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[摘 要]针对复杂地质构造瓦斯隧道揭煤周期长、工程量大的难题，提出了以水力压裂技术为核心的5+1+1”高效揭煤体系，分析得出煤岩的地应力及应力差、煤体硬度、煤层瓦斯含量及压力、透气性是影响水力压裂效果的关键因素，将该技术在渝黔高速铁路新凉风垭隧道揭煤工程中应用，结果表明：采用“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技术后，瓦斯抽放浓度达20.51%，抽采达标时间缩短53%，工期提前200余天。研究成果可为类似的工程设计、施工提供借鉴。
[关键词]水力压裂 特大断面 瓦斯隧道 揭煤
中图分类号：D622 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0014-02
我国近75%的国土面积为山地和丘陵，随着中西部地区交通建设的不断发展，在山区修建的隧道数量和里程也逐年增加，不可避免的会遇到穿越煤系地层的隧道。其中瓦斯是穿煤隧道建设重大危害之一。我国南方煤层透气性差，透气性洗漱普遍小于0.1m2/（MPa2？d）），属较难抽放煤层，目前常规的震动放炮、水力割缝、密钻孔等瓦斯抽采技术[1～5]，存在抽采钻孔有效半径小、抽采达标时间长、工程量大等问题，容易存在瓦斯抽采空白带，使得隧道在揭开煤层时仍然存在很大的煤与瓦斯突出隐患。本文结合渝黔高速铁路新凉风垭瓦斯隧道工程实际，探讨了水力压裂增加煤层透气性机理，在此基础上提出了“5+1+1”的隧道揭煤技术。
1、工程概况
渝黔铁路新凉风垭隧道为渝黔高速铁路的双线隧道，全长7618m，共穿过9层煤，总长度175m，如图1所示。隧道埋深350～400m，煤层厚度1.5～2.0m，煤层倾角24°。原始瓦斯含量最高达15.01m3/t，压力最高为1.327Mpa。该段隧道穿煤层数多，地质构造复杂，煤与瓦斯突出危险性大，为全线重难点控制性工程，被列为Ⅰ级高风险隧道。
2、水力压裂增透机理
2.1 水力压裂效果影响因素
（1）地应力及应力差对压裂效果影响
地应力不仅对于煤储层渗透性具有重要的影响，同时，地应力大小和方向也是控制水力压裂裂缝起裂压力、位置及形态的重要参数。压裂产生的裂缝，一定范围内发生转向或相互扭曲，随着裂缝的延伸，最终在垂直于最小水平主应力方向形成一条裂缝。
应力差主要是指煤层所受应力与遮挡层所受应力之间的差距，其主要是通过影响裂缝扩展形态来影响增透效果的。
（2）煤的强度
煤的力学强度是指煤受外力作用时抵抗破坏的能力。当外力增加时，煤的内应力也相应地增大，甚至破坏煤体。此时煤内的应力应为煤的极限强度，煤的强度越大，水力压裂将越难进行。
（3）煤层瓦斯含量对压裂效果影响
瓦斯含量对煤层吸附饱和程度起决定性影响：临界解析压力、有效泄气面积随着瓦斯含量的增高而增高，从而也就使单井产量增高。煤层瓦斯含量主要受煤层厚度与煤层埋深程度的影响，而且呈正相关影响趋势。
（4）煤层透气性对压裂效果影响
当其它条件都相同时，压裂效果与煤层透气性变化趋势相同：透气性越高，煤层中流体渗流速度越快，煤层瓦斯产量也就越高;反之则渗流速率越慢，煤层瓦斯产量越低。
（5）煤层瓦斯压力对压裂效果影响
煤层瓦斯含量、煤层瓦斯产量的变化趋势与原始瓦斯压力变化趋势保持一致，即原始压力越高，煤层瓦斯含量越高，瓦斯抽采量也就越高。反之，则越低。
综上所述，地应力和煤体强度为主控因素，地应力大小和方向是控制水力压裂裂缝起裂压力、起裂位置及裂缝形态。
2.2 水力压裂增透机理
水力压裂增透技术源自油气储层改造，是利用高压泵组将高压液体以大大超过地层吸收能力的排量注入钻孔中，对钻孔进行封孔后，高压水在孔壁附近憋压超过孔壁附近地应力及岩石抗拉强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随着液体不断注入裂缝中，裂缝逐渐向孔周围不断延伸。待压裂完成后排出压裂液，形成瓦斯渗流通道，增加煤层透气性，使较远处的瓦斯能够通畅流入钻孔中，起到减少揭煤钻孔工程量、提高瓦斯抽放率、缩短抽放时间的作用。
3、“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技术
3.1“5+1+1”瓦斯隧道揭煤体系
“5+1+1”高效揭煤体系是指对待揭煤层进行以20m垂距初探、10m垂距精探、5m垂距预测、2m垂距验证、过煤门预测的5步预测揭煤法，辅以水力压裂增透抽采技术及金属骨架加强支护的隧道揭煤体系。
3.2“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技术
（1）20m垂距初探
在距煤层20m垂距处分别沿隧道开挖方向及与煤层垂直方向施工孔径Φ89mm的3个钻孔，初步掌握煤层的大概位置。
（2）10m垂距精探
当隧道开挖至距煤层10m垂距时，施工3个孔径Φ89mm地质取芯钻孔，穿透煤层全厚，并且进入底板不小于0.5m，终孔位置控制在开挖轮廓外5m左右，并取各个煤层岩芯，分析其产状及顶、底板岩性。
（3）5m垂距预测
隧道开挖至距煤层5m垂距处进行区域验证，即工作面突出危险性预测，采用钻屑指标法与瓦斯压力法相互验证的预测方法。预测钻孔布置在竣工抽排钻孔中间，共设计钻孔30个，控制隧道轮廓线外上方9.5m、下方3.8m、左右各5.2m，钻孔孔径Φ75mm。
（4）2m垂距验证
在隧道开挖至距待揭煤层2m时，进行2m垂距验证。采用钻屑指标检验方法，钻孔孔数按30个，验证钻孔布置在5m垂距预测钻孔与抽排竣工钻孔的空隙中，控制隧道轮廓线外上方6.5m、下方2m、左右两边各3.3m，钻孔孔径Φ75mm。
（5）过煤门预测 煤门预测钻孔布置在揭开煤层处沿煤层倾向、走向施工，控制隧道开挖轮廓线外上下左右各3m，钻孔孔径Φ42mm。
（6）水力压裂
K4～K9煤层共布置3个压裂钻孔，压裂钻孔孔径Φ76mm，在K9煤层顶板10m垂距处施工。钻孔终孔于抽采钻孔控制范围中部，钻孔布置如表1和图2所示。
抽采钻孔在K9煤层顶板10m垂距处的钻孔施工洞室内施工，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，终孔至各抽采煤层底板0.5m处。压裂参数如表2所示。
（7）金属骨架加强支护
金属骨架在距离待揭煤层2m垂距处施工，钻孔孔径φ108mm，控制隧道开挖轮廓线外的上部及左右帮，钻孔穿过待揭煤层1m以上，其顶部按0.3m间距布置，中腰部按0.6m间距布置。金属骨架钻孔施工完成后，立即向孔内插入Φ89mm无缝钢管，骨架外露部分固定在支架上或锚杆支撑的环形梁上，无缝钢管的插入深度以超过待揭煤层底板1m处为准。在孔口设置一根Φ4分注浆管，并采用棉纱+水泥砂浆或AB胶将孔口封死。待孔口部分凝固后，立即采用封孔泵向孔内注浆，直至水泥砂浆从骨架管内返出为止。
3.3 效果分析
采用“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技术后，瓦斯抽放浓度达20.51%，平均抽放纯量约为3400 m3/d，瓦斯抽放40d后达标，达标时间缩短53%，仅用时10.8个月即完成了所有煤层的揭煤及煤系地层的开挖工作，较计划工期提前200余天。
4、结论
（1）分析得出煤岩的地应力及应力差、煤层瓦斯含量计压力、透气性、硬度是影响水力压裂效果的关键因素。
（2）提出了以水力压裂技术为核心的5+1+1”高效揭煤体系，从本质上消除了煤与瓦斯突出威胁，为隧道揭煤工艺的发展奠定了坚实的基础。
（3）采用“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技术后，瓦斯抽放浓度达20.51%，抽采达标时间缩短53%，工期提前200余天。
参考文献
[1]李晓红，卢义玉，赵 瑜，等. 高压脉冲水射流提高松软煤层透气性的研究[J]. 煤炭学报，2008，33（12）：1 386–1 390.
[2]周声才，李 栋，张凤舞，等. 煤层瓦斯抽采爆破卸压的钻孔布置优化分析及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32（1）：807-813.
[3]卢义玉，刘勇，夏彬伟，等.石门揭煤钻孔布置优化分析及应用[J]. 煤炭学报，2011，36（2）：283–287.
[4]龚敏，刘万波，王德胜，等.提高煤矿瓦斯抽放效果的控制爆破技术[J]. 北京科技大学学报，2006，28（3）：223–226.
[5]李栋，郭臣业，覃乐，等.煤矿井下穿层水力压裂钻孔布置优化分析及应用[J].矿业安全与环保，2015，42（5）：63-67.
作者简介：
张尚斌（1984.11-），男，工程师，河南理工大学能源学院矿业工程专业硕士研究生，长期从事煤矿瓦斯抽采、防突等瓦斯治理方面的基础理论和现场应用研究。
[关键词]水力压裂 特大断面 瓦斯隧道 揭煤
中图分类号：D622 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0014-02
我国近75%的国土面积为山地和丘陵，随着中西部地区交通建设的不断发展，在山区修建的隧道数量和里程也逐年增加，不可避免的会遇到穿越煤系地层的隧道。其中瓦斯是穿煤隧道建设重大危害之一。我国南方煤层透气性差，透气性洗漱普遍小于0.1m2/（MPa2？d）），属较难抽放煤层，目前常规的震动放炮、水力割缝、密钻孔等瓦斯抽采技术[1～5]，存在抽采钻孔有效半径小、抽采达标时间长、工程量大等问题，容易存在瓦斯抽采空白带，使得隧道在揭开煤层时仍然存在很大的煤与瓦斯突出隐患。本文结合渝黔高速铁路新凉风垭瓦斯隧道工程实际，探讨了水力压裂增加煤层透气性机理，在此基础上提出了“5+1+1”的隧道揭煤技术。
1、工程概况
渝黔铁路新凉风垭隧道为渝黔高速铁路的双线隧道，全长7618m，共穿过9层煤，总长度175m，如图1所示。隧道埋深350～400m，煤层厚度1.5～2.0m，煤层倾角24°。原始瓦斯含量最高达15.01m3/t，压力最高为1.327Mpa。该段隧道穿煤层数多，地质构造复杂，煤与瓦斯突出危险性大，为全线重难点控制性工程，被列为Ⅰ级高风险隧道。
2、水力压裂增透机理
2.1 水力压裂效果影响因素
（1）地应力及应力差对压裂效果影响
地应力不仅对于煤储层渗透性具有重要的影响，同时，地应力大小和方向也是控制水力压裂裂缝起裂压力、位置及形态的重要参数。压裂产生的裂缝，一定范围内发生转向或相互扭曲，随着裂缝的延伸，最终在垂直于最小水平主应力方向形成一条裂缝。
应力差主要是指煤层所受应力与遮挡层所受应力之间的差距，其主要是通过影响裂缝扩展形态来影响增透效果的。
（2）煤的强度
煤的力学强度是指煤受外力作用时抵抗破坏的能力。当外力增加时，煤的内应力也相应地增大，甚至破坏煤体。此时煤内的应力应为煤的极限强度，煤的强度越大，水力压裂将越难进行。
（3）煤层瓦斯含量对压裂效果影响
瓦斯含量对煤层吸附饱和程度起决定性影响：临界解析压力、有效泄气面积随着瓦斯含量的增高而增高，从而也就使单井产量增高。煤层瓦斯含量主要受煤层厚度与煤层埋深程度的影响，而且呈正相关影响趋势。
（4）煤层透气性对压裂效果影响
当其它条件都相同时，压裂效果与煤层透气性变化趋势相同：透气性越高，煤层中流体渗流速度越快，煤层瓦斯产量也就越高;反之则渗流速率越慢，煤层瓦斯产量越低。
（5）煤层瓦斯压力对压裂效果影响
煤层瓦斯含量、煤层瓦斯产量的变化趋势与原始瓦斯压力变化趋势保持一致，即原始压力越高，煤层瓦斯含量越高，瓦斯抽采量也就越高。反之，则越低。
综上所述，地应力和煤体强度为主控因素，地应力大小和方向是控制水力压裂裂缝起裂压力、起裂位置及裂缝形态。
2.2 水力压裂增透机理
水力压裂增透技术源自油气储层改造，是利用高压泵组将高压液体以大大超过地层吸收能力的排量注入钻孔中，对钻孔进行封孔后，高压水在孔壁附近憋压超过孔壁附近地应力及岩石抗拉强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随着液体不断注入裂缝中，裂缝逐渐向孔周围不断延伸。待压裂完成后排出压裂液，形成瓦斯渗流通道，增加煤层透气性，使较远处的瓦斯能够通畅流入钻孔中，起到减少揭煤钻孔工程量、提高瓦斯抽放率、缩短抽放时间的作用。
3、“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技术
3.1“5+1+1”瓦斯隧道揭煤体系
“5+1+1”高效揭煤体系是指对待揭煤层进行以20m垂距初探、10m垂距精探、5m垂距预测、2m垂距验证、过煤门预测的5步预测揭煤法，辅以水力压裂增透抽采技术及金属骨架加强支护的隧道揭煤体系。
3.2“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技术
（1）20m垂距初探
在距煤层20m垂距处分别沿隧道开挖方向及与煤层垂直方向施工孔径Φ89mm的3个钻孔，初步掌握煤层的大概位置。
（2）10m垂距精探
当隧道开挖至距煤层10m垂距时，施工3个孔径Φ89mm地质取芯钻孔，穿透煤层全厚，并且进入底板不小于0.5m，终孔位置控制在开挖轮廓外5m左右，并取各个煤层岩芯，分析其产状及顶、底板岩性。
（3）5m垂距预测
隧道开挖至距煤层5m垂距处进行区域验证，即工作面突出危险性预测，采用钻屑指标法与瓦斯压力法相互验证的预测方法。预测钻孔布置在竣工抽排钻孔中间，共设计钻孔30个，控制隧道轮廓线外上方9.5m、下方3.8m、左右各5.2m，钻孔孔径Φ75mm。
（4）2m垂距验证
在隧道开挖至距待揭煤层2m时，进行2m垂距验证。采用钻屑指标检验方法，钻孔孔数按30个，验证钻孔布置在5m垂距预测钻孔与抽排竣工钻孔的空隙中，控制隧道轮廓线外上方6.5m、下方2m、左右两边各3.3m，钻孔孔径Φ75mm。
（5）过煤门预测 煤门预测钻孔布置在揭开煤层处沿煤层倾向、走向施工，控制隧道开挖轮廓线外上下左右各3m，钻孔孔径Φ42mm。
（6）水力压裂
K4～K9煤层共布置3个压裂钻孔，压裂钻孔孔径Φ76mm，在K9煤层顶板10m垂距处施工。钻孔终孔于抽采钻孔控制范围中部，钻孔布置如表1和图2所示。
抽采钻孔在K9煤层顶板10m垂距处的钻孔施工洞室内施工，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，终孔至各抽采煤层底板0.5m处。压裂参数如表2所示。
（7）金属骨架加强支护
金属骨架在距离待揭煤层2m垂距处施工，钻孔孔径φ108mm，控制隧道开挖轮廓线外的上部及左右帮，钻孔穿过待揭煤层1m以上，其顶部按0.3m间距布置，中腰部按0.6m间距布置。金属骨架钻孔施工完成后，立即向孔内插入Φ89mm无缝钢管，骨架外露部分固定在支架上或锚杆支撑的环形梁上，无缝钢管的插入深度以超过待揭煤层底板1m处为准。在孔口设置一根Φ4分注浆管，并采用棉纱+水泥砂浆或AB胶将孔口封死。待孔口部分凝固后，立即采用封孔泵向孔内注浆，直至水泥砂浆从骨架管内返出为止。
3.3 效果分析
采用“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技术后，瓦斯抽放浓度达20.51%，平均抽放纯量约为3400 m3/d，瓦斯抽放40d后达标，达标时间缩短53%，仅用时10.8个月即完成了所有煤层的揭煤及煤系地层的开挖工作，较计划工期提前200余天。
4、结论
（1）分析得出煤岩的地应力及应力差、煤层瓦斯含量计压力、透气性、硬度是影响水力压裂效果的关键因素。
（2）提出了以水力压裂技术为核心的5+1+1”高效揭煤体系，从本质上消除了煤与瓦斯突出威胁，为隧道揭煤工艺的发展奠定了坚实的基础。
（3）采用“5+1+1”瓦斯隧道揭煤技术后，瓦斯抽放浓度达20.51%，抽采达标时间缩短53%，工期提前200余天。
参考文献
[1]李晓红，卢义玉，赵 瑜，等. 高压脉冲水射流提高松软煤层透气性的研究[J]. 煤炭学报，2008，33（12）：1 386–1 390.
[2]周声才，李 栋，张凤舞，等. 煤层瓦斯抽采爆破卸压的钻孔布置优化分析及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32（1）：807-813.
[3]卢义玉，刘勇，夏彬伟，等.石门揭煤钻孔布置优化分析及应用[J]. 煤炭学报，2011，36（2）：283–287.
[4]龚敏，刘万波，王德胜，等.提高煤矿瓦斯抽放效果的控制爆破技术[J]. 北京科技大学学报，2006，28（3）：223–226.
[5]李栋，郭臣业，覃乐，等.煤矿井下穿层水力压裂钻孔布置优化分析及应用[J].矿业安全与环保，2015，42（5）：63-67.
作者简介：
张尚斌（1984.11-），男，工程师，河南理工大学能源学院矿业工程专业硕士研究生，长期从事煤矿瓦斯抽采、防突等瓦斯治理方面的基础理论和现场应用研究。