水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的效果分析與應用

劉凱

摘 要：為實現對煤礦瓦斯的有效治理，越來越多的煤礦開始研究水力壓裂技術，并在實踐應用中取得了比較理想的應用效果。本文基于水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的效果進行分析，先概述了水力壓裂技術，然后介紹了水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的作用，最后結合實例加以探討，以期為煤礦的安全、高效生產提供有益參考。

關鍵詞：水力壓裂技術；瓦斯治理；效果；應用

對國內煤礦進行統計發現，大多數煤礦煤層的透氣性不理想，除此之外，瓦斯含量也比較高，正因如此，瓦斯事故在所有礦難事故之中占有較大比例，與此同時，還會導致嚴重的人員傷亡和難以估量的經濟損失[1]。隨著煤層開采深度的不斷加深，突出煤層也相應增多，這對煤礦的生產安全埋下了嚴重的隱患。在傳統煤礦瓦斯治理工作中，缺乏效果顯著的治理措施，而伴隨著水力壓裂技術的不斷成熟，能夠比較理想地增加煤層的透氣性，與此同時，還能夠明顯降低煤層之中瓦斯的實際含量，表現出了良好的應用效果。

1 水力壓裂技術概述

水力壓裂是應用于地面煤層氣開發利用的一項現代技術，大多應用于具有原生結構的煤層，其工作原理是將水作為動力，使煤體出現裂隙，施加超過地層濾失速率的排量和超過地層耐破上限的壓力，讓煤層之中不同等級的弱面內通過對弱面面壁形成流體壓力，導致空間上的一定膨脹，以此推動這一弱面不斷地進行擴張以及延伸，到一定程度之后破裂產生裂縫，并彼此連通，形成相互聯系的網絡，最終提升煤層以及抽采管路之間的聯通能力。

水力壓裂技術的一般工藝流程如下：供水管→水箱→連接管→注水泵→高壓水管→專用封孔器→鉆孔→煤體[2]。

2 水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中作用

（1）增加煤層透氣性。以煤層為對象進行水力壓裂操作，可以為煤層制造出更多的裂隙，不僅如此，還能夠大幅增加煤層裂隙的長度，賦予煤層間更為理想的透氣性。

（2）消除煤層的瓦斯突出危險性。向煤層注入一定的水，能夠對基質塊中儲存的瓦斯做“封閉”處理，提升瓦斯由吸附態轉變成游離態的難度系數，即意味著大幅增加了煤層之中瓦斯的殘留量，從而實現對瓦斯涌出量的有效減少和控制。如某煤礦采用水力壓裂技術之后，其采煤作業過程中的相對瓦斯涌出量大幅減少，僅僅是直接采煤方式的45.3%，不僅如此，還實現了對瓦斯放散初速度的有效降低[3]。總之，在一定程度上消除了煤層瓦斯突出的危險性。

（3）改變煤體強度。當煤層處于原生結構時，其煤體強度通常相對較硬，采用水力壓裂技術進行處理之后，能夠不斷增加煤層之中含水飽和度，同時不斷降低煤體單軸抗壓強度以及抗拉強度等，如此一來，給煤層的實際開采工作提供了極大的便利。

（4）平衡地應力。在煤礦開采工作中，采用水力壓裂技術能夠明顯強化煤層所對應的地應力場，在相應區域內實現均一化的效果，防止在某點或者某方向上產生過大的應力集中問題，從而有效平衡地應力，這對于防范瓦斯突出而言具有相當積極的現實意義。

（5）降低瓦斯壓力。煤層瓦斯壓力場通常屬于非均勻狀態分布，相鄰煤層之間的瓦斯壓力場可能存在顯著差異，瓦斯能量過于集中，若被無意揭露，能量便會在短時間內劇烈釋放，導致非常嚴重的安全事故。而通過水力壓裂技術形成的裂隙可以讓瓦斯在煤層中由高壓區不斷傳輸到低壓區，最終實現降低瓦斯壓力的效果[4]。

（6）降塵。在對煤層采用水力壓裂技術之后，煤層中由于裂隙的存在和延伸，水便會不斷流入其中，如此一來，在煤炭采掘過程中巷道內便不會出現大量煤塵，可以大幅降低井下采掘作業地點巷道內的煤塵濃度，從而改善一線礦工的作業環境，降低其罹患相關職業病的可能，同時還能夠有效預防井下煤塵爆炸事故，這對于保障煤礦安全生產而言，具有相當積極的現實意義[5]。

3 水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的應用實例

某礦井屬于比較典型的煤與瓦斯突出礦井，其煤體對應的堅固性系數在0.15-0.30之間，煤層透氣性不理想，利用傳統瓦斯抽放方法效果不理想。

2015年5月，以1414（3）工作面底板巷為對象，先后進行了12孔次的水力壓裂作業，每次注水量控制在100-230m3之間，作業壓力控制在17-35MPa之間。對4#鉆場進行水力壓裂作業之后，其60m之外的0#鉆場所對應的瓦斯抽采情況獲得了顯著改善，實際抽采效率大幅提升，可見水力壓裂作業竟然可以影響到60 m之外的抽采孔。其水力壓裂作業前后各自對應的瓦斯抽采數據詳見表1。由表1中的數據可知，水力壓裂作業能夠顯著提升煤礦瓦斯的抽采速度，實現快速消突，這對于煤礦瓦斯治理來說起到了安全高效的作用。

4 結束語

總而言之，隨著水力壓裂技術的不斷成熟，其在煤礦瓦斯治理中發揮出了越來越重要的作用，包括增加煤層透氣性、消除煤層瓦斯突出危險性、改變煤體強度、平衡地應力、降低瓦斯壓力、降塵等，為煤礦企業帶來了更大的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]曲曉明.基于水力壓裂技術的地面鉆井排放瓦斯效果分析[J]. 內蒙古煤炭經濟，2013（07）：174-175.

[2]呂有廠.水力壓裂技術在高瓦斯低透氣性礦井中的應用[J].重慶大學學報，2010（07）：102-107.

[3]王國鴻，徐贊.水力壓裂技術提高低透氣性煤層瓦斯抽放量淺析[J].煤礦安全，2010（08）：120-121.

[4]孫炳興，王兆豐，伍厚榮.水力壓裂增透技術在瓦斯抽采中的應用[J].煤炭科學技術，2010（11）：78-80.

[5]代志旭.高壓水力壓裂技術在瓦斯綜合治理中的研究與應用[J]. 煤炭工程，2010（12）：82-84.endprint