穆俊來

（山西省華陽集團七元煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

0 引言

煤礦資源屬于不可再生資源，隨著開采程度的加深，資源含量隨之減少，因此需要引入提高開采效率的先進(jìn)技術(shù)。結(jié)合大量實踐資料來看，在開采過程中，會出現(xiàn)瓦斯難以抽放以及煤層透氣性差的情況，容易帶來開采事故，無益于防突指標(biāo)下降。為此，實際作業(yè)中應(yīng)當(dāng)引入CO2氣相壓裂增透技術(shù)，拓展原生裂隙，提高透氣程度，避免出現(xiàn)瓦斯突出產(chǎn)生瓦斯包的問題，降低危險性。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 測驗點概況

本工程的地質(zhì)條件為陸相湖泊型沉積，其巷道斷面結(jié)構(gòu)為6 m×3.7 m，長度為1 688 m，煤層容重為1.5 t/m3，總厚度為7.05 m。整體采取全錨支護形式，經(jīng)過初始瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試，對應(yīng)的結(jié)果，如表1 所示。

表1 采煤工程初始瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試結(jié)果

1.2 鉆孔布置

運用邊掘邊抽的方式，設(shè)置雙翼邁步鉆場，沿著巷道兩側(cè)布置鉆場，并將步距設(shè)置為40 m。利用鉆孔將鉆場均分為兩排三列，鉆孔傾角、孔徑和孔深分別為1°、120 mm、120 m，并設(shè)置掘進(jìn)頭抽采鉆孔，于工作面平行分布3 排孔，鉆孔傾角、孔徑和孔深分別為0°～2°、120 mm、120 m。針對鉆孔設(shè)置符合兩翼結(jié)構(gòu)的工作面和鉆場，以此保證在并網(wǎng)帶抽的過程中能夠?qū)︺@孔實施相應(yīng)操作，使得單孔濃度、工作面抽采參數(shù)和各鉆場的觀測時間超過3 d[1]。

實施觀測作業(yè)后，進(jìn)入到并網(wǎng)預(yù)抽環(huán)節(jié)，就工作面和兩翼鉆場的CO2預(yù)裂鉆孔作用約5 d，對比分析前后瓦斯抽采量，并分設(shè)壓裂鉆孔置于左右鉆場。設(shè)定鉆孔參數(shù)為：距外輪廓線1.2 m、傾角為1°、方位角1°、距煤層底板距離1.5 m、處于左鉆場、鉆孔深度120 m、孔徑Φ120 mm，并保證與掘進(jìn)面垂直。另一鉆孔的參數(shù)為：距外輪廓線1.2 m、傾角為1°、方位角0°、距煤層底板距離1.5 m、處于右鉆場、鉆孔深度120 m、孔徑Φ120 mm，并保證與掘進(jìn)面垂直。利用麻花鉆桿施工，運用自動排渣手法設(shè)置壓裂鉆孔，并保證施工速度維持等速狀態(tài)，整體速度較緩，檢查孔位是否光滑平直。試驗中所鉆壓裂孔深度大于120 m，清除煤渣，保持孔內(nèi)清潔[2]。此次試驗中掘進(jìn)面試驗鉆孔的布置情況，如圖1 所示[3]。

圖1 工程掘進(jìn)面試驗鉆孔布置圖

1.3 壓裂工藝

此次掘進(jìn)面施工前需對所使用的CO2預(yù)裂器型號予以確定，其中，對應(yīng)參數(shù)為：壓力70～270 MPa、反應(yīng)時間20～45 ms、液態(tài)CO2膨脹體積1∶600、液態(tài)CO2質(zhì)量1 400 g、長度200 mm、直徑68 mm、型號C74。施工前需檢查CO2預(yù)裂器是否處于正常工作狀態(tài)，在打好鉆孔中送入填裝完畢的CO2預(yù)裂器。此次試驗所使用的CO2預(yù)裂器為15 個，將其利用連接件連接過程中應(yīng)當(dāng)檢查電阻數(shù)據(jù)，針對電阻數(shù)據(jù)異常情況需深入研究原因，以此確保在后續(xù)試驗中能夠提供正常作用。

通過讀圖可以發(fā)現(xiàn)，使用膠囊封孔器連接CO2預(yù)裂器的最后一端，連接前經(jīng)過封孔引出桿依次放入鉆孔中，并在連接管中穿出引線，置于封孔另一區(qū)域，外部與注液高壓軟管連接，在距離孔口約13 m 位置放置膠囊封孔器。整體連接方式從左至右為頂桿、打壓泵、注液高壓軟管、封孔引出桿、封孔膠囊和CO2預(yù)裂器，當(dāng)打壓泵與注液高壓管連接完畢，打壓至5～9 MPa，將孔封閉[4]。

檢查整體連接是否符合試驗要求后，施工人員需轉(zhuǎn)移場地，并張拉放炮引線，張拉長度應(yīng)當(dāng)超過350 m。精準(zhǔn)檢驗測試數(shù)據(jù)，參照放炮標(biāo)準(zhǔn)，檢查人員撤離情況，按照先連接爆發(fā)器后深孔預(yù)裂煤層的順序，將CO2高壓氣體作用于煤層深孔中。實施預(yù)裂作業(yè)后，測定鉆孔內(nèi)壓力，讀取高低壓力表讀數(shù)。經(jīng)過0.5 h，壓力趨近于0，此時瓦斯處于安全狀態(tài)，及時撤出封孔器，逐個取出CO2預(yù)裂器，而后接通抽采結(jié)構(gòu)，完成抽采和數(shù)據(jù)記錄工作。查看孔內(nèi)壓力，若壓力值>0.5 MPa，應(yīng)當(dāng)泄壓釋放孔內(nèi)壓力，直至壓力值符合要求，繼續(xù)拆除封孔。

2 效果分析

2.1 瓦斯預(yù)警超限

經(jīng)試驗，明顯減少工作面響煤炮問題，避免出現(xiàn)瓦斯包，在巷道掘進(jìn)作業(yè)中均勻釋放瓦斯。在此基礎(chǔ)上，針對偏幫和高頂問題也在應(yīng)用CO2氣相壓裂技術(shù)后有所改善，不易出現(xiàn)瓦斯預(yù)警超限問題，提高施工安全性。

2.2 防突指標(biāo)

經(jīng)試驗，井下實測結(jié)果可以得到：預(yù)抽前的瓦斯含量最大值、瓦斯壓力最大值和K1實測最大值分別為0.84 m3/t、0.53 MPa、0.63；抽測后的瓦斯含量、瓦斯壓力和K1實測最大值分別為7.3 m3/t、0.29～0.44 MPa、0.3～0.4 間，對比抽測前后數(shù)據(jù)看出，應(yīng)用CO2氣相壓裂技術(shù)能夠有效降低防突指標(biāo)，具備較為明顯的消突成效，有效抑制突出問題，便于在煤層抽采中提供良好作業(yè)條件。

2.3 透氣性

經(jīng)試驗，氣相壓裂前后的透氣性系數(shù)分別為0.029 4 m2/（MPa2·d）、0.798 3 m2/（MPa2·d），處理后透氣性增加27 倍，說明透氣性明顯提升，符合可抽采煤層結(jié)構(gòu)特點。

2.4 割煤循環(huán)時間

經(jīng)試驗，氣相壓裂前后的割煤循環(huán)時間分別為50～55 min/排、40～45 min/排，說明應(yīng)用CO2氣相壓裂技術(shù)能夠有效縮短單排割煤時間，提高生產(chǎn)效能。

2.5 抽采效果

經(jīng)試驗，氣相壓裂后的預(yù)抽單孔抽采純量最大值、單孔衰減、預(yù)抽單孔平均抽采純量分別為0.4、0.05、0.125 m3/min，說明增透能力提高，抽采達(dá)標(biāo)所需時間減少，抽采效果顯著提高。

3 實踐應(yīng)用

以某煤礦為例，該煤礦是高瓦斯礦井，其設(shè)計生產(chǎn)能力為4 Mt/a。經(jīng)過前探鉆孔探測后，其主采煤層以亮煤為主，煤層厚度約5.81 m，下部結(jié)構(gòu)為炭質(zhì)泥巖，頂板為泥巖。經(jīng)過實測，區(qū)域瓦斯的原始壓力處于2.23～3.72 MPa 區(qū)間，瓦斯含量為20.14 m3/t，出現(xiàn)明顯的瓦斯動力情況，應(yīng)當(dāng)采取防突和消突處理。

應(yīng)用CO2氣相壓裂增透技術(shù)引入型號為C-47的氣象壓裂設(shè)備，其封孔長度、壓力、反應(yīng)時間、單根壓裂桿長度、壓裂桿直徑分別為1 m、60～270 MPa、20～40 ms、2 m、67 mm。在距離煤層頂板法向距離約9 m 處開展擴區(qū)進(jìn)風(fēng)立井工作，設(shè)定氣相壓裂孔數(shù)量為32 個，且在各個壓裂孔中設(shè)置壓裂桿4 根，每個壓裂桿間以串聯(lián)方式相互作用，且將起爆裝置安裝于壓裂桿頭。裝填壓裂桿作業(yè)完畢后，運用氣相壓裂施工辦法，布置鉆孔位置，并按照表2 參數(shù)配置壓裂鉆孔。

表2 某煤礦擴區(qū)進(jìn)風(fēng)立井壓裂鉆孔參數(shù)

將2BE1335-1BD3型號的水環(huán)真空泵安裝于距離進(jìn)風(fēng)立井井口約55 m 處，并就在井筒懸吊抽放干管，其內(nèi)徑為Φ160 mm，支管材料為PVC，內(nèi)徑為Φ60 mm，使用聚氨酯材料作為封孔材料。抽放管路于鉆孔施工完畢后接入，避免運用自然排放方式，防止出現(xiàn)瓦斯超限問題。待鉆孔作業(yè)完全結(jié)束后，實現(xiàn)并網(wǎng)。設(shè)置閘閥，放置于各個抽放支管上，便捷單孔抽放量的觀察和控制工作。

將鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和瓦斯含量作為防突效果檢驗指標(biāo)，分別為K1和Δh2，依照防突規(guī)定，設(shè)計效果檢驗試驗。分別于施工時間最晚和施工密度最小的鉆孔施工附近，選取4 個試驗對象，測量鉆孔內(nèi)濕煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和瓦斯含量。經(jīng)過測定，K1=0.2 mL/（g·min1/2），Δh2=120 Pa，殘余瓦斯含量為6 m3/t。因此，可以得出距離煤層頂板法向5 m 為可掘進(jìn)范圍。由此說明，試驗指標(biāo)均可符合防突需要，煤層經(jīng)CO2氣相壓裂增透技術(shù)應(yīng)用并處理后，突出危險消失，可繼續(xù)開采。

4 結(jié)語

基于防突指標(biāo)下降視角的CO2氣相壓裂增透技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)場試驗布置和準(zhǔn)備方法，并通過試驗得到與防突指標(biāo)相關(guān)的指標(biāo)數(shù)值。經(jīng)過前后氣相壓裂作用結(jié)果對比，以及實踐應(yīng)用，得到應(yīng)用CO2氣相壓裂增透技術(shù)能夠降低瓦斯預(yù)警超限事故率、提升透氣性、縮短割煤循環(huán)時間、降低防突指標(biāo)的結(jié)論，說明應(yīng)用此技術(shù)能夠有效提升抽采效果。