向煤層深部轉移。隨著煤體內(nèi)部微裂紋的不斷擴展和延伸，瓦斯流通微通道進一步發(fā)育貫通，從而實現(xiàn)了煤層透氣性系數(shù)的進一步提高，同時瓦斯壓力達到二次釋放，瓦斯抽采效率將大幅度提高。

2 現(xiàn)場試驗方案

2.1 煤層賦存情況

本次試驗地點為川南煤業(yè)魯班山北礦143底板巷，預揭煤層為14采區(qū)的8#煤層，8#煤層埋深450m，平均厚度3.5m，平均傾角23°，實測原始的瓦斯應力為0.94MPa，原始瓦斯含量18.34m3/t，堅固系數(shù)為1～2，煤層透氣性系數(shù)為0.0624m2/(MPa2·d)，瓦斯抽采衰減系數(shù)0.16～0.26d-1。8#煤層地質賦存條件比較穩(wěn)定，頂板主要為砂巖或泥質巖、砂巖類組合，有一層0.02～0.20m的偽頂；底板個別地方為砂巖，其它以泥質巖組成；8#煤層地質構造復雜，原生構造裂隙不發(fā)育，區(qū)域內(nèi)正逆斷層較多，主要受F54、F67、F100斷層影響比較大，局部區(qū)域不可采。綜上可知，川南煤業(yè)魯班山北礦8#煤層屬于高構造應力、低透氣透出危險性煤層。

2.2 方案設計

2.2.1 抽采設計方案

143底板揭煤工作面距14采區(qū)法向距離為10m，巷道上下兩幫的輪廓線控制范圍為15m，巷道下幫距離控制區(qū)域距離為6m，如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，本次試驗共設計了3種抽采方案進行對比分析，依次為：方案Ⅰ超高水力割縫和CO2相變致裂聯(lián)合增透技術抽采，共布置12個增透鉆孔；方案Ⅱ普通技術抽采，共布置12個普通抽采鉆孔；方案Ⅲ為超高水力割縫技術抽采，共布置12個抽采鉆孔。三個方案中的鉆孔間排距均保持相同參數(shù)，其中，鉆孔上下間距為8.7m，水平間距為7.5m，如圖2所示。

圖1 143軌道石門揭煤抽采鉆孔布置(m)

圖2 143軌道石門揭煤抽采鉆孔終孔布置(m)

為增強現(xiàn)場試驗的對比性，現(xiàn)場對比試驗實行分區(qū)域同步抽采，即每一種抽采方案均對應特定的抽采區(qū)域，抽采區(qū)域面積相同，并進行同步鉆孔抽采。

2.2.2 抽采鉆孔施工情況

所有設計鉆孔均采用ZDY-750D型鉆機進行施工，鉆桿的直徑為?50mm，采用?90mm的鉆頭。所有鉆孔穿過8#煤層的頂板0.5m停止施工，采用水力排渣，并做好所有的試驗設計鉆孔施工參數(shù)記錄。抽采鉆孔兩端采用馬麗散進行封孔，中間則采用水泥和砂漿比例1∶3的混合物進行封孔。當返漿管有大量粘稠的漿液返出的時候，停止注漿。封孔長度不小于8m，鉆孔凝固7d以后進行接抽。

2.2.3 鉆孔增透及抽采工藝

1)方案Ⅰ：依據(jù)方案設計要求進行鉆孔，并同步進行超高壓水力割縫。采用淺螺旋高強度無縫鋼管作為超高壓水力割縫鉆桿，鉆桿長度為1m，直徑為?50mm，壁厚13mm，抗拉強度σ>7.2kN·m，高壓水泵的工作壓力為100MPa，最小流量不低于4.8m3/h，使用遠程高壓操作系統(tǒng)對現(xiàn)場設計的鉆孔進行水力割縫操作，為了達到增透卸壓的效果，縫槽的半徑控制R=1.6～2.0m，割縫以后形成縫槽可以等效為2～5cm厚度環(huán)形縫槽，單孔控制流速時間不小于5min，單孔割縫煤屑量不小于0.3t。隨后，對所有設計鉆孔進行CO2相變致裂爆破增透，相變致裂爆破管長度為1m，根據(jù)現(xiàn)場施工鉆孔穿透煤層的實際長度來確定CO2相變致裂管爆破的數(shù)量，CO2相變致裂爆破后應及時封孔接抽。抽采鉆孔終端抽采負壓不低于13kPa。

2)方案Ⅱ：依據(jù)設計要求進行鉆孔、封孔和接抽，確保鉆孔抽采終端負壓不低于13kPa。

3)方案Ⅲ：依據(jù)方案設計要求進行鉆孔施工，所有鉆孔采用和方案Ⅰ相同的超高水力割縫增透措施，割縫完畢以后及時進行封孔和抽采。抽采鉆孔終端抽采負壓不低于13kPa。

2.3 鉆孔瓦斯流量監(jiān)測方法

按照設計方案要求鉆孔施工完畢以后，將所有設計鉆孔接入瓦斯抽采系統(tǒng)進行瓦斯流量參數(shù)測定，利用多功能瓦斯參數(shù)測定儀對瓦斯流量進行測定，而單孔瓦斯體積分數(shù)變化則采用高濃度光學瓦斯監(jiān)測儀進行測定。同時，對3種不同抽采方案中的監(jiān)測結果進行對比分析，監(jiān)測內(nèi)容包括單孔日平均抽采體積分數(shù)、瓦斯抽采流量和瓦斯的有效抽采半徑。

3 試驗結果分析

3.1 單孔日抽采體積分數(shù)對比分析

三種不同抽采方案試驗區(qū)域的單孔日平均瓦斯體積分數(shù)統(tǒng)計結果如圖3所示。從圖3中可知，在92d抽采時間內(nèi)，所有方案的單孔日平均瓦斯抽采體積分數(shù)均為先增大后減小的變化趨勢，且均在第30d左右達到最大值。其中，方案Ⅰ的單孔日平均瓦斯體積分數(shù)在68.3%～88.6%區(qū)間，平均為77.03%；方案Ⅱ的單孔日平均瓦斯體積分數(shù)分布在30.5%～55.9%區(qū)間，平均為43.1%；方案Ⅲ的單孔日平均瓦斯體積分數(shù)分布區(qū)間為47.9%～79.6%，平均64.2%。

圖3 三種不同抽采方案單孔日平均瓦斯體積分數(shù)曲線

經(jīng)對比分析可得，方案Ⅰ的單孔日平均瓦斯體積分數(shù)分別是方案Ⅱ和方案Ⅲ的1.79倍和1.20倍，所以方案Ⅰ的瓦斯抽采效果最為理想，其次為方案Ⅲ，方案Ⅱ的效果最差。分析其原因主要為：方案Ⅰ同時采用了超高壓水力割縫技術和CO2相變致裂技術，可使原始煤層實現(xiàn)二次增透，并促進煤體瓦斯壓力進行二次卸壓釋放，可極大地增加原始煤層的暴露表面積和瓦斯流量微通道，從而使瓦斯壓力達到充分的卸壓，有效解決瓦斯抽采體積分數(shù)低和瓦斯梯度壓力大的難題。因此，方案Ⅰ的單孔日平均瓦斯體積分數(shù)最大；方案Ⅲ雖然也采用超高壓水力割縫技術，在一定程度上增加了原始煤層的裂縫，增加瓦斯抽采的微通道，但是缺少了CO2相變致裂技術的作用，其瓦斯微通道尚未達到充分的延展和擴展，所以單孔日平均瓦斯體積分數(shù)小于方案Ⅰ，但大于方案Ⅱ。

3.2 瓦斯抽采流量對比分析

三種不同方案的單孔日平均瓦斯抽采流量如圖4所示。從圖4中可知，與瓦斯抽采體積分數(shù)類似，所有方案的單孔日平均瓦斯抽采流量也均呈先增大后減小的變化趨勢，且均在第36d左右達到最大值。其中，方案Ⅰ的日平均單孔瓦斯抽采流量變化區(qū)間為0.42～0.72m3/min，平均為0.062m3/min；方案Ⅱ的日平均單孔瓦斯抽采流量在0.19～0.39m3/min區(qū)間變化，平均為0.029m3/min；方案Ⅲ的日平均單孔瓦斯抽采流量變化區(qū)間0.32～0.55m3/min，平均為0.042m3/min。對比分析可得：方案Ⅰ的日平均單孔瓦斯抽采流量最大，分別是方案Ⅱ和方案Ⅲ的3.2倍和1.9倍。這進一步說明方案Ⅰ中的超高壓水力割縫和CO2相變致裂聯(lián)合增透設計瓦斯衰減程度小于其余2種方案，抽采效果最為理想。

圖4 三種不同方案單孔日平均瓦斯抽采流量監(jiān)測情況

3.3 瓦斯抽采有效影響半徑對比分析

為了測定瓦斯抽采的有效影響半徑，分別在抽采期的第15天、30天、45天、60天、75天以及90天對3種方案進行煤層殘余瓦斯含量的測定。按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，煤層瓦斯殘余含量降到8m3/t以下，為抽采達標，因此，通過實測14采區(qū)抽采鉆孔有效影響半徑的瓦斯含量以8m3/t以下為標準。不同方案條件下的瓦斯抽采有效影響半徑測定情況如圖5所示。

圖5 三種不同方案的瓦斯抽采有效影響半徑測定情況

由圖5可知，三種方案的瓦斯抽采有效影響半徑均隨抽采時間的增加而逐步增大，但增大速率逐漸減小。其中，方案Ⅰ在15d、30d、45d、60d、75d以及90d的瓦斯抽采有效影響半徑分別是1.12m、1.68m、1.98m、2.36m、2.64m和2.84m，方案Ⅱ在15d、30d、45d、60d、75d以及90d的瓦斯抽采有效影響半徑分別是0.30m、0.42m、0.49m、0.54m、0.58m和0.62m，方案Ⅲ在15d、30d、45d、60d、75d以及90d的瓦斯抽采有效影響半徑分別是0.84m、1.26m、1.42m、1.62m、1.82m和2.06m；當抽采時間增至90d時，方案Ⅰ的瓦斯抽采有效影響半徑是方案Ⅱ和方案Ⅲ的4.58倍和1.38倍，這表明聯(lián)合增透技術的瓦斯抽采有效影響半徑明顯大于普通抽采和單一的超高水力割縫，從而能夠有效減少區(qū)域瓦斯抽采的鉆孔布置數(shù)量，提高鉆孔瓦斯抽采效率，同時還可大幅度縮短瓦斯抽采治理達標時間。

3.4 抽采工效對比分析

1)鉆孔施工時間對比。按照施工抽采200m條帶巷工程量計算，方案Ⅰ中的超高水力割縫和CO2相變致裂鉆孔間距7.5m，鉆孔施工個數(shù)為54個，打孔、割縫和CO2相變致裂、封孔、接抽所需要平均時間為11h，則200m條帶巷瓦斯治理施工時間為594h；方案Ⅱ中的普通施工鉆孔間距2m，鉆孔施工個數(shù)200個，打孔、封孔、接抽所需的平均時間為6h，則200m的巷道共需要總時間為1200h；方案Ⅲ中的超高壓水力割縫200m條帶巷道鉆孔施工半徑為4m，鉆孔施工個數(shù)為100個，鉆孔平均施工時間10h，則200m的巷道共需要總時間為1000h。對比分析可得，在同等抽采效果條件下，方案Ⅰ超高水力割縫和CO2相變致裂增透技術比方案Ⅱ普通抽采和方案Ⅲ超高水力割縫技術鉆孔施工時間縮短50.5%和40.6%。

2)抽采達標時間對比。依據(jù)試驗設計區(qū)域瓦斯抽采達標條件的要求，現(xiàn)場對瓦斯抽采結果進行實時監(jiān)測，所得結果顯示，方案Ⅰ聯(lián)合增透技術的抽采達標時間為4個月，方案Ⅱ普通抽采達標時間為12個月，方案Ⅲ超高水力割縫抽采的達標時間為8個月。對比可知，采用超高水力割縫和CO2相變致裂聯(lián)合增透技術比普通抽采和超高水力割縫技術的抽采達標時間縮短了66.7%和50%。

4 結 論

1)超高壓水力割縫和CO2相變致裂聯(lián)合增透技術可使原始煤層實現(xiàn)二次增透，并促進煤體瓦斯壓力進行二次卸壓釋放，從而極大地增加原始煤層的暴露表面積和擴展瓦斯流量微通道，有效地提高瓦斯的抽采效果。

2)超高壓水力割縫和CO2相變致裂聯(lián)合增透技術的平均單孔瓦斯體積分數(shù)為77.03%，是普通抽采和超高水力割縫的1.79倍和1.20倍；單孔瓦斯抽采平均流量為0.062m3/min，是普通抽采和超高壓水力割縫的3.2倍和1.9倍；90d抽采時間瓦斯抽采有效影響半徑為2.84m，是普通抽采和超高壓水力割縫的4.58倍和1.38倍。

3)超高壓水力割縫和CO2相變致裂聯(lián)合增透技術在同等抽采效果情況下可極大地減少鉆孔施工數(shù)量，有效縮短鉆孔施工時間，顯著減少瓦斯達標抽采時間。因此，超高壓水力割縫和CO2相變致裂聯(lián)合增透技術在瓦斯災害治理應用效果顯著，有效解決了瓦斯抽采難和達標時間漫長的問題。