穿越煤系地层公路隧道增渗技术选择及应用研究

穿越煤系地层公路隧道增渗技术选择及应用研究

郭臣业1、王凯1、赖刘晶1、余正敖1、陈毅1

重庆市能源投资集团科技有限责任公司重庆市401450

摘　要：瓦斯增透技术能改善突出煤层透气性，提高瓦斯抽放效果，为缩短工程工期以及促进安全生产提供了有力保障。本文以某高速公路瓦斯突出隧道为例，基于该隧道煤层情况，提出了水力增透等多项增透技术，并简要分析其在煤层中的应用效果，为今后类似不同地质和物理力学性质条件下突出隧道煤层瓦斯增透措施的选择与应用提供参考。

关键词：突出隧道 煤层增透 水力压裂 水力割缝

基金项目：复杂地质瓦斯隧道工区建设及运营期间安全防控关键技术研究，重庆市级人才计划“包干制”项目，基金号：cstc2024ycjh-bgzxm0201

1 引言

随着铁路隧道建设长度的延伸，我们面临着越来越多的复杂地层和高瓦斯突出风险的挑战。为了确保隧道施工的安全，我们必须精确预测瓦斯突出的潜在区域，并采取相应的技术手段来降低或消除瓦斯突出的风险。同时，建立一个健全的安全保护系统也是至关重要的，它能为我们的隧道施工提供强有力的安全保障[1~2]。确保瓦斯隧道的安全和高效开挖，在隧道开挖穿越煤系地层段之前精确地了解和掌握煤岩层的分布情况。有助于更好地制定开挖方案，从而确保隧道施工的安全和顺利进行[3~4]。

煤层增透是确保瓦斯抽采效率并保障开采过程安全高效的核心技术。通过应用液态CO2爆破技术，可以有效提高煤体对瓦斯的解吸能力，进而增强低渗透且高瓦斯含量煤层的透气性。同时，该技术还能促进煤岩体内部原有缝隙的扩展和发育，从而进一步优化瓦斯抽采效果[5~8]。水力压裂技术，这一源于非常规油气开采领域的创新技术。通过这一技术的运用，行业实现了更高效、更环保的开采过程，为可持续发展提供了强有力的技术支持[9~10]。由于其卓越的渗透能力，水力压裂技术能够促使油气顺畅地流入井中，有效实现增产增注的目标，为油气开采带来显著效益[11]。同时，提高煤层瓦斯抽采效率，缩短煤层瓦斯抽采时间[12]。控制水力压裂的过程实际上是通过精细调节高压水的压力和流量来实现的。在压裂影响区域内，构建一个立体化的、均匀分布的瓦斯抽放通道网络[13]。水力割缝技术利用高压水射流作为动力，能够实现割缝尺度达到数米的效果，从而显著增大煤体的暴露面积。这一技术的运用有效改善了煤层中瓦斯的流动状态，为瓦斯的顺畅排放创造了有利条件[14]。

目前，我国高速公路建设的步伐正不断向西部偏远地区延伸，在这一过程中，不可避免地需要穿越更多的煤系地层隧道，而各煤层的物理力学性质受复杂地质条件的影响也具有明显的差别，这无疑对施工技术和安全管理提出了更高的要求。如何根据煤层的地质和物理力学性质选择合理的增透技术进行实施显得尤为必要。

1 工程概况

该隧道按左、右线分离式设计，隧道左线在ZK110+286.5～ZK110+485段，右线在YK110+232～YK110+460段穿越二叠系上统龙潭组含煤地层，该煤系地层含煤9～13层，自上而下编号，瓦斯压力最高值4.12MPa，瓦斯含量最高值37.16 m³.t-1，鉴定为瓦斯突出工区。煤层主要物理特征见表1。

表1煤层主要物理特征及瓦斯参数表

2 应用情况及效果分析

2.1水力增透措施实施方案

根据该隧道煤层的不同地质和物理力学性质，并结合各种增透措施的优缺点，针对该隧道左右线煤层分别制定了不同的增透措施方案，见表2。

表2各煤层瓦斯增透措施实施方案

2.2水力压裂增透措施实施过程

2.2.1压裂钻孔设计

压裂钻孔沿隧道走向方向施工，终孔位于煤层控制范围内中上部并要求穿透煤层进入底板至少0.5m，采用专用压裂管封孔至煤层见煤处。压裂设备选用BYW78/400型压裂泵组。

2.2.2压裂效果

左线C6煤层压裂过程中破裂压力为25.1MPa，总注水量为50m3；右线C6煤层压裂过程中破裂压力为25.5MPa，总注水量为51.5m3。左线C7、C8煤层压裂过程中破裂压力为26MPa，总注水量为198.5m3；右线C7、C8煤层压裂过程中破裂压力为22MPa，总注水量为196m3。

2.3水力割缝增透措施实施过程

2.3.1割缝钻孔设计

压裂完成保压结束后进行水力割缝，割缝设备选用KFS98-65型钻孔水射流式煤层割缝形成装置，割缝钻孔呈交错方式布置，割缝钻孔先于未割缝钻孔施工。割缝压力控制在20～30 MPa，单孔切割煤量不少于2吨。钻孔布置见图1。

图1 割缝钻孔布置示意图

2.3.2割缝效果

左线C7煤层单孔平均割缝煤量为1.2吨、C8煤层单孔平均割缝煤量为2.5吨，割缝装置压力保持在25MPa。

3 应用效果及分析

左线C6煤层压裂增透后，抽采钻孔始抽汇总瓦斯浓度52%，瓦斯抽放31天抽排率达到39.14%，平均单孔瓦斯抽放纯量为0.0051 m3/min。右线C6煤层未压裂，始抽汇总瓦斯浓度12%，瓦斯抽放58天抽排率达到38.9%，平均单孔瓦斯抽放纯量为0.0024m3/min。通过对比，C6煤层经压裂增透后，始抽汇总瓦斯浓度提高4.3倍，平均单孔瓦斯抽放纯量提高2.1倍，抽放时间缩短46%。

左线C7煤层进行压裂和割缝增透后，抽采钻孔始抽汇总瓦斯浓度37.5%，瓦斯抽放39天抽排率达到42.97%，平均单孔瓦斯抽放纯量为0.0064m3/min。右线C7煤层未采取增透措施，始抽汇总瓦斯浓度11%，瓦斯抽放67天抽排率达到43.45%，平均单孔瓦斯抽放纯量为0.0026m3/min。通过对比，C7煤层经压裂和割缝增透后，始抽汇总瓦斯浓度提高3.4倍，平均单孔瓦斯抽放纯量提高2.4倍，抽放时间缩短42%。

左线C8煤层进行压裂和割缝后，始抽汇总瓦斯浓度42.6%，瓦斯抽放66天抽排率达到62.97%，平均单孔瓦斯抽放纯量为0.0071m3/min。右线C8煤层进行割缝后，始抽汇总瓦斯浓度34.5%，瓦斯抽放82天抽排率达到59.45%，平均单孔瓦斯抽放纯量为0.0043m3/min。通过对比，C8煤层经压裂和割缝增透后，始抽汇总瓦斯浓度提高1.2倍，平均单孔瓦斯抽放纯量提高2.4倍，抽放时间缩短19%。

4 结论

（1）通过应用效果分析，针对隧道突出煤层实施水力化增透以后相较于未进行水力化增透的煤层，可以明显提高瓦斯抽放效果，缩短工程工期，节约生产成本。

（2）水力压裂增透技术在破碎程度Ⅰ～Ⅳ类、硬度f值0.5及以上的煤层中较为适用，且在破碎程度越低、硬度越高的煤层中效果更佳，但在受地质构造影响的区域，断层较为发育，断层附近积聚有高压水或瓦斯，在水力压裂产生的集中高应力影响下极易诱发透水或瓦斯突出事故，因此从安全的角度考虑，地质构造发育的煤层区域不适宜采用水力压裂增透技术。

（3）深孔爆破增透技术因其使用范围局限性和安全性，目前还不适用于作为公路瓦斯隧道煤层增透措施。CO2相变致裂增透技术具有良好的应用前景，可成为以后公路瓦斯隧道煤层增透技术的试验和研究方向。