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水力压裂增透技术在瓦斯隧道施工中的应用探讨

发表时间：2021/4/15 来源：《建筑科技》2020年10月上作者：刘艳丽①王江②

[导读] 瓦斯是易燃易爆气体，煤层中常富含瓦斯。隧道在穿越煤层时会面临瓦斯突出、渗出等问题，给工程带来极大的风险性，因此，隧道施工中瓦斯的抽排工作尤其重要。本文以渝黔铁路新凉风垭隧道为实例，对水力压裂增透技术在瓦斯隧道施工中的应用进行探讨。

①重庆市市政设施运行保障中心刘艳丽① ②中铁十八局集团隧道工程公司王江② 400030

内容摘要：瓦斯是易燃易爆气体，煤层中常富含瓦斯。隧道在穿越煤层时会面临瓦斯突出、渗出等问题，给工程带来极大的风险性，因此，隧道施工中瓦斯的抽排工作尤其重要。本文以渝黔铁路新凉风垭隧道为实例，对水力压裂增透技术在瓦斯隧道施工中的应用进行探讨。
关键词：水力压裂增透技术瓦斯隧道应用
        1.水力压裂增透技术简介
        水力压裂增透技术是利用高压泵组将水以超过地层吸收能力的量注入钻孔中，在孔壁附近憋起超过孔壁附近地应力及岩石抗张强度的压力，使地层形成裂缝。随着水的不断注入，裂缝逐渐向孔周围延伸。待压裂完成后排出渣水，形成瓦斯渗流通道，使孔周围较远处的瓦斯能够集中进行抽排，起到减少钻孔工程量、增加瓦斯抽排率、缩短抽排时间的作用。
        2.工程概述
        渝黔铁路新凉风垭隧道起迄里程DK149+846～DK157+464，穿越地层存在煤层高瓦斯、岩溶、断层破碎带、顺层、突水突泥等不良地质，地质情况复杂、施工难度大，为I级风险隧道。其中新凉风垭隧道出口工区为高瓦斯工区，煤层瓦斯主要在DK155+413～588段，全长175m。隧道穿越含煤地层共9层，瓦斯绝对涌出量为0.13～3.02m3/min，压力为0.45～1.5Mpa，具有瓦斯突出风险。
        3.瓦斯隧道瓦斯排放方式的比较
        在保证安全的前提下，尽可能节约成本、缩短工期，现分别对自然排放、逐层处理；常规抽采、逐层处理及水力压裂增透、集中处理三种方案进行比较分析。
        3.1方案一：自然排放、逐层处理
        对煤层进行超前探测，采集基础数据，测定煤层瓦斯基本参数，进行瓦斯突出危险性评价。若有瓦斯突出危险，则在煤层顶板7m垂距处钻孔，对瓦斯进行自然排放，排放达标后再对其进行预测，预测不超标则采用渐进式揭煤工艺揭开煤层。
        3.2方案二：常规抽排、逐层处理
        前期工作同上。预测若有瓦斯突出危险，则在煤层顶板7m垂距处钻孔，对瓦斯进行抽排，抽排达标后再对其进行预测，预测不超标则采用渐进式揭煤工艺揭开煤层。
        3.3方案三：水力压裂增透、集中处理
        前期工作同上。预测若有瓦斯突出危险，则在距煤层顶板10m垂距钻孔，用高压泵组向钻孔中大量注水，在孔壁附近憋起高压，迫使地层产生裂缝。随着水的不断注入，裂缝逐渐向孔周围扩展，形成瓦斯渗流通道，使孔周围较远处的瓦斯渗入钻孔中，随后进行抽排，再分离渣水与瓦斯，抽排达标后再对其进行预测，预测不超标则采用渐进式揭煤工艺揭开煤层。
        4.水力压裂增透技术的优势分析
        4.1安全性
        采用水力压裂后，煤层瓦斯得到有效的增透释放，再进行抽排，能够有效降低煤层瓦斯压力和含量，显著提高施工安全性。
        4.2高效性
        采用水力压裂，可有效提高抽排效率和施工进度，保证合同工期。
        以新凉风垭隧道揭煤段为例，从K9煤层20m垂距至过完K1煤层20m垂距，若采用自然排放方案，共需耗时765天；若采用常规抽排方案，需耗时577天；若采用压裂增透方案，仅需耗时374天。可见，水力压裂增透方案较自然排放方案可节约工期391天；较常规抽排方案可节约工期203天。详见表1.新凉风垭隧道过煤层段技术方案对比分析。

        4.3经济性
        由表1知，相对比，方案三可大量减少钻孔工程量，大幅缩减工期，可节约部分投资。但需增加水力压裂增透的相关费用，总体而言费用稍高。
        5.水力压裂增透技术施工中的应用实例
        渝黔铁路新凉风垭隧道穿越9层含煤地层，瓦斯含量高且具有突出风险，施工难度大，风险等级高，工期紧。经过超前预探、采集基本数据并分析论证，最终决定对K4~K9中有突出危险的煤层进行分层水力压裂增透技术。本文仅以K9煤层为例，简述水力压裂增透技术在隧道瓦斯段施工中的应用。
        5.1超前探测钻孔
        在距离K9煤层顶板20m垂距处对进行超前预探，采集基础数据，确切掌握煤层的层位、倾角、厚度、顶底板岩性、地质构造、瓦斯赋存情况等基本信息。
        5.2钻孔取芯
        在距K9煤顶板10m垂距时，施工3个超前钻孔，孔径Φ89mm，穿透煤层全厚，并且进入底板岩层不小于0.5m，其终孔位置控制在开挖轮廓外5m左右，并取煤层的芯样，分析煤层的产状及顶、底板岩性，测定原始瓦斯含量，进行瓦斯突出危险性评价。根据《铁路瓦斯隧道技术规范》的相关要求进行评价，K9煤层具有瓦斯突出风险。
        5.3计算压裂参数
        包括各压裂孔破裂压力，总注水量（本项目实施地点的条件及预压裂的有效半径30m所需的注水量），施工过程的时间、压力、排量控制参数，压裂管长度及管径等。
        5.4选择压裂地点，设计压裂钻孔，安设压裂泵组，铺设管路
        K9煤层水力压裂在煤层顶板10m垂距处实施，抽排钻孔按5.4m×5.3m网格布置，控制隧道轮廓线外上方14m、下方14m、左右两帮各14m，同时保证控制范围距离隧道轮廓线最小距离不小于5m，钻孔孔径Φ75mm，终孔至煤层底板0.5m处；安设压裂泵组，铺设管道。
        5.5钻孔及封孔、注浆
        抽排钻孔施工完成后，立即采用容剂式快速封孔器随钻随封孔。注浆封堵压裂钻孔至待压煤层顶板处，浆液抗压强度不小于50MPa，且抗收缩能力强。
        5.6水力压裂
        向压裂孔注水，对煤层进行压裂。打压试验完毕后，压力缓慢上升到15MPa后，调换到2档档位（低压力、高排量）继续注水。待出现一个明显的压力降后（≥4MPa），继续注水至预定水量后泄压停泵。
        压裂结束后可观察压裂效果，如效果不明显可再次进行压裂，需根据第一次压裂情况调整程序。
        5.7瓦斯抽排
        抽排目标为将煤层瓦斯含量降到8 m3/t以下。对钻孔进行抽采，对抽出浆液进行瓦斯与渣水分离，分别收集瓦斯和渣水。抽排结束后进行检测，若所测得的残余瓦斯含量低于8m3/t，且瓦斯压力低于0.74MPa，则认为瓦斯抽排措施有效，经过评估达标后，可以开挖至距煤层顶板5m垂距处执行局部防突措施。若瓦斯含量大于8m3/t或瓦斯压力≥0.74MPa，则必须继续进行抽排。
        5.8煤体固化
        进行水力压裂后，对煤层进行固化。即向松软煤体中压注固化液，使其渗透于煤体的裂隙中，粘合胶结，改变煤的不均质性，防止瓦斯溢出。
        5.9金属骨架施工
        为确保不出现煤体垮冒的情况，煤体固化后，在距离煤层1.5m垂距处必须施工金属骨架。金属骨架钻孔孔径Φ89mm，按0.3m间距双排错开布置，控制隧道轮廓线的上部及左右帮。
        5.10注浆
        金属骨架钻孔施工完成后，立即向孔内插入DN50mm无缝钢管，插入深度以超过待揭煤层底板1m处为准。采用封孔泵向孔内注浆。
        5.11揭煤工艺
        浆液固化后即可采用渐进式揭煤，揭煤工艺如下图所示：

        6.总结
        采用水力压裂增透技术后，钻孔工程量比原设计方案减少了38.24%，揭煤时间缩短了35.18%。另外，科学技术成果鉴定证书（鉴字[2014]第106号）中也明确了“对煤体进行水力压裂增透后，钻孔工程量可减少1/3以上，揭煤时间缩短1/3以上”的鉴定结论。工程实际与科学技术成果鉴定结果一致。
        渝黔铁路新凉风垭隧道工程实践证明，采取水力压裂增透技术措施实现了瓦斯快速抽采达标、缩短揭煤时间、提高施工安全性的目的，是本工程工期目标和安全目标的最有效保障。