周建斌，郭春生，馬 澤，臧 杰，3

(1.陽泉煤業(yè)集團(有限)責(zé)任公司，山西 陽泉 045000； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083； 3.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室，河南 焦作 454002)

0 引言

煤與瓦斯突出是嚴(yán)重擾亂采礦作業(yè)秩序、危害人員生命安全的事故，而我國煤礦由于其地質(zhì)條件的復(fù)雜性，突出情況尤為嚴(yán)重。瓦斯突出長期威脅著我國煤礦的生產(chǎn)安全[1-2]。2010年至2019年之間，我國規(guī)模以上煤礦開采企業(yè)發(fā)生較大以上煤與瓦斯突出事故共77起，共計死亡人數(shù)705人[3]。

煤與瓦斯突出發(fā)生的原理是煤體所受應(yīng)力突破其強度極限，并瞬間由煤體向井巷作業(yè)區(qū)域拋出大量煤粉、巖體以及瓦斯。煤與瓦斯突出可大面積破壞采掘及支護設(shè)施，大量瓦斯涌出會干擾通風(fēng)系統(tǒng)，甚至出現(xiàn)風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，還可能發(fā)生煤流埋人等嚴(yán)重傷亡事故[4]。針對煤與瓦斯突出這一重要礦井災(zāi)害，基于對煤與瓦斯致災(zāi)機理的不斷深入研究[5]，我國提出多項技術(shù)措施并取得良好的應(yīng)用效果。易恩兵[6]利用開采解放層的方法在華豐礦1410工作面成功進行卸壓消突研究；翟成等[7]在大興煤礦運用水力壓裂增透技術(shù)進行試驗，發(fā)現(xiàn)普通瓦斯抽采孔的抽采濃度一般低于20%，而壓裂后的抽采濃度可提高至20%～80%，瓦斯純流量可由0.029 m3/min提高到0.218 m3/min，提高7.6倍；高厚等[8]從煤層應(yīng)力的角度進一步對水力壓裂機理進行研究，根據(jù)所得水力壓裂過程中煤層的應(yīng)力變化狀態(tài)，提出提高水力壓裂效果的工程方法；張鵬偉[9]采用水力割縫的方法有效提高抽采效率，將單孔抽采濃度由11%～67%提高至14%～88%，單孔抽采平均濃度由33.7%提高至51.9%，割縫后平均抽采濃度提高18%；孔留安等[10]將水力沖孔快速掘進技術(shù)用于焦煤集團九里山礦的防突工作中，發(fā)現(xiàn)水力沖孔不但有降低煤塵的作用，還可以減少煤體應(yīng)力集中，改變應(yīng)力分布，從根本上減少突出的易發(fā)率，進而加快掘進作業(yè)；晉康華等[11]在義煤集團李溝礦進行水力沖孔試驗研究，從多個方面對水力沖孔卸壓增透區(qū)域消突技術(shù)的效果進行評價，發(fā)現(xiàn)該方法對煤層透氣性的提高效果十分顯著；方志明等[12]在平頂山以及陽泉常村煤礦進行注氣抽采試驗，效果較為理想；楊宏民等[13]在山西的試驗表明，注氣抽采是1種瓦斯強化抽采技術(shù)；趙發(fā)軍等[14]提出先注后沖技術(shù)與傳統(tǒng)水力沖孔技術(shù)相比能明顯抑制瓦斯噴孔、增加沖泄煤量、提高瓦斯抽出率，是1種安全可靠的煤層消突技術(shù)；魏國營等[15]提出通過水力掏槽的方法對煤體進行工業(yè)消突，并通過在焦作礦區(qū)的試驗與研究，建立水力掏槽的防突參數(shù)體系，完善水力掏槽的綜合突出防治理論。

雖多項防突技術(shù)在全國均得到廣泛應(yīng)用，并在較多煤礦獲得較好的效果，但對于陽泉礦區(qū)的特殊低滲煤層，效果仍然有限，并未從根本上解決問題。同時，多數(shù)現(xiàn)有的防突措施會在較大程度上減緩工作面作業(yè)速度，而氣相壓裂作為兼顧消防突效果與掘進速度的綜合突出防治新技術(shù)，是用于礦井防突的可靠手段。但目前對氣相壓裂的綜合理論試驗研究仍較少。

本文以陽泉煤業(yè)新元公司3#煤層31004工作面為試驗地點，通過現(xiàn)場調(diào)查、理論分析和現(xiàn)場工業(yè)性試驗等方法，對氣相壓裂綜合防突方法進行研究，以期為陽泉礦區(qū)瓦斯高效抽采及工作面安全高效掘進提供有效的裝備和技術(shù)方案，同時對低滲松軟難抽采煤層的瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展起到一定的推動作用。

1 試驗工作面概況

新元煤礦處于陽泉市西郊、沁水煤田北部，受轄于晉中市壽陽縣。礦區(qū)東西長15.6 km，南北寬約9.6 km，面積136.77 km2。該礦主采3#，9#，15#煤層，上煤組主采3#，9#煤層，下煤組主采15#煤層，現(xiàn)主要開采3#煤層。新元礦區(qū)的主要含煤地層平均厚度179.17 m，主要為石炭-二疊紀(jì)含煤層，該含煤地層系共有18個煤層，平均總厚度為13.81 m，含煤系數(shù)7.7%。井田的斷層構(gòu)造主要為小型正斷層，斷距大于3.0 m的較為少見，撓曲構(gòu)造分布較少，但仍在較大程度上影響著煤層瓦斯含量以及涌出量。

31004工作面位于井田南區(qū)，工作面隨煤層呈現(xiàn)東西向的單斜構(gòu)造樣，處于礦區(qū)采深最大的區(qū)域。31004工作面主采3#煤層，底板標(biāo)高504～586 m，地面標(biāo)高1 068.1～1 071.0 m，煤層埋深變化為485～567 m。工作面長2 677.4 m，傾斜長240 m，面積0.65 km2。煤層總厚度2.52～2.82 m，平均厚度2.72 m。煤層中度含灰、低度含硫，總體為貧瘦煤，煤層內(nèi)生裂隙較為發(fā)育，且以亮煤為主，總體煤質(zhì)較好。31004工作面煤體蓄能高，易激發(fā)突出，其輔助進風(fēng)實測瓦斯含量19個進風(fēng)循環(huán)，煤體內(nèi)瓦斯量最大為12.14 m3/t，均值為9.7 m3/t；31004回風(fēng)巷實測瓦斯含量最大為12.07 m3/t，均值為8.6 m3/t。

2 多級氣相壓裂原理與技術(shù)

2.1 多級氣相壓裂技術(shù)原理

氣相壓裂的基本原理為：壓縮液態(tài)CO2接觸高溫后，在熱作用下瞬間氣化并在壓裂管內(nèi)形成氣體射流進而沖擊壓裂煤層，在射流附近產(chǎn)生新生裂紋，進而擴展裂隙系統(tǒng)，最終實現(xiàn)改變煤體應(yīng)力分布、擴大裂縫空間、卸壓消防突的目的。液體CO2的氣化時間為20～40 ms，氣化時體積增大600多倍,導(dǎo)致壓力增速極快。高壓CO2在迅速膨脹后，突破剪切片承受極限并迅速從氣閥噴出，對煤體產(chǎn)生剪切與沖擊并行成強烈壓力波，進而通過壓力波向深部煤體傳播完成對煤體的造縫。

多級氣相壓裂指在1個鉆孔中實施多管壓裂試驗時，每只壓裂管有1個噴氣閥，并形成1簇裂縫或1個獨立的裂縫卸壓圈，多個壓裂管即形成多級裂縫或多個裂縫卸壓圈。此外，壓裂壓力、裂縫卸壓圈間距、壓裂級數(shù)和總長度均可控，使此種多級可控壓裂技術(shù)具有可根據(jù)地質(zhì)條件進行工程設(shè)計優(yōu)化的特點，進而實現(xiàn)壓裂效果效益的最大化。

2.2 多級氣相壓裂防突機理

與水力壓裂不同，氣相壓裂主要通過將高壓氣體注入煤體，進而改變煤體孔隙裂隙場，促使裂隙的延伸與再生，最終造成煤體的部分區(qū)域發(fā)生卸壓，達(dá)到消除應(yīng)力集中的目的。氣相壓裂是1種有效改變煤體應(yīng)力分布進而對煤體進行消突的綜合工業(yè)手段。

煤體氣相壓裂一般經(jīng)歷以下2個階段：1)前期通過高壓射流氣的應(yīng)力波對煤體進行損傷造縫；2)后期通過準(zhǔn)靜態(tài)高壓氣體的膨脹做功對原始裂縫進行擴展造縫。前期，將高壓射流氣體壓入鉆孔，對孔壁煤體進行一定的沖擊，進而在鄰近的煤體區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力波，強應(yīng)力波的傳播可在孔壁周圍形成破壞區(qū)，從而使高壓氣體隨氣流壓入孔壁受損區(qū)，并以鉆孔軸線為中心，形成向周圍放射的裂隙擴張圈。后期，大量氣體隨射流被壓入鉆孔及孔壁裂縫，射流沖擊壓力衰減，在鉆孔及裂縫系統(tǒng)中高壓氣體變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)。進而使高壓氣體進入煤體原生節(jié)理系統(tǒng)，并在一定時間范圍內(nèi)使原有節(jié)理系統(tǒng)延拓連接，打開原生閉合裂紋，最終煤體到達(dá)屈服極限，發(fā)生大面積塑性破壞。第2階段的造縫機理主要為將先存裂縫進行打開擴展，在尺度上與節(jié)理結(jié)構(gòu)相耦合，故稱為重啟裂縫階段。

氣相壓裂的有效壓裂區(qū)域被稱作卸壓圈，在該區(qū)域內(nèi)，裂縫進一步發(fā)育，煤巖體應(yīng)力均勻分布，集中應(yīng)力向區(qū)域末端轉(zhuǎn)移。其幾何學(xué)特征是影響氣相壓裂效果的主要參數(shù)，也是氣相壓裂技術(shù)發(fā)展與工業(yè)施工方案的重要決定因素。裂縫卸壓圈如圖1所示。

圖1 裂縫卸壓圈示意Fig.1 Schematic diagram of fracture pressure relief cycle

3 多級氣相壓裂現(xiàn)場試驗

為評價試驗區(qū)突出煤層地質(zhì)情況和瓦斯賦存與涌出狀態(tài)，測定試驗區(qū)原始煤層瓦斯含量及瓦斯壓力，揭示氣相壓裂卸壓技術(shù)的增透機理以及評價氣相壓裂突出消除效果，在新元煤礦31004工作面進行不同鉆孔及不同壓裂參數(shù)的氣相壓裂試驗，以期探尋適應(yīng)于陽泉礦區(qū)的氣相壓裂的技術(shù)特征及工藝流程。

為研究不同壓裂參數(shù)的作用規(guī)律，在31004工作面采取2種不同的壓裂方案進行試驗，即在工作面輔助進風(fēng)巷與回風(fēng)巷的不同區(qū)段進行單孔和雙孔的多級壓裂，輔助回風(fēng)巷與進風(fēng)巷不同壓裂鉆孔布置方案如圖2所示，具體如下：

1)單孔多級氣相壓裂方案。在試驗面斷面中部鉆進1個壓裂孔，并在周圍鉆進10個瓦斯抽采孔(編號1～10)，如圖2(a)～(b)所示?？讖骄鶠?13 mm，孔深60 m，開孔位置一般距頂板1.0～1.2 m。沿巷道掘進方向，鉆孔方位角為掘進前方煤層傾角+1°，封孔深度一般為10～12 m，壓裂段長為20～50 m，壓裂管數(shù)量15根/孔。對壓裂孔實施兩堵一注膨脹水泥密封，長度為10～18 m。抽采孔直徑為113 mm，密封方式與壓裂孔相同。

2)雙孔多級氣相壓裂方案。在試驗面斷面中部鉆進2個壓裂孔，并在周圍鉆進9個抽采孔，如圖2(c)～(f)所示。鉆孔深度分別為60，80 m，其他鉆孔參數(shù)設(shè)置與單孔多級氣相壓裂方案相似，并依據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整。

圖2 輔助回風(fēng)巷與進風(fēng)巷不同壓裂鉆孔布置方案Fig.2 Layout schemes of different fracturing boreholes in auxiliary return airway and air inlet roadway

各方案的壓裂工作循環(huán)方式為：60 m單孔方案與60 m雙孔方案采取壓裂后預(yù)抽再掘進的方式，各循環(huán)5次；80 m雙孔方案采取壓后即掘的方式，進行1次循環(huán)。

壓裂時，為保證成孔質(zhì)量、防止塌孔，應(yīng)確保壓裂孔處于硬分層，并嚴(yán)格控制開孔位置及鉆進方位角。遵循低壓慢速、邊進邊退、定深洗孔、掏空前進的原則；每鉆進1.5 m，洗孔1次，洗孔時間根據(jù)打鉆情況確定；鉆后通風(fēng)清除孔內(nèi)煤粉，以保證良好的試驗環(huán)境。退鉆后，應(yīng)迅速將篩管推入并快速對鉆孔進行密封。

壓裂后于試驗面前方側(cè)幫鉆孔取樣，進行突出指標(biāo)測定。若鉆屑量S<6 kg/m且鉆屑解析指標(biāo)K1(鉆屑瓦斯解析曲線斜率)<0.4，Δh2(鉆屑解析的瓦斯在2 min內(nèi)產(chǎn)生的壓力差)<200 Pa,則判定該區(qū)域為安全區(qū)域，可繼續(xù)掘進；否則，按規(guī)定需進行進一步的局部消突并進行防突檢驗，待達(dá)標(biāo)后方可繼續(xù)作業(yè)。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 瓦斯抽采效果

多級氣相壓裂試驗后，通過瓦斯的單孔抽采濃度、支路孔板抽采濃度和孔板抽采純量、日抽采量、累計抽采量、百米鉆孔抽采量來評價瓦斯的抽采效果。新元礦31004工作面氣相壓裂瓦斯抽采效果對比分析見表1。

測試結(jié)果表明：單孔壓裂后，單孔平均濃度均值21.6%，日均抽采量均值250.6 m3，百米鉆孔抽采量最小為29.80 m3/(hm·d)，最大54.99 m3/(hm·d)，平均43.36 m3/d；雙孔壓裂后，單孔平均濃度均值54.1%，日均抽采量均值529.1 m3，百米鉆孔抽采量最小90.98 m3/d，最大168.23 m3/d，平均114.30 m3/d?？梢姡p孔壓裂后各項抽采數(shù)據(jù)比單孔壓裂后有較明顯提升，與回風(fēng)巷抽采數(shù)據(jù)相比也有明顯提升。

4.2 鉆孔施工動力現(xiàn)象

對試驗面的10個壓裂循環(huán)進行對比發(fā)現(xiàn)：在單孔壓裂的卸壓鉆孔施工時，鉆孔阻力較大，可見明顯的頂鉆、吸鉆現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔難度大耗時長；雙孔壓裂的卸壓鉆孔施工時，鉆孔阻力小，故打鉆較為容易，鉆孔耗時大大縮短。可見，雙孔多級壓裂相較與單孔多級壓裂而言，卸壓的效果更明顯。

4.3 防突參數(shù)測試分析

在多級氣相壓裂與區(qū)域預(yù)抽完成后，恢復(fù)掘進生產(chǎn)；生產(chǎn)期間，安排專職人員在每日的鉆孔作業(yè)之前測定鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1和Δh2。在31004試驗巷的壓后抽采再掘進的前10個循環(huán)內(nèi)，共對1 731個K1值進行測定，具體測試結(jié)果如圖3所示。

表1 新元礦31004工作面氣相壓裂瓦斯抽采效果對比分析Table 1 Comparative analysis on gas extraction effect of gas-phase fracturing in 31004 working face of Xinyuan Mine

圖3 壓裂后K1值超標(biāo)情況Fig.3 Situation of K1 value exceeding standard after fracturing

單孔壓裂段獲得K1值345個，其中有7次大于等于0.4，占比2.0%；Δh2測試共320個，Δh2≥200 Pa(20 mm水柱)4次，占總數(shù)的1.3%。雙孔壓裂段獲得K1值1 386個，其中有9次大于等于0.4，總占比為0.6%；測試Δh2共1 042個，Δh2≥200 Pa(20 mm水柱)5次，占總數(shù)的0.5%。

雙孔段K1值超標(biāo)情況發(fā)生明顯變化，降低1.4%；Δh2超標(biāo)次數(shù)也有效減少，降幅1.6%。其中，在31004輔助進風(fēng)“壓完即掘”第6循環(huán)中與31004回風(fēng)“壓完即掘”第6循環(huán)中，雙孔“壓完即掘”循環(huán)測K1值345個，僅有1次超過0.4，超標(biāo)率僅0.3%；Δh2測試共270個，超標(biāo)1個，超標(biāo)率0.4%。

可知，雙孔“壓完即掘”與“壓裂+預(yù)抽”在K1值測試無明顯差。在“壓完即掘”方案中，1個80 m壓裂掘進作業(yè)僅用時20 d，掘進速度預(yù)計可達(dá)120 m/月，與原有作業(yè)情況相比可提高2倍。

4.4 抽采半徑測定

依據(jù)瓦斯流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合孔口布置理論，對瓦斯抽采有效半徑進行測算，計算結(jié)果見表2。由表2可知，相對于未壓裂時，鉆孔壓裂后的瓦斯抽采有效半徑提高3.67～6.88倍。

表2 壓裂前后抽采半徑結(jié)果統(tǒng)計Table 2 Statistics of extraction radii before and after fracturing

4.5 煤層透氣性系數(shù)及流量衰減系數(shù)測定

透氣性系數(shù)的測定包括原始煤體的透氣性系數(shù)測定和氣相壓裂后煤體的透氣性系數(shù)的測定，測定結(jié)果見表3。測定鉆孔為B2，B3，B5(壓裂前)和C3(壓裂后)，每天監(jiān)測鉆孔瓦斯自然涌出量，進而可通過煤體的透氣性系數(shù)演算煤體滲透率。

表3 透氣性系數(shù)測定結(jié)果Table 3 Testing results of permeability coefficient

通過對測定結(jié)論的分析可見，未壓裂時，煤體透氣性系數(shù)為0.008～0.014 m2/(MPa2·d)，由煤層瓦斯抽采難易度判定表可知：未壓裂時，試驗煤層為難抽采煤層，而多級氣相壓裂試驗后煤體的透氣性系數(shù)變?yōu)?.763 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數(shù)增加54～95倍，變?yōu)榭沙椴擅簩?。由上述結(jié)果可知，多級氣相壓裂可以有效提高煤層的透氣性，擴大煤體孔隙空間，改變煤體孔隙系統(tǒng)，在產(chǎn)生新裂紋的同時提高原有裂隙裂縫的聯(lián)通性，有效降低煤層瓦斯抽采難度。

5 結(jié)論

1)新元礦31004輔助進風(fēng)巷與回風(fēng)巷鉆孔多級氣相壓裂試驗的抽采效果分析與現(xiàn)場反饋表明，多級氣相壓裂使得煤體低滲難抽的問題得到明顯改善。

2)瓦斯抽采結(jié)果顯示，雙孔多級壓裂后各項抽采數(shù)據(jù)比單孔多級壓裂后有較明顯提升；防突測試參數(shù)表明，“壓完即掘”循環(huán)與“壓裂+預(yù)抽”循環(huán)相比未見明顯差距，但“壓完即掘”的循環(huán)工作速度明顯更快。

3)多級氣相壓裂可以有效提高煤層的透氣性，擴大煤體孔隙空間，改變煤體孔隙系統(tǒng)，在產(chǎn)生新裂紋的同時提高原有裂隙裂縫的聯(lián)通性，有效改變煤層的抽采難易程度。