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CO2气相压裂强化消突措施在掘进工作面的应用 吴 锦 旗 ，李 路 广 （山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司 ， 山西 晋城 048214 ） 摘要 随着煤炭产量的提升及开采深度的增加，煤与瓦斯突出的危险性越来越严重。玉溪煤矿将 CO2气相压裂技术运用在工作面防突措施中， 压裂后钻屑指标 K1 值超标 0 次， 工作面瓦斯涌出量在 一定程度上得到了均化， 工作面平均日进尺由压裂前的日进 3.12m 增加至压裂后的日进 5.96m， 掘进 速度提高了 91， 有效提高了煤巷掘进速度。同时， 为进一步更好的服务矿井安全生产， 应进一步考 察钻孔布置方式、 压裂压力等压参数对不同煤质的影响。 关键词 CO2； 气相压裂 ； 消突措施 ； 掘进工作面 ； 应用 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0139-03 Application of CO2gas phase fracturing and strengthening outburst prevention measures in heading face WU Jinqi , LI Luguang （Shanxi Orchid Science and Technology Yuxi Coal Mine Co., Ltd. ，Jncheng ，China ） Abstract With the increase in coal production and the increase in mining depth, the danger of coal and gas outburst is becoming more and more serious. Yuxi Coal Mine applied CO2gas phase fracturing technology to the anti-burst measures in the working face. After the fracturing, the K1 value of the cuttings index exceeded 0 times, and the gas emission from the working surface was homogenized to a cer- tain extent. The average daily footage of the working surface was The daily increase of 3.12m before fracturing increased to 5.96m after fracturing, and the excavation speed increased by 91, effectively increasing the speed of coal roadway excavation. At the same time, in order to further better serve the mine safety production, the influence of the drilling arrangement and the pressure parameters of the frac- turing pressure on different coal quality should be further investigated. Key words carbon dioxide ; gas phase fracturing ; outburst prevention measures ; tunneling face ; application 煤炭是我国国民经济发展的主要能源， 长期能 源消费以煤炭为主， 2018 年全国原煤产量达 35.5 亿 t， 占我国一次能源消费量的 59， 其战略地位在 相当长的时间内不会改变。截至 2018 年年底， 我国 约有 9000 余座矿井， 其中， 高瓦斯和煤与瓦斯突出 矿井的占 40左右。近年来， 随着煤炭产量的提升 及开采深度的增加， 煤与瓦斯突出的危险性越来越 严重，逐步成为制约煤矿安全生产的首要难题。 2017 年开始， 玉溪煤矿将 CO2气相压裂技术运用在 工作面防突措施中，部分巷道取得了较好的效果， 均化了掘进工作面瓦斯涌出量， 确保了掘进工作面 的安全， 同时有效提高了煤巷掘进速度。 1CO2气相压裂强化消突措施工作机理 煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯压力的共同 作用下， 向采掘空间突然涌出大量的煤与瓦斯的动 力现象， 为杜绝突出事故的发生， 应严格执行 “两个 四位一体” 综合防突措施。但是， 区域综合防突措施 后， 掘进工作面掘进前， 工作面前方地应力重新分 部， 时常造成工作面瓦斯涌出异常。 CO2气相压裂强 化消突措施是利用高压管内液态 CO2加热后在 20ms～40ms 内迅速转化为气态，其体积瞬间膨胀 500～600 倍为高压气体对煤层做功, 压力剧增至设定 压力压裂煤层， 产生复杂而不规则的裂隙系统， 释放 前方工作面瓦斯压力及地应力， 使前方煤体压力进一 步均化， 从而达到工作面强化消突的目的。 2试验矿井及工作面特征 玉溪煤矿 3 煤层平均约厚 5.8m， 黑色， 中细粒 条带状结构， 以镜煤为主， 亮煤次之， 含少量暗煤， 阶梯状及贝壳状断口， 中间夹矸为碳质泥岩。经鉴 定， 3 煤属不易自燃煤层， 且煤尘无爆炸危险性， 为 煤与瓦斯突出矿井。玉溪煤矿在区域防突措施方面 作了大量工作， 采用多种办法， 如底板岩巷穿层钻 孔、 CO2气相压裂， 水力造穴、 水力冲孔和定向千米 钻机顺层长钻孔等， 在区域防突措施上均取得了较 好的效果，但在区域已经消突的煤巷掘进过程中， 仍出现掘进速度慢、 瓦斯涌出量高的问题。 本阶段 CO2气相压裂强化消突措施运用在 1301 首采工作面回风 1 巷掘进顺槽工作面 642.5m 处。该工作面已利用底板岩巷施工上向穿层钻孔进 行区域消突， 并经区域措施效果检验其残余瓦斯含 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 139 ChaoXing 量为 6.67m3/t， 反演残余瓦斯为 0.28MPa， 为无突出 危险性。 1301 首采工作面回风 1 巷掘进顺槽布置在 3 煤层中， 延煤层顶板掘进， 巷道为矩形断面， 断面宽 5000mm， 高 3800mm。工作面掘进至巷道里程 620m 处为 S9 向斜轴部， 东西两侧为山坡， 巷道西侧为东 瓦斯抽放巷， 1301 回风 1 巷南侧 1301 采煤工作面， 北侧 35m 为 1301 回风 2 巷， 如图 1 所示。 图 1试验巷道回风 1 巷顺槽位置图 工作面煤体层里清晰，煤体大多坚硬为Ⅰ、 Ⅱ 类镜煤，距顶板 0.5m 有厚度约为 0.1～0.33m 的Ⅳ、 Ⅴ构煤， 煤的坚固性系数为 0.6～1.22， 掘进过程中容 易出现工作面片帮造成瓦斯超限。 3气相压裂工艺及试验方案 在 1301 回风 1 巷工作面采用双孔压裂，钻孔 开孔位置于巷道中部距离顶板 1.8m 处，钻孔垂直 工作面并平行顶板， 孔深 60- 80m。具体参数见图 2 所示。 图 2回风 1 巷气相压裂钻孔布置图 3.1CO2气相压裂施工工艺 施工工艺 施工钻孔→验孔及压裂器材检查→ 压裂器材连接、 推进→封孔→压裂→解封、 压裂器 材拆除→工作面措施效果检验→恢复工作面掘 进→防突参数测试和收集 3.2气相压裂相关技术参数 1） 钻孔孔径 113mm； 2） 钻孔倾角及方位角 沿巷道掘进方向， 垂直工 作面并平行巷道顶板， 钻孔倾角为煤层倾角 1 度； 3） 钻孔深度 60m～80m； 4） 压裂杆直径及长度 Φ72mm；单根压裂杆 1500～2000mm； 5） 压裂管数量 20～25 根； 6） 封孔深度 10m； 7） 压裂压力 120MPa～185MPa； 3.3气相压裂特别注意事项 1） 压裂杆内为高压液态二氧化碳气体， 装车和 卸车时严禁剧烈碰撞， 防止跌落； 气相压裂器材运 输到施工地点后， 放置在钻杆架上， 用雨布遮盖， 严 禁浸泡水中或淋水区域。 2） 压裂孔施工必须确保成孔质量， 遵循低压慢 速， 边进边退， 缓慢推进原则； 成孔之后用压风将煤 粉吹出， 保证钻孔平直、 光滑。 3） 压裂孔采用分次施工， 分次压裂， 防止二氧 化碳压裂造成压裂孔的塌孔。 4） 采用高压水囊带封孔， 封孔注水压力不小于 8MPa， 压裂前必须重新检查压裂杆封孔情况， 确保 封孔严密， 防止封孔效果不好影响压裂效果。 5） 气相采裂执行远距离爆破措施， 按规定设置 警戒， 所有人员撤出防突反向风门以外 300m， 专用 回风巷内严禁有人。压裂结束后等待 30min 进入现 场， 首先检查工作面煤体变化情况， 执行顶板管理 制度， 确认安全后卸压解封， 推出压裂杆。 4气相压裂应用效果 在首采工作面回风 1 巷顺槽掘进工作面累计 进行双孔气相压裂施工 6 次， 共完成 335 米巷道的 掘进。 4.1回风 1 顺槽防突指标分析 工作面措施效果检验采用钻屑瓦斯解析指标 法，钻屑指标 S 变化不明显，钻屑指标 K1 较为明 显， 实测钻屑指标 K1 值如图 3。由图可知压裂前工 作面突出危险性检测 K1 值超标 2 次，且多次超过 0.4g/ml*min1/2。 图 31301 回风 1 巷压裂前后 K1 值趋势图 实施气相压裂技术后 K1 值超标 0 次，且在工 作面措施效果检验过程中 K1 数值较为均匀，基本 保持在 0.24g/ml*min1/2 左右， 防突效果明显。 4.2回风 1 顺槽瓦斯涌出量分析 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 140 ChaoXing 工作面瓦斯涌出在风量不变的前提下， 采用对 比工作面及回风流瓦斯探头曲线变化进行分析。具 体如图 4、 图 5 所示 图 41301 回风 1 巷压裂前后工作面瓦斯浓度 图 51301 回风 1 巷压裂前后回风流瓦斯浓度 通过上图可知 压裂后巷道掘进过程中工作面 瓦斯探头变化不明显， 期间工作面因迎面片帮造成 瓦斯超限两次； 回风流瓦斯涌出趋于平稳， 瓦斯峰 值波动较小， 在第 1、 2、 3 次压裂后 （2018 年 9 月 30 日 - 2018 年 10 月 4 日） ， 掘进过程中工作面瓦斯浓 度平均保持在 0.2左右； 对比后三次压裂掘进期间 瓦斯发现瓦斯涌出浮动较大， 主要原因是工作面逐 渐接近 S10 背斜， 迎面软分层变厚， 增加了片帮风 险从而增加了工作面落煤量造成瓦斯涌出量增大， 尤其工作面探头更为明显。 4.3回风 1 顺槽掘进速度分析 根据表 1 可知在使用气相压裂前后，回风 1 巷顺槽掘进速度明显加快， 除去构造影响， 队伍影 响， 工作面平均日进尺由压裂前的日进 3.12m 增加 至压裂后的日进 5.96m， 掘进速度提高了 91。 表 11301 回风 1 巷压裂前后掘进情况统计 5结论 1） 玉溪煤矿采用 CO2气相压裂强化消突措施 后， 钻屑指标 S 值变化不明显， K1 值变化明显， 压裂 后 K1 值超标 0 次。且在工作面措施效果检验过程 中 K1 数值较为均匀，基本保持在 0.24g/ml*min1/2 左右， 防突效果明显。 2） 玉溪煤矿采用 CO2气相压裂强化消突措施 后，工作面瓦斯涌出量在一定程度上得到了均化， 但不能杜绝工作面瓦斯超限， 且会对工作面的落煤 量产生影响。 3） 玉溪煤矿采用 CO2气相压裂强化消突措施 后， 工作面平均日进尺由压裂前的日进 3.12m 增加 至压裂后的日进 5.96m， 掘进速度提高了 91。 综上所述， 二氧化碳气相压裂强化消突措施利 用高压管内液态 CO2加热后迅速转化为气态， 其体 积瞬间膨胀对煤层做功, 产生裂隙系统，释放前方 工作面瓦斯压力及地应力， 使前方煤体压力进一步 均化， 能够达到工作面强化消突的目的。但其消突 效果与工作面煤层破坏类型有较为密切的联系， 在 工作面煤体较为坚硬区域实施效果好于煤体破碎 或有软分层区域。此外， 将二氧化碳气相压裂强化 消突措施运用于工作防突措施， 对工作面煤体稳定 性有一定影响， 应进一步考察钻孔布置方式、 压裂 压力等压参数对不同煤质的影响， 以便更好的服务 矿井安全生产。 参考文献 [1] 王兆丰,孙小明,陆庭侃,韩亚北. 液态 CO2相变致裂强化 瓦斯预抽试验研究 [J]. 河南理工大学学报, 2015. [2] 宋显峰. 掘进面迎头 CO2气相压裂卸压增透技术研究 [J]. 现代矿业, 2017. [3] 陈颖辉,白俊杰,申豹刚. 新元煤矿掘进工作面气相压裂 效果分析[J]. 煤, 2017. [4] 吴锦旗. 液态 CO2预裂强化预抽消突技术在突出煤层揭 煤过程中的应用[J]. 煤炭与化工, 2015. 作者简介 [1] 吴锦旗 （1987- ） ， 男， 山西晋城人， 本科学历， 通风工程 师。 [2] 李路广 （1978- ） ， 男， 山西高平人， 本科学历， 通风高级工 程师。 （收稿日期 2019- 5- 14） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 类别 压裂 工艺 巷道 里程 （m ） 掘进 时间 累计进 尺 （m ） 有效掘进 天数 （d ） 日均进 尺 （m ） 备注 压裂前无 401～642.5 m 3.9～7.5196.5643.12 排除陷 落柱区域 2018 年 8 月开始使用气相压裂技术 压裂 1 60m双孔642.5～691.5m8.31～9.949104.9 压裂 2 60- 66m 双孔 691.5～747.5m9.14～9.225696.2 压裂 3 70m双孔747.5～796.5m9.27～10.44986.13 压裂 4 70m双孔796.5～852.5m10.9～10.165687 压裂 5 70m双孔852.5～906m 10.22～10.3053.586.69 压裂 6 70m双孔 906～976m 11.5～11.1870135.38 合 计333.5565.96 141 ChaoXing