氣相壓裂增透技術(shù)在立井揭煤中的運(yùn)用范文

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《建井技術(shù)》2017年第3期

摘要：常規(guī)的穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，抽采瓦斯速度較慢，抽采效果較差，揭煤工期較長，且安全保障程度較低。五陽煤礦擴(kuò)區(qū)進(jìn)風(fēng)立井揭煤施工中，運(yùn)用CO2氣相壓裂增透技術(shù)，安全高效地揭穿了深厚突出煤層，為同類工程施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：立井揭煤；CO2氣相壓裂增透；突出煤層；煤體加固

1工程及地質(zhì)概況

山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦位于山西省襄垣縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4．0Mt／a，為高瓦斯礦井。該礦擴(kuò)區(qū)進(jìn)風(fēng)立井凈直徑8．8m，設(shè)計(jì)深度804．3m。井筒沖積層段采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度220．5m，雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁；凍結(jié)段以下基巖段采取普通法施工。基巖段井壁結(jié)構(gòu)：220．50～736．3m段為素混凝土雙層井壁，外壁厚度350mm，內(nèi)壁厚度450mm；736．3～804．3m段為素混凝土單層井壁，厚度450mm，混凝土強(qiáng)度等級均為C45。井筒檢查孔報告及前探鉆孔探測情況均顯示，主采3號煤層位于井深728．40～734．20m處，厚度5．80m，位于山西組地層中下部，煤層結(jié)構(gòu)簡單，以亮煤為主，次為暗煤。煤層下部含夾矸1層，厚度0．80m，為泥巖或炭質(zhì)泥巖。煤層頂板為泥巖，灰黑色，中厚層狀，性脆，貝殼狀斷口，含植物化石；底板為泥巖，深灰黑色，塊狀，斷口平坦。區(qū)域預(yù)測鉆孔實(shí)測瓦斯原始壓力介于2．23～3．72MPa之間，瓦斯含量20．13m3／t。測壓孔施工中，有明顯的噴孔頂鉆瓦斯動力現(xiàn)象，故須將該煤層視為突出煤層管理。

2區(qū)域防突措施

2．1探煤

井筒掘進(jìn)至距3號煤層頂板20m（即井深708．4m）時，施工了4個探煤鉆孔，對稱布置于井筒工作面。鉆孔穿透煤層，進(jìn)入底板0．5m，準(zhǔn)確探測出了煤層賦存形態(tài)、產(chǎn)狀。

2．2區(qū)域綜合防突

2．2．1區(qū)域突出危險性預(yù)測

按照探煤時獲取的里程數(shù)據(jù)，井筒工作面施工至距3號煤層頂板法向距離10m時，施工了4個測壓鉆孔，穿透煤層，進(jìn)入煤層底板0．5m，實(shí)測了瓦斯壓力及瓦斯含量。

2．2．2區(qū)域綜合防突措施

根據(jù)對煤層突出危險性預(yù)測結(jié)果，區(qū)域綜合防突采取CO2氣相壓裂增透＋穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯快速消突措施［2］。

（1）CO2氣相壓裂增透CO2氣相壓裂增透技術(shù)是利用化學(xué)加熱壓裂管中充填的液態(tài)CO2，使其迅速轉(zhuǎn)化成高能量氣體，瞬間作用于煤層，將煤層震松，產(chǎn)生大量裂隙，使控制范圍內(nèi)煤體中可能存在的聚積瓦斯均勻分布并通過鉆孔快速擴(kuò)散，從而起到消突作用［3］。CO2氣相壓裂設(shè)備型號C－74，壓裂桿直徑67mm，單根壓裂桿長度2m，液態(tài)CO2質(zhì)量（1．5±0．2）kg／根，液態(tài)CO2膨脹體積1∶600，反應(yīng)時間約20～40ms，壓力60～270MPa，封孔長度1m。氣相壓裂在擴(kuò)區(qū)進(jìn)風(fēng)立井工作面距煤層頂板法向距離8m處實(shí)施。共施工氣相壓裂孔31個，每個壓裂孔內(nèi)布置3根壓裂桿（見圖1）。壓裂桿之間串聯(lián)，每個壓裂桿頭均有1個起爆裝置。壓裂桿全部裝填完成后，進(jìn)行氣相壓裂施工。

（2）穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯消突根據(jù)礦上提供的資料，該礦揭煤區(qū)域抽采鉆孔終孔間距為5m，設(shè)計(jì)預(yù)抽區(qū)域防突措施鉆孔總數(shù)為112個，在距煤層頂板法向距離8m處施工。鉆孔均穿過煤層，進(jìn)入煤層底板0．5m。在地面距進(jìn)風(fēng)立井井口50m以外安裝1臺2BE1355－1BD3型水環(huán)真空泵。在井筒內(nèi)懸吊1趟159mm無縫鋼管作為抽放干管；抽放管支管選用60mmPVC管，采用聚氨酯材料封孔。井筒工作面每個鉆孔施工完成后，立即接入抽放管路，不得自然排放，以避免瓦斯超限，直到鉆孔全部施工結(jié)束，并網(wǎng)完畢。每個抽放支管均安設(shè)閘閥，以便隨時觀察和控制單孔抽放量。

2．3區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)

區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)指標(biāo)主要采用瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)（Δh2或K1值）。按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，進(jìn)行效果檢驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)。在區(qū)域措施鉆孔施工密度最小、施工時間最晚的措施鉆孔附近，施工4個效果檢驗(yàn)鉆孔，測定鉆孔取出的濕煤樣。實(shí)測煤層殘余瓦斯含量為6m3／t，Δh2為120Pa，K1為0．2mL／（g•min1／2），據(jù)此確定可掘進(jìn)至距煤層頂板法向距離5m前。

2．4區(qū)域驗(yàn)證區(qū)域驗(yàn)證與工作面

突出危險性預(yù)測方法相同。在距煤層頂板法向距離5m前，施工4個驗(yàn)證鉆孔，實(shí)測各項(xiàng)指標(biāo)均符合防突要求，確認(rèn)煤層無突出危險性，可進(jìn)行下一步局部綜合防突施工。

3局部綜合防突措施

（1）鋼筋混凝土骨架煤體加固技術(shù)在井筒工作面距煤層頂板法向距離5m前，實(shí)施鋼筋混凝土骨架煤體加固措施。煤體加固鉆孔平面徑向布置，孔徑75mm，開孔位置距井壁0．5m（布置圈徑7．8m），外扎角12°，共布置25個，孔間距1m。鉆孔穿過煤層，深入煤層底板0．5m，終孔位置超出荒徑2m。鉆孔施工完畢，孔內(nèi)放置20mm×11m螺紋鋼筋后，注入水灰比為1∶1的P•O42．5水泥漿液。漿液凝固后，與煤體固結(jié)，形成結(jié)石體帷幕，增加井筒周邊煤體強(qiáng)度，防止煤層突出［5］。

（2）區(qū)域驗(yàn)證煤體加固結(jié)束后，井筒掘進(jìn)至距煤層頂板法向距離2m處后，進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證。該處區(qū)域驗(yàn)證方法與工作面突出危險性預(yù)測相同，驗(yàn)證鉆孔為5個，驗(yàn)證指標(biāo)與距煤層頂板法向距離5m前一致。經(jīng)驗(yàn)證，工作面無突出危險性［6］。

4遠(yuǎn)距離爆破揭煤施工

采取CO2氣相壓裂增透＋穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施和鋼筋混凝土骨架煤體加固技術(shù)后，經(jīng)區(qū)域防突效果驗(yàn)證，防突措施有效，確定在距煤層頂板法向距離2m前，采用遠(yuǎn)距離爆破方法，揭開煤層，施工安全順利。

5施工效果

經(jīng)測算，采用常規(guī)抽采方式揭穿該煤層，工期需128d；而采用該項(xiàng)技術(shù)，工期共80d（探煤3d，測壓7d，井筒掘進(jìn)支護(hù)10d，CO2氣相壓裂10d，瓦斯抽放46d，準(zhǔn)備及收尾4d），比常規(guī)方法提前工期48d。實(shí)踐證明，采用該項(xiàng)技術(shù)，可大大縮短揭煤工期，解決立井揭穿深厚突出煤層預(yù)抽瓦斯時間過長、抽放效果不佳等問題，節(jié)省揭煤施工期間的各項(xiàng)費(fèi)用，取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，并且施工安全，是立井揭穿深厚突出煤層的經(jīng)濟(jì)可行的有效方法。

參考文獻(xiàn)：

［1］宋顯鋒．掘進(jìn)面迎頭CO2氣相壓裂卸壓增透技術(shù)研究［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2017（2）：186－187．

［2］張為民，秦續(xù)峰．薄基巖厚煤層立井凍結(jié)掘砌施工［J］．建井技術(shù)，2016，37（4）：1－3．

［3］張超杰，蔣承林．多立井揭煤聯(lián)合區(qū)域防突措施的實(shí)踐與探索［J］．煤炭技術(shù)，2015，34（5）：144－146．

［4］姚再峰，何富連，王文博．氣相壓裂技術(shù)提高綜放面初采的研究［J］．煤炭技術(shù)，2015，34（4）：28－30．

［5］孫仕元，李翔．淮南礦區(qū)立井揭煤段井筒加固技術(shù)［J］．建井技術(shù)，2016，37（5）：21－24．

［6］穆朝云，鄧中，張明．深立井井筒揭穿低透氣性突出煤層綜合防突技術(shù)［J］．江西煤炭科技，2014（4）：1－4.

作者：韓曉東 單位：中煤第一建設(shè)有限公司