水力壓裂技術在礦井突出治理中的應用

摘 要:隨著開采深度的不斷的延伸，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力在不斷的增大，為防止在生產過程中突出事故的發生，實現安全生產，對高壓注水壓裂消突技術進行了研究。測取壓裂參數，利用壓裂設備，對有突出危險性的實體煤進行壓裂。經實踐表明，水力壓裂技術可將煤(巖)體內部微裂隙擴展使其連同，將煤體內的瓦斯潛能及彈性能得到一定量的釋放，是煤層的透氣性增加，結合瓦斯抽防技術使被壓裂的實體煤內的瓦斯壓力和瓦斯含量降低，削減和消除煤體突出的危險性。這項技術的實施有效的保證了突出煤層區域消突，為在突出危險區的煤層開采提供了一項可行的新措施。

關鍵詞:水力壓裂技術礦井治理

中圖分類號:TD712文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(c)-0049-02

鶴煤集團六礦位于鶴壁煤田東部，可采煤為層二1煤，煤厚4.67～15.6m，平均厚8.67m；六礦井田為一向東傾斜的單斜構造，斷層、褶曲發育，構造煤多且厚度變化劇烈，到井田深部尤其明顯，平均傾角20°左右，深部暫定邊界標高-800m。所采二1煤層為難抽煤層(透氣性系數0.03～0.045md，百米鉆孔抽放量一般為0.017m3/hm.min)，2008年礦井瓦斯鑒定結果瓦斯絕對涌出量為72.10m3/min，相對瓦斯涌出量為29.80m3/t。目前實測得最大瓦斯含量為16.48m3/t，最高瓦斯壓力為1.6MPa(-390m、表壓力)，如何保證安全生產，是六礦急需解決的問題。筆者通過現場實踐，對高突煤層水力壓裂技術進行了研究。

1 水力壓裂消突機理

為增加煤層透氣性，提高瓦斯抽放效果，從根本上改善六礦的防突條件，在河南省煤層氣開發利用有限公司的大力支持下，六礦在井下21431綜采工作面開展了水力壓裂增加煤層透氣性試驗。井下壓裂的基本原理就是將壓裂液高壓注入煤(或巖)體中原有的和壓裂后出現的裂縫內，克服最小主應力和煤巖體的破裂壓力，擴寬并伸展和溝通這些裂縫，進而在煤中產生更多的次生裂縫與裂隙，從而增加煤層的透氣性。

2 水力壓裂消突技術

2.1 壓裂注水參數的選擇

實施水力壓裂措施時，最重要的是各項注水參數選擇，它包括壓裂孔布置方式、壓裂孔孔深、封孔深度、注水時間以及注水壓力等。由于這些參數目前沒有固定的計算公式，各項參數都需要通過現場摸索試驗來確定。

(1)鉆孔布置方式

本次壓裂布孔有兩個地點，分別為21431工作面和21431集中巷，先開展了工作面的水力壓裂工作，之后進行了集中巷穿層孔水力壓裂試驗。

地點一:在21431工作面中部布置壓裂孔，具體位置為距上順槽62.5米處(斜距)，采用Ф50mm的鉆桿，配Ф75mm的鉆頭，平行于上順槽方向，孔深42m，

地點二:在21431集中巷以南129m處，以仰角53°，垂直集中巷上幫向煤體打壓裂孔，孔深穿透煤層并見頂板(實際巖孔長35m，穿煤17m，共52m)。

(2)壓裂孔封孔深度

本次試驗封孔材料采用膨脹速凝水泥，封孔工藝采用注漿泵高壓水泥砂漿封孔。封孔深度在工作面為20～25m，在運輸順槽25～30m。

(3)注水壓力

注水壓力是所有水力化措施中的重要參數。若注水壓力過低，不能壓裂煤體，煤層結構不會發生明顯的變化，相當于低壓注水濕潤措施，短時間內注水起不到卸壓防突的作用；若注水壓力過高，導致煤體在地應力和水壓綜合作用下迅速變形，形成突出。因此，合理的注水壓力應該能夠快速、有效破裂松動煤體，進而改變煤體孔隙和裂隙的容積及煤體結構，排放煤體瓦斯，達到消突的目的。

(4)壓裂時間

壓裂時間與注水壓力、注水量等參數密切相關，注水壓力、流速不同，相同條件下達到同樣效果的注水時間也不同。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，高壓水在已溝通的裂隙間流動，注水壓力及注水流量等參數不斷發生著變化，注水時間可根據注水過程中壓力及流量的變化來確定。根據以往的地面水力壓裂和井下水力擠出試驗經驗，當注水泵壓降低為峰值壓力的30%左右，可以作為注水結束時間。

注水系統由注水泵、水箱、壓力表、專用封孔系統等組成。注水泵選用額定壓力為31.5MPa、額定流量為400L/min的BRW400/31.5型煤礦用乳化液泵。為便于操作和控制，注水泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，水箱容積3m3。壓力表采用YHY60(B)礦用本安型數字壓力計和FCH32/0.2礦用本安型手持采集器。

高壓管路選用2寸高壓膠管和優質無縫鋼管，采用快速接頭連接。無縫鋼管外徑57mm，壁厚6mm，每節長3m。孔內末段鋼管5m開孔，孔徑10mm，孔密20孔/米，鋼管底部錐形絲堵封口。

如圖1所示。

2.2 工作面順層孔試驗

21431工作面及集中巷進行了水力壓裂試驗。

1首先對2143工作面注水孔進行壓裂。試驗開始，試機、試壓完好，壓力達到6MPa，流量水表原始數據分別為99980、00018。

經過壓裂，本次順層孔壓裂壓力最高11MPa，注水量為12.5m3。

順層孔壓裂結束后進入工作面查看，工作面71架至77架位置(距下順槽約93.75～101.25m)頂板巖石冒落，堆滿運輸機(壓裂孔位于62架，距下順槽約82.5m)，本段有煤壁外移現象。

2.3 2143集中巷穿層孔試驗

21431集中巷壓裂孔處(距五川129m)，單泵進行管路試壓，流量水表數據分別為99983.6、00028.1，后停泵，查看管路無問題。

水表數據為10008.9、00030.3，累計注水量21.1m3。

本次穿層壓裂壓力最高8MPa，注水量為27.5m3。

穿層孔壓裂結束后進入工作面查看，下順槽距五川139m位置(下順槽大坡度下)上幫出水，分析是穿層壓裂孔與斷層裂隙導通形成裂隙漏水。

2.4 水力壓裂期間上順槽回風瓦斯涌出情況

利用水力壓裂前后21431工作面回風瓦斯傳感器監測曲線分析水力壓裂期間瓦斯涌出情況。開始進行水力壓裂，之前回風瓦斯濃度約為0.3％，自壓裂開始到壓裂結束，回風瓦斯濃度自0.4％逐漸上升，濃度穩定在0.5％，瓦斯濃度最大0.74％，到結束時回風瓦斯濃度恢復至0.3％左右。

水力壓裂期間，工作面回風風量約為1300m3/min，經計算，水力壓裂期間瓦斯涌出量比平時多涌出約800m3。

2.5 水力壓裂試驗前后21431工作面瓦斯抽放效果對比

(1)2143下順槽抽放情況對比

水力壓裂前:下順槽抽放鉆孔抽放負壓約130mmHg，瓦斯濃度為15％～16％，抽放純量為0.5～0.6m3/min。

水力壓裂后:下順槽抽放鉆孔負壓約為70mmHg，瓦斯濃度在15％～22％，抽放純量為0.8～0.9m3/min。

分析:對比水力壓裂前后下順槽瓦斯抽放情況，抽放濃度比原來抽放濃度增加5％～6％，抽放純量增加0.3～0.4m3/min，抽放效果明顯提高。

(2)2143集中巷抽放情況對比

水力壓裂前:集中巷穿層抽放鉆孔抽放負壓約120mmHg，瓦斯濃度為27％，抽放純量為0.15～0.2m3/min。

水力壓裂后:集中巷補打了57個穿層鉆孔，抽放鉆孔負壓約為75mmHg，瓦斯濃度在64％～70％，抽放純量為0.3～0.5m3/min。

分析:對比水力壓裂前后穿層鉆孔瓦斯抽放情況，抽放濃度比原來抽放濃度增加了約2.5～3倍，抽放純量增加了1.5～2.5倍，抽放效果明顯提高。尤其是壓裂鉆孔，濃度最高，衰減最慢，單孔純量達到0.37m3/min。

其中將集中巷水力壓裂孔帶抽后，抽放濃度最大(70％左右)，抽放純量最高(約0.5m3/min)，衰減相對來說也比較慢，抽放效果較好。

3 綜述

(1)21431工作面水力壓裂試驗是成功的，通過水力壓裂試驗，增加了煤層透氣性，提高了抽放效果，擴大抽放鉆孔的影響范圍。(2)在水力壓裂后重新補打抽放鉆孔期間，噴孔、夾鉆、塌孔比壓裂之前次數明顯降低，有利于抽放鉆孔的施工。(3)水力壓裂試驗有利于提高抽放效果，有利于區域防突的順利開展。(4)利用穿層孔水力壓裂比利用順層鉆孔水力壓裂效果好，原因巖石封孔效果比煤體封孔效果好，壓裂范圍大。(5)水力壓裂之后，煤體比較潮濕，不利于抽放鉆孔施工的排粉。

參考文獻

[1]于不凡，王佑安．煤與瓦斯災害防治及利用技術手冊[S]．北京:煤炭工業出版社，2000.

[2]袁亮．松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術．北京:煤炭工業出版社，2004.

[3]林伯泉，崔恒信．礦井瓦斯防治理論與技術[M]．徐州:中國礦業大學出版社，1998.