田新亮

(潞安集团 通风处，山西 长治 046204)

1 技术简介

CO2气相压裂卸压增透技术是利用高能气体瞬间作用于煤层，使煤体松动，化解可能存在的“瓦斯包”，使应力集中区向煤体深部移动，在迎头前方造成较长的卸压带，均化压力场，平衡应力场；压裂瞬间能使煤体产生大量裂隙，煤体内被填充或压实的裂隙被重新打开，从而提高煤层透气性、渗透率，促使大量吸附状态的瓦斯转化为游离状态；由于煤体对CO2的吸附能力大于CH4，压裂后部分CH4气体被置换出来，通过导通裂隙与释放孔排至回风流，降低煤体瓦斯含量。

该技术利用迎头超前探孔进行气相压裂卸压增透，并在巷道两帮迈步钻场内施工钻孔，对迎头前方煤层瓦斯进行抽采，气相压裂施工技术参数如表1所示，钻孔布置如图1所示。

表1 气相压裂施工技术参数

气相压裂技术的相关设备及连接顺序如图2所示，主要由压裂杆、封孔器、推杆、引线、发爆器及加压泵等组成。压裂杆在压裂孔内安装到位后，由发爆器进行远程起爆，装在压裂杆内的加热器在低压电流作用下反应，释放热能促使液态CO2瞬间转化为气态，由压裂杆的释放头释放冲击波，作用于钻孔周围煤体，达到卸压、增透、促排的作用。

图1 压裂孔及护帮钻孔布置(m)

图2 气相压裂施工设备布置

2 应用地点概况

余吾煤业S2108胶带巷在西翼胶带大巷开口，沿3号煤层底板掘进，巷道平均坡度+3°，煤层厚度5.32～6.15 m，掘进过程实测煤层最大瓦斯含量为9.748 2 m3∕t，煤层普氏系数f=0.47。巷道设计长度为1 351 m，截止2015年2月5日，巷道累计掘进395 m，并从此时开始循环使用CO2气相压裂技术。

N1101胶带巷在西翼胶带大巷开口，沿3号煤层底板掘进，倾角为0～-5°，煤层厚度6.34 m，掘进过程实测煤层最大瓦斯含量为9.912 8 m3∕t，煤层普氏系数f=0.49。巷道设计长度为2 487 m，截止 2014年11月20日，巷道累计掘进385 m，并从此时开始循环使用CO2气相压裂技术。

N2103工作面胶带巷沿3号煤底板掘进，倾角为-6～+5°，煤层厚度6.65 m，掘进过程实测煤层最大瓦斯含量为10.101 4 m3∕t，煤层普氏系数f=0.53。巷道设计长度为3 148 m，截止 2015年12月16日，巷道累计掘进2 115 m，并从此时开始循环使用CO2气相压裂技术。

3 应用效果分析

3.1 提高瓦斯涌出均匀性

CO2气相压裂能够消除掘进前方可能存在的“瓦斯包”，使迎头前方煤体瓦斯均匀分布并匀速涌出，减少工作面瓦斯涌出强度忽大忽小的现象，提高工作面瓦斯涌出的均匀性。

工作面回风流瓦斯浓度变化曲线能够直观地反映出一段时间内工作面瓦斯涌出强度的变化情况，瓦斯涌出不均衡系数是表征工作面瓦斯涌出的不均匀性的物理量，故可通过对比分析气相压裂前后工作面回风流瓦斯浓度变化情况及瓦斯涌出不均衡系数，评价气相压裂效果。

3.1.1 回风流瓦斯浓度变化曲线

S2108胶带巷气相压裂前后各选取1个月回风流瓦斯浓度变化曲线，分别如图3、图4所示。由图可知，未采用气相压裂技术时，回风流瓦斯浓度1天内最大达0.52%，最小至0.18%，其变化幅度相对较大，且基本在0.2%以上；循环采用气相压裂技术后，瓦斯浓度变化幅度在0.1%以内，瓦斯浓度变化幅度相对减少了50%。

图3 S2108胶带巷工作面回风流瓦斯浓度变化曲线(压裂前)

图4 S2108胶带巷工作面回风流瓦斯浓度变化曲线(压裂后)

N1101胶带巷气相压裂前后各选取1个月回风流瓦斯浓度变化曲线，分别如图5、图6所示。由图可知，未采用气相压裂技术时，回风流瓦斯浓度1天内最大达0.65%，最小至0.25%，其变化幅度相对较大，且基本在0.25%以上；循环采用气相压裂技术后，瓦斯浓度变化幅度基本在0.1%以内，瓦斯浓度变化幅度相对减少了60%。

图5 N1101胶带巷工作面回风流瓦斯浓度变化曲线(压裂前)

图6 N1101胶带巷工作面回风流瓦斯浓度变化曲线(压裂后)

N2103胶带巷气相压裂前后各选取1个月回风流瓦斯浓度变化曲线，分别如图7、图8所示。由图可知，未采用气相压裂技术时，回风流瓦斯浓度1天内最大达0.65%，最小至0.35%，其变化幅度相对较大，且基本在0.15%以上；循环采用气相压裂技术后，瓦斯浓度变化幅度基本在0.1%以内，瓦斯浓度变化幅度相对减少了33%。

图7 N2103胶带巷工作面回风流瓦斯浓度变化曲线(压裂前)

图8 N2103胶带巷工作面回风流瓦斯浓度变化曲线图(压裂后)

3.1.2 工作面瓦斯涌出不均衡性系数分析

S2108胶带巷工作面瓦斯涌出不均衡系数变化曲线如图9所示，由图可知，未采用气相压裂技术时，工作面瓦斯涌出不均衡系数波动较大，且基本在1.65左右，整体相对较大；循环采用气相压裂技术后，涌出不均衡系数呈缓慢下降趋势，并逐步稳定到1.25左右，瓦斯涌出不均衡系数相对降低了24%。

图9 S2108胶带巷工作面瓦斯涌出不均衡系数变化

N1101胶带巷工作面瓦斯涌出不均衡系数变化曲线如图10所示，由图可知，未采用气相压裂技术时，工作面瓦斯涌出不均衡系数波动较大，最大达2.7，平均为1.6，整体相对较大；循环采用气相压裂技术后，涌出不均衡系数呈缓慢下降趋势，并逐步稳定到1.35上下，瓦斯涌出不均衡系数相对降低了17%。

图10 N1101胶带巷工作面瓦斯涌出不均衡系数变化

N2103胶带巷工作面瓦斯涌出不均衡系数变化曲线如图11所示，由图可知，未采用气相压裂技术时，工作面瓦斯涌出不均衡系数基本在1.35左右，部分时段急剧增大；循环采用气相压裂技术后，涌出不均衡系数呈缓慢下降趋势，但下降的幅度相对较小，并逐步稳定到1.2左右，瓦斯涌出不均衡系数相对降低了11%。

图11 N2103胶带巷工作面瓦斯涌出不均衡系数变化

迎头CO2气相压裂一定程度上提高了工作面瓦斯涌出均匀性，S2108胶带巷、N1101胶带巷及N2103胶带巷的回风流瓦斯浓度变化幅度压裂区域较非压裂区域分别减少了50%、60%、33%；瓦斯涌出不均衡系数压裂区域较非压裂区域分别降低了24%、17%、11%。

3.2 提高巷道掘进速度

在掘进工作面迎头进行气相压裂后，会使迎头煤体松动，煤体透气性系数短时间内大大增加，使得迎头瓦斯在工作面迎头不生产期间也得到充分快速释放，从而降低迎头煤体残余瓦斯含量，缓解迎头快速割煤期间瓦斯大量涌出而导致瓦斯预警的压力，缩短单排割煤时间，提高掘进速度。

通过统计余吾煤业压裂前后一段时间内工作面掘进月进尺，计算平均日进尺来评价气相压裂对掘进速度的影响。然而工作面的掘进速度与诸多因素有关，如煤层原始瓦斯含量、生产组织、机械故障等，且众多因素无法一一考究，现仅将掘进工作面迎头超前探施工、检修放假因素考虑在内以计算月掘进平均速度，以辅助分析。

S2108胶带巷工作面掘进情况：其中2014年11月至2015年1月工作面未采取压裂措施，且未在迎头施工超前探孔，2015年2月至11月开始采取迎头超前探及气相压裂措施，平均日进尺及掘进速度逐月变化曲线如图12所示。

图12 S2108胶带巷掘进月平均日进尺及掘进速度变化曲线

由图12可知，非气相压裂区域和气相压裂区域相比较，平均日进尺及月掘进平均速度均呈上升趋势。

N1101胶带巷工作面逐月掘进情况：其中2014年7月至11月工作面未采取压裂措施，且未在迎头施工超前探孔，2014年12月至2015年11月开始采取迎头超前探及气相压裂措施，平均日进尺及掘进速度逐月变化曲线如图13所示。

图13 N1101胶带巷掘进月平均日进尺及掘进速度变化曲线

由图13可知，非气相压裂区域和气相压裂区域相比较，虽然工作面受迎头施工超前探及生产组织影响，平均日进尺呈减少趋势，但工作面掘进速度整体上小幅度提升。

N2103胶带巷工作面逐月掘进情况：其中2014年4月至12月工作面未采取压裂措施，且未在迎头施工超前探孔，2015年1月至11月开始采取迎头超前探及气相压裂措施，期间生产组织不正常，平均日进尺及掘进速度逐月变化曲线如图14所示。

图14 N2103胶带巷掘进月平均日进尺及掘进速度变化曲线

由图14可知，非气相压裂区域和气相压裂区域相比较，工作面受区域瓦斯含量升高及迎头施工超前探及生产组织影响，平均日进尺有所减少，但工作面掘进速度有小幅度提升，但掘进的安全性得到充分保障。

3.3 百米瓦斯预警次数

S2108胶带巷、N1101胶带巷、N2103胶带巷气相压裂区域与非压裂区域，巷道平均每掘进100 m的瓦斯预警次数对比分析，如图15所示。

图15 百米瓦斯预警次数对比分析

由图15可知，非压裂区域3个地点的百米瓦斯预警次数分别为0.81、0.6、0.57次，压裂区域分别为0、0.08、0.73次，除N2103胶带巷因掘进区域供风距离较长，巷道煤壁瓦斯涌出量增高而导致瓦斯预警次数约有增加外，其余两地点瓦斯预警次数均明显下降。

4 结 语

CO2气相压裂能够在一定程度上提高工作面瓦斯涌出均匀性，减少瓦斯异常涌出，大幅度降低瓦斯预警次数，保障了掘进工作的安全开展。