劉 毅，甘路軍，尹明珩，李 明，徐金國(guó)，李光強(qiáng)

(山西和順天池能源有限責(zé)任公司， 山西 晉中 032700)

我國(guó)高瓦斯突出礦井廣泛分布，瓦斯治理難度大。隨開采深度增加，瓦斯含量、壓力及地應(yīng)力逐漸增大，瓦斯災(zāi)害趨勢(shì)越發(fā)嚴(yán)重。抽采和卸壓是防止煤礦瓦斯事故發(fā)生的根本措施，主要有密集鉆孔[1]、多項(xiàng)水力化[2-3]、驅(qū)替抽采[4-5]、深孔爆破[6]等技術(shù)，這些技術(shù)在一定程度上遏制了瓦斯災(zāi)害惡化，但仍未完全消除瓦斯災(zāi)害的發(fā)生。氣相壓裂技術(shù)在20世紀(jì)90年代引入我國(guó)，該技術(shù)因安全性能高、操作簡(jiǎn)便、威力大且不涉及民爆產(chǎn)品而備受青睞。山西和順天池能源有限責(zé)任公司主采的15號(hào)煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，含多層薄層夾矸，中間賦存0.5 m左右構(gòu)造煤。復(fù)雜結(jié)構(gòu)和構(gòu)造煤分層阻礙了瓦斯的垂向滲流，導(dǎo)致瓦斯抽采效率低，影響煤巷安全高效采掘。

1 試驗(yàn)工作面瓦斯地質(zhì)特征

天池能源公司15號(hào)煤層采掘生產(chǎn)主要集中在六采區(qū)，全區(qū)劃分為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。瓦斯含量最大12.47 m3/t，瓦斯壓力最大0.51 MPa.

15號(hào)煤層瓦斯含量主要受煤層埋深控制，瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為2.5 (m3·t-1)/100 m. 15號(hào)煤層具有明顯的分層現(xiàn)象，靠近頂板處煤層松軟瓦斯含量較高，下部煤層較為堅(jiān)硬瓦斯含量稍低，煤層中間分布較薄的夾矸阻礙了抽采過程中的瓦斯?jié)B流，造成上部松軟煤層瓦斯抽采效果較差，增加了掘進(jìn)和回采過程中的落煤瓦斯涌出量。隨著采區(qū)向深部延伸，煤層瓦斯含量越來(lái)越大，常規(guī)瓦斯抽采花費(fèi)時(shí)間越來(lái)越多，增加了礦井采掘接替緊張的局面。

2 CO2氣相壓裂高效抽采試驗(yàn)方案

氣相壓裂能使煤層內(nèi)部裂隙增加，促進(jìn)煤層卸壓增透，進(jìn)而提高瓦斯抽采效率?；诖?，在15603進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)行氣相壓裂強(qiáng)化增透瓦斯抽采試驗(yàn)。

1) 試驗(yàn)地點(diǎn)：15603進(jìn)風(fēng)順槽，巷道口以內(nèi)710～850 m.

2) 布孔方案：在巷道右?guī)筒贾?5個(gè)壓裂鉆孔，壓裂鉆孔間距為9 m，鉆孔深度為110 m，每?jī)蓧毫雁@孔間布置強(qiáng)化抽采鉆孔2個(gè)，鉆孔按雙排布置，上排鉆孔距底板2 m，下排距底板1.5 m；鉆孔間距均為3 m；壓裂孔和強(qiáng)化抽采孔均采用d108 mm、孔深110 m、封孔深度為20 m的鉆孔，具體布孔方式見圖1.

3) 壓裂參數(shù)：壓裂孔選用C74-L壓裂設(shè)備，單孔壓裂桿數(shù)目為30根，剪切片為120 MPa.

4) 施工順序：首先完成1號(hào)、2號(hào)兩個(gè)鉆孔及氣相壓裂施工，其次，在兩壓裂孔間實(shí)施兩個(gè)強(qiáng)化抽采鉆孔，然后進(jìn)行3號(hào)孔的氣相壓裂施工，再在2號(hào)、3號(hào)壓裂孔間實(shí)施強(qiáng)化抽采鉆孔，最后依次進(jìn)行15個(gè)鉆孔的壓裂試驗(yàn)。

圖1 15603進(jìn)風(fēng)順槽氣相壓裂實(shí)施方案圖

5) 瓦斯參數(shù)采集：測(cè)試瓦斯抽采參數(shù)；9號(hào)孔與10號(hào)孔之間實(shí)施4個(gè)強(qiáng)化抽采孔，用于驗(yàn)證氣相壓裂抽采半徑。

3 結(jié)果與討論

為了評(píng)價(jià)氣相壓裂效果，選取與壓裂段相鄰30 m內(nèi)的抽采鉆孔進(jìn)行對(duì)比。后續(xù)實(shí)施的壓裂鉆孔的抽采效果，均與該基礎(chǔ)對(duì)比孔參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析氣相壓裂孔的瓦斯抽采效果。

3.1 壓裂區(qū)濃度及流量變化

為了更直觀地評(píng)價(jià)壓裂效果，對(duì)壓裂區(qū)以及對(duì)比區(qū)抽采孔的抽采效果進(jìn)行整體對(duì)比(壓裂區(qū)包含15個(gè)壓裂孔及壓裂孔間的30個(gè)抽采孔)，對(duì)比2021年12月—2022年3月抽采階段不同區(qū)段的瓦斯抽采濃度、百米瓦斯抽采純量變化趨勢(shì),見圖2.

圖2 壓裂區(qū)抽采參數(shù)變化趨勢(shì)圖

由圖2可知，對(duì)比區(qū)段均為未壓裂孔，瓦斯在初始抽采時(shí)，濃度存在較高的水平，隨著瓦斯抽采的進(jìn)行，濃度下降較為迅速并趨于穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算，對(duì)比段平均瓦斯?jié)舛葹?4.7%. 相較于對(duì)比區(qū)段，壓裂區(qū)瓦斯抽采濃度一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，在后續(xù)抽采過程有了相對(duì)提升，整體壓裂區(qū)平均瓦斯?jié)舛?2.2%，提升1.5倍。

通過實(shí)測(cè)可以看出，對(duì)比區(qū)與壓裂區(qū)的瓦斯抽采純量在前期處于波動(dòng)狀態(tài)，在后續(xù)逐漸提升，這是由于前期抽采期間井下鉆孔抽采負(fù)壓不穩(wěn)定，待抽采負(fù)壓穩(wěn)定后，瓦斯純量有逐漸提升的趨勢(shì)；雖瓦斯純量波動(dòng)較大，但整體抽采效果仍優(yōu)于未壓裂段的抽采效果。計(jì)算得到對(duì)比區(qū)百米鉆孔平均瓦斯純量為15.16 m3/d，壓裂區(qū)百米鉆孔平均瓦斯純量24.45 m3/d，經(jīng)過壓裂，瓦斯抽采純量提升1.6倍。

3.2 壓裂區(qū)瓦斯含量變化

為了測(cè)定氣相壓裂技術(shù)回采工作面的壓裂增透效果，通過壓裂抽采前后取芯測(cè)試瓦斯含量變化情況，2021年11月22日在未進(jìn)行氣相壓裂的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行瓦斯含量測(cè)試，煤層瓦斯含量為7.67 m3/t. 整體壓裂后，于2022年3月27日在壓裂區(qū)鉆取考察孔進(jìn)行殘余瓦斯含量測(cè)試,在圖1標(biāo)注的測(cè)試孔1(QY1)、測(cè)試孔2(QY2)分別取樣測(cè)試瓦斯含量，取樣深度為30 m、40 m、50 m. 所測(cè)結(jié)果見表1.

表1 15603進(jìn)風(fēng)順槽壓裂區(qū)瓦斯含量數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1，壓裂區(qū)煤層瓦斯含量由抽采前的7.67 m3/t，降低至5.81 m3/t(平均值)，下降了1.86 m3/t.

3.3 氣相壓裂抽采半徑變化

鉆孔抽采影響半徑是抽采的重要參數(shù)，直接影響瓦斯抽采鉆孔間距的確定。為確定抽采影響半徑，對(duì)順層壓裂段內(nèi)的瓦斯抽采孔CS1、CS2、CS3、CS4進(jìn)行分析，4個(gè)抽采鉆孔與9號(hào)、10號(hào)壓裂孔均于2022年12月14日施工完畢,鉆孔分布見圖1.

抽采孔CS1、CS2距9號(hào)壓裂孔分別為3 m和6 m，抽采孔CS3、CS4距10號(hào)壓裂孔分別為3 m和6 m.

2022年3月28日測(cè)得壓裂段內(nèi)4個(gè)瓦斯抽采孔的平均瓦斯?jié)舛葹?0.5%、49.0%、58.7%和38.1%，相比于對(duì)比段，CS2和CS4的濃度分別提升1.41和1.69倍，與壓裂孔基本持平，由此可以推斷，氣相壓裂后，經(jīng)過104天的抽采，抽采影響半徑可達(dá)6 m以上，比原抽采孔提高了2倍以上。為確保氣相壓裂后抽采半徑的具體效果評(píng)價(jià)，后續(xù)仍需采用壓降法進(jìn)行實(shí)測(cè)。

4 結(jié) 論

1) 氣相壓裂技術(shù)具有良好的抽采效果，同未壓裂相比氣相壓裂技術(shù)瓦斯抽采的單孔濃度提高1.5倍，百米瓦斯抽采純量提高1.6倍。

2) 抽采4個(gè)月，壓裂區(qū)瓦斯含量下降了1.86 m3/t. CO2氣相壓裂作用于煤層，溝通煤層裂隙，瓦斯?jié)B流通道進(jìn)一步擴(kuò)展，瓦斯更易抽采；氣相壓裂后，瓦斯抽采半徑可達(dá)6 m以上。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，氣相壓裂后瓦斯快速抽采的核心機(jī)理是在煤層中形成一定范圍的裂縫圈，在裂縫圈影響范圍內(nèi)，煤層透氣性提高。氣相壓裂后，通過合理布孔，形成分布更為均勻的瓦斯壓力場(chǎng)，使煤層抽采效率大幅提高。