基于水力压裂增透的多煤层瓦斯隧道快速揭煤防突技术研究

任青阳，柯善剑，刘海军，肖宋强

(1.重庆交通大学 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074； 2.中海建筑有限公司，广东 深圳 518000；3.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，重庆 401120)

随着我国交通强国战略的不断推进，公路等基础交通设施正大规模建设。然而，我国山地所占全国面积约为1/3，尤其西南地区含煤系地层较为发育，隧道穿越煤系地层的情况日益增多[1-6]。据统计，截至2019年底我国(不含港澳台地区)已修公路隧道中瓦斯隧道160座，其中长度达3 km以上的瓦斯隧道超过50座[7-8]。由于煤系地层段地质构造复杂、煤岩体强度低且软弱破碎，加之大量瓦斯和高瓦斯压力的存在，瓦斯隧道开挖极易诱发瓦斯事故，威胁施工人员生命财产安全，耽误工期并影响工程效益。因此，在隧道开挖穿越煤系地层段之前，准确掌握煤岩层赋存状况，并根据煤层瓦斯突出危险情况采取有效的揭煤防突措施，对瓦斯隧道的安全、高效开挖具有重要意义[9]。

国内外学者对瓦斯隧道揭煤防突方法及技术开展了相应研究。如朱建伟等[10]以重庆鹞子岩隧道为背景，利用超前长钻孔获得煤层产状和瓦斯参数等数据，并在此基础上采用多煤层平导与正硐区域联合揭煤防突施工技术。任青阳等[11]探讨了超前地质钻探法在复杂煤系地层隧道中的应用，制定出地质调查与超前地质钻探相结合的复杂煤系地层探测方法，描述了该方法技术的工艺流程，并应用于穿越煤系地层瓦斯隧道实际工程。李栋等[12]对比分析了煤矿石门揭煤和铁路大断面隧道揭煤特点，结合防突规定研究了铁路大断面瓦斯隧道中地质预报和瓦斯突出危险预测等工艺流程，并基于某一瓦斯隧道揭煤工程阐述了割缝控制水力压裂增透防突技术。甘甜香[13]基于正习高速公路2座穿越煤系地层隧道，分析了隧道煤系地层段施工难点，利用Midas/GTS NX数值计算软件，研究了穿越倾斜煤层时隧道过程中围岩和支护结构的变形和应力状况，明确了隧道结构薄弱部位。综上所述，现有研究主要集中在瓦斯隧道超前地质预报探测、隧道开挖围岩稳定性分析等，而关于隧道煤系地层防突技术多参照煤矿石门揭煤防突技术。然而，防突措施在隧道开挖中实施空间及时间紧张，加之开挖断面大，无法照搬煤矿井下石门揭煤有关防突措施。此外，现有瓦斯隧道的有效防突技术经验较少，缺乏可用的借鉴经验。

本文以正习高速公路天城坝多煤层高瓦斯隧道为研究对象，形成了基于水力压裂增透的多煤层瓦斯隧道揭煤防突技术，分析了多煤层瓦斯隧道揭煤防突流程，探讨了隧道水力压裂防突技术中压裂钻孔布置、压裂工艺、封孔工艺和压裂关键参数等，并对防突效果进行了分析探讨。研究成果可为类似瓦斯隧道揭煤防突施工提供借鉴。

1 水力压裂煤层增透原理及增透效果分析

水力压裂技术起源于油气系统压裂技术，其技术原理是通过高压泵将大量压力水注入煤层中，使钻孔周围煤体应力场发生改变，当煤体应力大于其破裂压力时，煤体发生破坏产生新裂纹，在压力水作用下，裂纹将进一步扩展延伸。此外，煤体是典型的非均质多孔介质，其内部具有丰富的原生节理裂隙[14-15]。水力压裂不仅能在煤层中产生新裂隙，而且新裂隙将与煤体原生裂隙联通，从而在煤层中构造出复杂的网状裂缝，大幅增加了煤体瓦斯解吸流动通道，从而使煤层透气性大大提高，有利于煤层瓦斯抽采。大量学者对水力压裂理论及技术开展了研究，认为高压水致裂煤体的过程可描述为“压裂—充水浸润扩张—再压裂—再充水浸润扩张”的裂纹起裂扩展及煤体浸润过程[16]。

煤层水力压裂增透效果受水压裂缝分布情况的影响，而裂缝展布形态受地应力、煤体强度、天然弱面等控制。煤层水压裂缝发展过程如图1所示，地应力侧压系数对裂缝扩展的影响如图2所示，水压裂缝发展过程依次为应力累积阶段、裂缝起裂阶段、裂缝扩展阶段和裂缝扩展完成阶段[17-18]。随着压裂钻孔内水压力不断增大，使钻孔周围煤岩体应力发生重新分布，并形成拉应力增高区，为应力累积阶段；当钻孔壁煤体应力累积量超过其极限强度时(主要为拉伸破坏)，煤体发生破裂形成微裂缝，为裂缝起裂阶段；随着压力水不断注入煤体内，裂缝尖端在水楔作用下始终为应力增高区，使微裂缝不断扩展延伸形成宏观主裂缝，为裂缝扩展阶段；当注入煤体的高压水量与煤体内滤失的水量达到平衡时，裂缝扩展将停止，形成稳定的水压主裂缝，为裂缝扩展完成阶段。此外，裂缝扩展方向受地应力状态的影响，当最大和最小水平主应力相同时(即地应力侧压系数λ=1)，钻孔周围会出现较多裂缝，裂缝扩展没有固定方向，呈随机分布；当最大和最小水平主应力相同时，裂缝沿最大主应力方向起裂扩展。同时研究发现，煤层水力压裂过程也是高压水驱替瓦斯过程，压裂过程中煤层内赋存的瓦斯被高压水驱赶压缩，形成瓦斯压力梯度；压裂结束后进行瓦斯抽采，由于煤体孔隙水压的急剧降低，瓦斯在瓦斯压力梯度下沿抽采钻孔运移，使钻孔内涌出大量的高浓度瓦斯，显著提高钻孔瓦斯抽采效果[19]。综合而言，水力压裂技术已在许多低透气性煤层增透中广泛应用，如重庆松藻矿区、河南平顶山矿区等多个矿井均开展了水力压裂增透技术，并取得了良好效果。然而，水力压裂增透技术在瓦斯隧道揭煤防突中应用较少，尤其是穿越近距离煤层群的高瓦斯隧道，缺乏相关瓦斯隧道水力压裂技术的理论及技术指导。因此探讨水力压裂技术在瓦斯隧道揭煤防突中的应用十分有必要。

图1 煤层水压裂缝发展过程Fig.1 Development process of hydraulic fractures in coal seams

图2 地应力侧压系数对水压裂缝的影响Fig.2 Influence of in-situ stress lateral pressure coefficient on hydraulic fractures

2 工程概况

天城坝隧道位于遵义市习水县仙源镇北约5.50 km，按单向双线分离式设计，左、右两线长度分别为4 210、4 245 m，左线和右线最大埋深分别为525.2、388.3 m。如图3所示，天城坝隧道共穿越9层煤，煤层从上往下编号分别为C5、C6、C7-1、C7-2、C7-3、C8-1、C8-2、C11和C12，含煤层总厚度6.28～13.65 m，平均为10.4 m。其中，C6、C7-2、C8-1、C8-2煤层为可采煤层，尤其C6和C8煤层厚度达2.17 m和4.56 m；煤层瓦斯含量达7.01～37.16 m3/t，煤层瓦斯压力高达4.12 MPa。

图3 天城坝隧道穿越煤层情况Fig.3 Status for Tianchengba tunnel passing through the coal seam

3 多煤层瓦斯隧道揭煤防突流程

根据《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》要求[20]，结合煤矿井下石门揭煤防突经验，提出多煤层瓦斯隧道水力压裂增透及揭煤防突体系。具体工艺流程如图4所示。

图4 多煤层瓦斯隧道揭煤防突流程Fig.4 Flow chart of outburst prevention during tunnel exposing the multi coal seams

首先，基于隧道地质物探结果，在隧道距离煤系地层段30 m处开展超前地质预报，对煤层位置进行探测，并对钻孔过程中喷孔、顶钻等瓦斯动力现象进行观察。然后，距煤层法向距离20 m处施工不少于3个的初探钻孔，开展煤层区域突出危险性预测。

随后，在距煤层法距12 m处再实施多个检测钻孔，再次对煤层突出危险性进行精准探测。对存在突出危险性的煤层，需进行区域防突措施(该工程采用水力压裂增透技术)，并对防突效果进行检验，若再次不达标则进一步补充防突措施。当煤层区域防突指标达标后，方可开挖工作面至距离煤层法距5 m处，且对突出危险性煤层开展工作面防突及检验；若存在突出危险，则需要补充工作面防突措施，待防突效果检验确认无危险性后，可将开挖面边探边掘至距煤层最小法距2 m处。

接着，需要再次对煤层突出危险性进行验证，待确认煤层无突出危险性之后，可以借助安全防护措施进行隧道揭煤作业。在隧道揭煤中和揭开煤层后，均要求对煤层进行突出危险性验证，待边验证边掘进过完煤层至距煤层法距5 m后，完成隧道揭煤作业。

3.1 超前地质综合预报

为获得瓦斯隧道穿越煤系地层情况，如煤层产状、瓦斯赋存状况等，从而为后续防突措施的制定提供基础数据，在进行隧道揭煤作业前，需对煤系地层段进行超前地质预报。首先，在距离煤层30 m处，施工φ76 mm的地质钻孔，对煤层位置、走向等产状情况进行探测。在距煤层法向距离20 m处时，进一步施工地质初探钻孔，分析掘进面前方煤岩层性质、产状、断层褶皱等地质构造和岩溶发育情况等地质资料。在隧道开挖掘进面与煤层垂距12 m处，施工多个地质精探钻孔，并使勘探钻孔控制在隧道轮廓线外5 m，准确预测煤岩层位置、产状及厚度等。

3.2 突出危险性预测

在隧道开挖掘进面距煤层法距12 m处，通过地质精探钻孔测定煤层瓦斯含量W、瓦斯压力P、瓦斯放散初速度ΔP、煤体坚固性系数f和煤的破坏类型等参数，同时结合钻孔过程中的瓦斯动力现象，如喷孔、夹钻、顶钻等，综合判断煤层是否具有瓦斯突出危险性。经测定，天城坝隧道有关煤层瓦斯突出危险性预测指标结果见表1。

表1 天城坝隧道穿越煤层的瓦斯突出性情况Tab.1 Gas outburst status in Tianchengba tunnel passing through coal seam

根据《防治煤与瓦斯突出细则》[21]，C6和C8煤层各项指标均达到煤层突出性单项指标临界值，如C6和C8煤层瓦斯压力平均值分别为3.19、2.46 MPa；C7煤层除煤体坚固性系数未达到煤层突出性单项指标临界值外，其他指标均超过指标临界值(煤层瓦斯压力平均为1.87 MPa)，故综合判断C6—C8煤层具有突出危险性。因此，为确保安全，需对突出煤层采取防突措施。

4 多煤层瓦斯隧道揭煤防突技术

针对天城坝隧道煤层瓦斯突出危险情况，为实现隧道安全高效快速揭煤防突施工，借鉴水力压裂增透技术在煤矿井下石门揭煤中成功应用经验，决定采用以水力压裂煤层增透方法为核心的揭煤防突措施。具体以C6煤层为例进行介绍。

4.1 压裂钻孔布置及压裂工艺

压裂钻孔施工位置为距C6煤层14.6 m最小法向距离处，通过掘进面向煤层施工穿层钻孔，钻孔终孔于隧道开挖轮廓线的上边缘处，且超出C6煤层底板0.5 m；钻孔直径76 mm，深度为94.3 m，压裂钻孔沿隧道方向299°，钻孔倾角10°。

水力压裂钻孔布置完成后，在钻孔内按要求放入压裂管、注浆管。所用压裂管的煤层段为带筛孔的筛管，其他段为无缝钢管；注浆管为铝塑管，与压裂管固定在一起，并通过钻机放入钻孔内。随后对压裂钻孔进行封孔，封孔结束后需对封孔材料进行养护，待封孔养护达标后连接压裂设备及其管路，可进行水力压裂煤层作业。水力压裂工艺流程及装备连接如图5所示。

图5 水力压裂系统示意Fig.5 Schematic diagram of hydraulic fracturing system

4.2 封孔工艺

为有效保证煤层水力压裂增透效果和提高煤层瓦斯抽采效率，将压裂钻孔封孔底部至C6煤层顶板处，如图6所示。压裂管为壁厚6 mm、内径40 mm的无缝钢管，每根长2 m，钢管间采用接头连接，且压裂管前端为2 m花管。注浆管为φ20 mm铁管，其钻孔外端和球阀连接，通过开启球阀进行注浆作业。在钻孔封孔段底部，利用“马尾巴”封堵水泥砂浆并过滤水，其堵塞长度不小于1 m，且其尾端留约50 cm花管，通过纱布缠绕。而封孔段外端利用聚氨酯进行封堵，封堵段长度不小于1.5 m。注浆液为抗收缩能力强、抗压强度大(>20 MPa)的水泥砂浆。具体封孔工艺为：①按照管路设计要求连接注浆管路；②对注浆泵进行试运行，观察泵及管路是否正常；③按比例将各种封孔材料加入料搅拌桶；接着连接孔内注浆管与孔外管道，并开启注浆泵进行注浆作业；④将清水加入注浆后的搅拌机内，清洗注浆泵和注浆管道。

图6 压裂钻孔封孔示意Fig.6 Schematic for sealing fracturing borehole

4.3 压裂参数计算

(1)煤岩体破裂压力。煤层进行水力压裂时，当水压达到钻孔壁围岩的破裂压力时，煤岩体将破裂产生裂缝[21]。根据钻孔周围煤岩应力分析可得水力压裂煤岩体的破裂压力为：

pf=σ1+σ3-2(σ1-σ3)cosθ+Rt

(1)

式中，pf为煤岩的破裂压力；σ1、σ3分别为最大和最小水平主应力；θ为压裂钻孔方向角；Rt为煤的抗拉强度。

根据学者们对中国地应力的测量数据统计可知[22]，煤岩层的最大、最小水平主应力与埋深H呈线性增长趋势：

(2)

高压水在管路中流动时，由于黏性流体与管道壁有摩擦，高压流体会产生能量损失。研究表明，管道内的流体阻力为[23-24]：

(3)

式中，ΔP为压力损失；l为管道长度；Q为管道内流体流量；D为管道内径；Re为雷诺数，可通过Re=111 65Q/D计算获得。

根据式(1)—式(3)，结合天城坝隧道煤层赋存条件(煤岩体抗拉强度2.6 MPa)，以及压裂管路参数(压裂管为φ50 mm，长度500 m)，经综合计算，C6煤层压裂孔的破裂压力为26.1 MPa。

(2)压裂注入水量。煤层进行水力压裂时，可根据水力压裂的影响范围确定其压入水量。具体计算公式：

V水=abhk

(4)

式中，V水为压裂压入水量；a为影响区域长度；b为影响区域宽度；h为影响区域高度；k为影响区域孔隙率。

根据本隧道作业地点情况和煤层压裂预计范围(20 m)，代入上述公式计算得出：C6煤层压裂孔注水量约37.5 m3。

4.4 瓦斯抽采钻孔布置

煤层水力压裂完成后，需对煤层瓦斯进行接抽。C6煤层瓦斯抽采钻孔设计在距C6煤层14.6 m最小法向距离处施工。采用煤矿用液压钻机进行钻孔，钻头为PDC金刚石复钻头，钻头外径76 mm，钻杆为φ63 mm×760 mm普通钻杆。按终孔间排距4 m×4 m网格布置瓦斯抽采钻孔，并使钻孔能预抽隧道轮廓线外至少12 m。钻孔孔径76 mm，终孔至C6煤层底板0.5 m处，采用囊袋式注浆封孔法随钻随封。瓦斯抽采钻孔施工完成后，将抽采管连入φ200 mm的抽采主铁管，并通过地面移动抽采泵对该隧道煤层瓦斯进行抽采。瓦斯抽采现场如图7所示。

图7 煤层瓦斯抽采现场Fig.7 Site photograph for draining the coal gas in tunnel

5 防突效果分析

C6煤层进行水力压裂结束后进行瓦斯抽采，瓦斯抽采效果如图8和图9所示。煤层瓦斯抽采30 d内，单孔平均瓦斯抽采纯量总体上随抽采时间逐渐衰减，抽采初期约为0.013 m3/min，抽采30 d后衰减至0.006 m3/min，平均值为0.009 m3/min。此外，瓦斯抽采主管道的瓦斯抽采浓度也随抽采时间缓慢降低，由抽采初期的80%逐步衰减至60%，表明隧道开挖掘进面附近煤层赋存的瓦斯逐渐被抽出。如图9所示，在抽采30 d内煤层瓦斯累计抽采总量达1.2万m3。

图8 煤层瓦斯抽采效果Fig.8 Gas drainage effect from coal seam

图9 煤层瓦斯累积抽采总量Fig.9 Total cumulative gas extraction volume

从煤层瓦斯抽采效果可以看出，C6煤层实施水力压裂增透技术以后，煤层瓦斯抽采效果较好，从而提高隧道煤层揭煤防突效率。煤层瓦斯接抽结束以后，对煤层瓦斯参数进行检测，发现C6煤层瓦斯抽采后残余瓦斯含量和瓦斯压力分别为2.91～5.29 m3/t和0.26～0.61 MPa，均在临界指标8 m3/t和0.74 MPa之下，表明瓦斯抽采效果达标。同时，采用综合指标法和钻屑瓦斯解吸指标法对煤层瓦斯突出危险性进行预测，并记录施钻过程中是否发生喷孔、夹钻、顶钻等动力现象，结果表明并无瓦斯动力现象发生，且检验结果均无超过指标。此外，在隧道开挖掘进面距煤层法距12、5、2 m处进行瓦斯抽采效果检验，测定钻屑瓦斯解析指标K1值、Δh2和钻屑量S等，发现均未超标。

综上所述，对C6突出煤层实施水力压裂防突技术后，煤层消突效果显著，工作面防突检验达标，缩短揭煤时间2个月，为后续揭开C8特厚煤层及隧道贯通提供安全技术保障。

6 结论

本文以天城坝瓦斯隧道为工程实例，形成了基于水力压裂大范围增加煤层透气性方法的多煤层瓦斯隧道揭煤防突技术，分析了水力压裂致裂煤层增透原理与增透效果影响因素，明确了以超前地质预报初探、精探和突出危险性预测为核心的瓦斯隧道揭煤防突流程，探讨了隧道水力压裂防突中压裂相关参数及工艺，并对防突效果进行了分析探讨。

(1)多煤层瓦斯隧道揭煤防突根据至煤层法向距离30、20、12、5、2 m依次对煤系地层实施超前探测、初探、精探、区域防突及检验、工作面防突及检验、验证揭煤等，待验证无突出危险性后方可开挖揭煤，直至穿越煤层法距5 m处。

(2)利用水力压裂致裂煤层增加煤体透气性，从而提高瓦斯隧道消突效果，并优化了隧道内实施水力压裂技术的压裂钻孔布置、压裂工艺、封孔工艺、破裂压力及用水量、瓦斯抽采钻孔布置等关键工艺参数。

(3)C6—C8煤层的原始瓦斯压力1.62～4.12 MPa，瓦斯放散初速度为18.2～34.0，煤体坚固性系数为0.3～1.0，破坏类型为Ⅲ类。上述指标综合表明C6—C8煤层为突出煤层。当C6煤层实施水力压裂防突技术后，煤层平均单孔瓦斯抽采纯量达0.009 m3/min，瓦斯抽采浓度在60%以上；抽采30 d后残余瓦斯含量和瓦斯压力2.91～5.29 m3/t和0.26～0.61 MPa，均小于突出临界指标，且钻屑瓦斯解析指标等均未超标，缩短揭煤时间2个月。