气相压裂增透技术在煤巷掘进工作面中的应用_苏恒.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-01-16 基金项目 国家科技重大专项课题（2011ZX05040-005） Foundation itemNational Science and Technology Major Projiect（2011ZX05040-005） 作者简介 苏恒（1988），男，河南驻马店人，硕士研究生，从事瓦斯地质理论与应用工作. E-mail806368582 引用格式 苏恒，曹运兴，陈莲芳. 气相压裂增透技术在煤巷掘进工作面中的应用［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）49-52. SU Heng，CAO Yunxing，CHEN Lianfang. Application of gas phase permeability-enhancing fracturing techniques in driving face of coal road- way［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（5）49-52. 文章编号 1001-1986（2016）05-0049-04 气相压裂增透技术在煤巷掘进工作面中的应用 苏 恒 1，曹运兴1，2，陈莲芳1 （1. 河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454003； 2. 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003） 摘要 针对高瓦斯低渗煤层煤巷掘进工作面瓦斯抽采钻孔施工量大、抽采周期长、抽采效率低等 问题，提出了气相压裂增透瓦斯治理技术，介绍了气相压裂设备及技术原理，确定了工作面压裂 施工方案，并对气相压裂后的预抽效果进行了考察分析。结果显示气相压裂孔较普通钻孔抽采 量提高了 4 倍，压裂影响区域内的预抽孔抽采量提高了 2.4 倍。实践证明，气相压裂技术适用于 矿井高瓦斯松软低渗煤层的瓦斯抽采。 关 键 词气相压裂；瓦斯抽采；低渗煤层；透气性 中图分类号X936 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.009 Application of gas phase permeability-enhancing fracturing techniques in driving face of coal roadway SU Heng1，CAO Yunxing1，2，CHEN Lianfang1 （1. School of Safety Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， China； 2. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control， Jiaozuo 454003， China） Abstract Aimed at the problems such as large work volume， long extraction cycle and low gas drainage rate of holes for gas drainage in high-gas seam with low permeabilty in driving face of coal roadway， the paper presented gas phase permeability-enhancing fracturing technique， introduced the gas phase fracturing equipment and the technical principle， the scheme of fracturing operation in working face was determined， the pre-drainage effective- ness after gas phase fracturing was investigated and analyzed. The results show that the quantity of gas drainage of gas phase-fractured hole was four times more than that of ordinary hole， and the quantity of gas drainage of the pre-drainage hole increased by 2.4 times. The practice has proved that gas phase fracturing， as a technology and a technique for safe production in coal mine， is suitable for high gas and soft coal seam with low permeability. Gas phase fracturing has very important theoretical significance and wide application prospect. Key words gas phase fracturing； gas extraction； low permeability coal； permeability 随着采掘水平的不断加深，高瓦斯矿井逐渐增 多，瓦斯灾害也越来越严重地威胁着煤矿的安全生 产。目前，在采掘没有保护层开采条件的突出危险 性煤层时，预抽煤层瓦斯是预防瓦斯灾害的治本之 策，在预抽煤层瓦斯时，抽采效果的好坏主要取决 于煤层的透气性［1］。对于透气性较低难抽采的煤层， 为提高瓦斯抽采效果，就要通过各种手段使煤层卸 压增透，沟通煤层内的原有裂隙网络或产生新的裂 隙，此类技术称为低渗煤层增透技术。现阶段主要 煤层增透技术方法有水力压裂增透、高压水射流 扩孔增透、水力割缝增透、深孔控制预裂爆破增透 等［2-5］。而对气相压裂增透技术的应用涉及较少，本 文以气相压裂增透技术配合长钻孔预抽为技术手 段，解决掘进工作面煤与瓦斯突出问题，为高瓦斯 松软低渗煤层瓦斯抽采提供技术支撑。 1 气相压裂设备及技术原理 1.1 气相压裂设备 气相压裂设备主要有压裂杆装置、充气装置、 缓冲器、封孔器、连接销、推杆、手压泵、高压水 ChaoXing 50 煤田地质与勘探 第 44 卷 管、引发电缆、低压起爆器、欧姆表和推进机（可用 钻机替代）等组成。现主要介绍充气装置和压裂杆装 置。充气装置由空压机、增压泵和夹持器三部分组 成，它的作用是组装拆卸压裂杆和向压裂杆中充装 高压液态 CO2，一般充装质量在 1.25 kg 左右。压裂 杆装置结构如图 1。充气头、高压管和释放头能反 复利用，加热器和爆破片只能使用一次。 图 1 压裂杆装置结构图 Fig.1 Structure of fracturing pole equipment 1.2 气相压裂技术原理 气相压裂技术是利用 CO2在气相与液相之间的 转换特性进行爆破。CO2在 31oC 以下、7.2 MPa 压 力时以液态存在，而超过 31oC，无论其压力多大， CO2以气体形式存在。在压裂管内用专用高压泵充 装液态 CO2，使用时通过安全 CO2加热器加热，使 液态 CO2 在 20～40 ms 内迅速转化为气态，其体积 瞬间膨胀 600 多倍，压力剧增至设定压力，将爆破 片冲破，高能 CO2气体瞬间从压裂管喷气孔孔内爆 发，在预先设定的采掘位置上冲击煤体，从而达到 物理爆破增透的目的。 对煤层进行气相压裂能使煤层产生大量裂隙， 煤体内被填充或压实的裂隙被重新打开，产生大量 人工微裂隙，开启原有闭合裂隙，从而提高煤层透 气性，促使大量吸附状态的瓦斯转化为游离状态， 并为游离状态的瓦斯提供释放通道，提高瓦斯抽采 效率，缩短了工作面预抽时间，降低煤层瓦斯含量 和瓦斯压力，有效解决煤巷掘进过程中瓦斯释放不 稳定难题，降低掘进工作面突出危险性，为掘进创 造了良好的条件。 2 气相压裂的工程实践 2.1 压裂方案 此次气相压裂在山西潞安矿区五阳煤矿正在掘 进的 7609 运输巷工作面实施， 工作面的掘进对象为 山西组中下部 3 号煤层，沿顶板掘进，煤厚 5.9 m， 煤体结构为原生结构煤，瓦斯含量平均为 13 m3/t， 煤层透气性系数为 1.070 913.211 5 m2/（MPa2.d）， 衰 减系数为 0.244 3～0.265 1 d-1，煤的坚固性系数为 0.46～0.55。 根据 7609 工作面巷道布置方式及煤层的实际赋 存情况， 结合 7609 双巷掘进工作面的抽采消突技术措 施，提出在工作面迎头布置 1 个压裂钻孔和 2 个预抽 钻孔进行联合预抽方案。工作面宽 5 m、高 3.5 m，压 裂孔居于巷道正中，预抽孔分别布置在压裂孔两侧， 压裂孔与预抽孔之间间距为 2 m，钻孔布置方式如图 2 所示，压裂参数见表 1，钻孔参数见表 2。 图 2 7609 掘进工作面运输巷压裂预抽钻孔布置平面示 意图 Fig.2 Plan of fracturing and pre-drainage bore layout in con- veyance road of driving face 7609 表 1 气相压裂钻孔压裂参数表 Table 1 Fracturing parameter of gas-phase fracturing borehole 钻孔号 压裂杆数/个 压裂封孔类型 封孔长度/m 封孔压力/MPa 压裂时间/min Y0号压裂孔 15 水压封孔 15 ＞7 30 表 2 7609 掘进工作面运输巷压裂、预抽钻孔参数 Table 2 Parameters of fracturing and pre-drainage boreholes in conveyance road ofdriving face 7609 钻孔类型 开孔高度/m 孔径/mm 孔深/m 倾角/（） 水平角/（） Y0号压裂孔 1.5 115 120 1 90 Y1号、Y2号预抽孔 1.5 115 90 1 90 2.2 气相压裂效果分析 对 Y0 号孔气相压裂实施完毕后，开始解压封 孔并网，然后开始对两侧预抽孔 Y1 号 、Y2 号孔 进行施工，施工完毕后封孔并网，对上述 3 个钻孔 预抽 15 d，跟踪观察抽采数据。 2.2.1 瓦斯浓度及纯量变化 气相压裂技术结合长钻孔预抽作为掘进工作面 消突措施， 其抽采参数随煤体结构、 瓦斯特点和压裂 方案、 工艺的选取而变化。 对煤体进行压裂后煤体得 到改造， 渗透率提高， 在抽采负压的作用下瓦斯陆续 由吸附状态变成游离状态［6］。随着压裂影响区域内瓦 斯大量涌向钻孔， 煤基质将出现大幅度收缩变形， 煤 体渗透率将进一步提高［7］。在这一时期瓦斯的抽采体 积分数和抽采纯量较高， 即瓦斯快速稳定释放期。 然 后抽采体积分数和纯量逐渐降低， 最后进入瓦斯低速 稳定释放期， 在从高速向低速过渡阶段， 瓦斯抽采参 ChaoXing 第 5 期 苏恒等 气相压裂增透技术在煤巷掘进工作面中的应用 51 数出现不稳定现象，这可能是由于 CO2对瓦斯的驱 替三态耦合的结果。 气相压裂孔与两侧预抽孔瓦斯抽 采指标变化曲线如图 3 所示，由图 3 得知 a. Y0号压裂孔在15 d内的平均瓦斯抽采体积分数为 34.69％，抽采纯量为0.255 m3/min。其中瓦斯高速稳定释 放期为19 d， 该时期平均瓦斯抽采体积分数为43.7％， 纯 量为0.348 m3/min；瓦斯不稳定释放期为1012 d，该时期 平均瓦斯抽采体积分数为 26.4％，纯量为 0.182 m3/min； 瓦斯低速稳定释放期为 1315 d，该时期平均瓦斯抽采 体积分数为16％，纯量为0.05 m3/min，符合上述瓦斯释 放速度“高-不稳定-低”的变化规律。 b. Y1 号、 Y2 号预抽孔在 15 d 内的平均瓦斯抽采 体积分数分别为 49.14％、47.53％，抽采纯量分别为 0.157 m3/min、0.147 m3/min。其中瓦斯高速稳定释放 期为 16 d，该时期平均瓦斯抽采体积分数分别为 66.6％、 62.2％， 纯量分别为 0.24 m3/min、 0.214 m3/min； 瓦斯不稳定释放期为 79 d，该时期平均瓦斯抽采体 积分数分别为 51.4％、 46.3％， 纯量分别为 0.17 m3/min、 0.172 m3/min；瓦斯低速稳定释放期为 915 d，该时 期平均瓦斯抽采浓度分别为 35.9％、33.5％，纯量分 别为 0.066 m3/min、0.067 m3/min。同样符合上述瓦 斯释放速度“高-不稳定-低”的变化规律，但其瓦斯 高速释放期相比压裂孔短而提前进入衰减期，说明 其受到气相压裂的影响且影响区域小于压裂孔。 图 3 气相压裂孔与两侧预抽孔瓦斯抽采指标变化 Fig.3 Variaton of gas extraction indicators of gas phase fracturing borehole and pre-drainage boreholes at two isdes 2.2.2 对比效果分析 为了较准确的评价气相压裂增透对瓦斯抽采效 果的影响，按如下原则布置三个对比钻孔。对比孔 的选区与布置原则 a. 对比钻孔所在区域原始瓦斯含量与压裂区 域的原始瓦斯含量相差不大； b. 对比钻孔所在位置的地质条件与压裂区域 所处地质条件相同或相似； c. 对比钻孔所在巷道位置地应力、瓦斯压力与 压裂区域的地应力、瓦斯压力基本一致； d. 对比钻孔的个数、钻孔间距、开孔高度、钻孔倾 角、钻孔深度与压裂区域的压裂孔、预抽孔布置相同。 对比钻孔的瓦斯抽采指标变化曲线如图 4 所 示。从图 4 可以看出三个对比钻孔的瓦斯高速释 放期仅有 3 d 或 4 d，然后进入低速释放期，而不存 在不稳定释放期，符合“高-低”变化趋势。其中在观 测的前 15 d 内，D0 号、D1 号、D2 号三个对比孔 的平均瓦斯抽采体积分数分别为 20.59％、 23.71％和 22.23％， 瓦斯纯量分别为0.061 m3/min、 0.063 m3/min 和 0.065 m3/min，而气相压裂孔的平均抽采体积分 数为 34.69％，抽采纯量为 0.255 m3/min。由上述数 据知气相压裂孔相较于普通钻孔瓦斯抽采量提高了 4 倍，这大大提高了钻孔的抽采效率，减少了预抽 时间与大量的钻孔施工。 3 结 论 a. 气相压裂后，压裂影响区域瓦斯抽采参数的 变化具有明显的特点， 其浓度和纯量的变化为“高 图 4 气相压裂孔与对比钻孔瓦斯抽采指标变化 Fig.4 Variation of gas extraction indicators of gas phase fracturing borehole and comparative borehole ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 44 卷 不稳定低”的轨迹， 而普通孔的体积分数和纯量的 变化为“高低”轨迹。 b. 普通对比钻孔瓦斯抽采时衰减速度快， 气相压裂 孔与压裂影响区域内的预抽孔能保持较高的抽采水平。 气相压裂孔相对于对比孔抽采量提高了4 倍，压裂影响 区域内的预抽孔相对于对比孔抽采量提高了 2.4 倍。 c. 气相压裂技术需研究压裂孔孔壁周围各带的 特征，确定各参数之间的相互关系，提出更加合理完 善的压裂技术方案。另外，根据各参数关系，才能设 计、制造、研制出最优技术经济指标的压裂配套设备 与标准化的系统，使之能满足不同采煤技术条件的煤 矿瓦斯抽采要求， 此项工作还需今后进一步深化研究。 参考文献 ［1］ 孙炳兴， 王兆丰， 伍厚荣. 水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的 应用［J］. 煤炭科学技术，2010，38（11）78-80. 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