煤層壓裂開采與治理區域瓦斯的基本問題

黃炳香，陳樹亮，程慶迎

(1.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州　221116；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州　221116;3.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州　221116)

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煤層壓裂開采與治理區域瓦斯的基本問題

黃炳香1，2，陳樹亮3，程慶迎3

(1.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州221116；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州221116;3.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州221116)

摘要:由于煤層的礦物成分、結構體系、瓦斯的吸附解吸效應等導致含瓦斯煤層水壓致裂復雜，煤層壓裂治理區域瓦斯技術目前整體上還處于起步階段。提出了煤層水壓(流壓)致裂治理區域瓦斯的理論、技術與裝備等基本問題框架。在分析煤層物理化學特性的基礎上，初步給出了煤層壓裂的力學機制與裂縫基本空間形態。分析了含瓦斯煤層水壓致裂的物理化學作用、結構改造增透、應力擾動效應、驅趕瓦斯效應、水鎖效應等作用。以孔隙壓力梯度作用機制為切入點，深入研究煤巖層壓裂的細觀破裂機理、應力擾動效應與評價方法、體積致裂機制、驅趕瓦斯效應、支撐劑在裂縫網絡的運移規律與壓嵌特性、排采規律等理論問題。針對驅趕瓦斯效應揚長避短，使含瓦斯煤層壓裂上升至壓裂驅趕層次。提出了需要深入研究的技術安全性評價、工藝技術、合理泵注排量、壓裂裂縫擴展及其效應監測、適用條件與規范等技術問題。研制了井下壓裂治理區域瓦斯的致裂封孔系統、分析軟件與測控系統等成套裝備。

關鍵詞:含瓦斯煤層；水壓致裂；裂縫擴展；應力擾動；解吸

煤巖體流壓致裂是指通過鉆孔注入高壓流體(水、氣體等)，在流固耦合作用下，鉆孔孔壁產生破裂并擴展，簡稱壓裂(Hydrofracturing)。通常的壓裂介質是水，對應稱其為水壓致裂、水力致裂或水力壓裂。煤巖體水壓致裂主要是通過水壓裂縫的擴展，達到結構改造的目的，進而滿足強度弱化、增透、應力轉移等工程要求[1]。傳統的煤層注水主要通過滲流，達到吸水濕潤的目的，進而滿足減塵、軟化巖體強度等工程要求。水壓致裂的水壓力一般比煤層注水的大，2者是有本質區別的。煤層注水在煤礦中應用較早，應用于降塵相對較成熟，煤層注水防治煤與瓦斯突出雖進行了大量的研究與應用，但很多機理性的問題仍沒有認識清楚[2]。

我國在20世紀曾試驗過煤層水壓致裂治理區域瓦斯，但由于理論與實踐研究不夠，對技術本身有爭議，導致后續很長時間該技術停滯發展。近幾年，水壓致裂治理區域瓦斯技術逐漸開始在全國的井工煤礦試驗，現場試驗也顯示出其技術效果。但對于煤層水壓致裂的機制及其與增透、消突等方面的關系等認識不清楚，導致現場應用存在很大的盲目性。現場大多數只是知道將高壓水注入煤層，后續抽采瓦斯和消突有效果，對其帶來的水鎖效應等負面效應也存在顧慮。應該說，水壓致裂治理區域瓦斯和開采煤層氣都整體上還處于起步階段。

因此，必須積極深入開展煤層水力(流壓)致裂治理區域瓦斯的基礎理論、關鍵技術與裝備研究(圖1)，在大量理論與實踐研究的基礎上，掌握其機理、規律與使用條件等，并制定相應的技術規范。

圖1　煤層壓裂開采與治理區域瓦斯的基本問題框架Fig.1　Basic problems frame of hydrofracturing for mining and control zone gas in coal seams

1煤層水壓致裂的機制

1.1煤層的物理化學特性

煤系巖層是沉積巖。煤層由于其形成過程的特殊性，導致煤體與一般的巖體在物理力學性質方面有著很大的差別。煤層的天然裂縫發育，氣水共存，瓦斯處于動態的吸附與解吸平衡；會含有夾矸，為多層組合，結構復雜；彈性模量低、泊松比高、壓縮系數高，含瓦斯煤層的滲透率易損害。

取煤樣進行X射線衍射掃描，并與粉末衍射聯合會國際數據中心(JCPDS-ICDD)提供的各種物質標準粉末衍射資料對照分析，按照中國標準(GB 5225—86)的K值法進行定量分析，如圖2所示。煤體的主體是非晶物質(煤)，有部分高嶺石、伊蒙混層和少量的伊利石、蒙皂石、白云石、方解石、黃鐵礦、石英等礦物。

圖2　煤的礦物成分X衍射分析Fig.2　X diffraction analysis of mineral components in coal

煤層由于沉積形成和后期的地質運動等作用，導致煤巖體的孔隙、節理、層理、割理(靜壓裂隙)、失水裂隙和縮聚裂隙發育，且層理、靜壓裂隙等具有明顯的方向性特征(圖3)。在煤化作用過程中，煤層在上覆巖層的單向靜壓作用下形成的與層理大體垂直的定向裂隙稱為靜壓裂隙(割理)[3]，其表面平整，有光澤，張開度小。割理被分為面割理和端割理，2者大致相互垂直，并都與煤層層面正交或陡角相交。由割理和上下層理所限定的煤基巖塊內還普遍發育失水裂隙和縮聚裂隙。

煤是由基質孔隙系統和裂隙系統構成的雙重孔隙介質。肉眼看不出裂隙的小塊煤樣，在掃描電鏡照片中卻存在大量微裂隙(圖4(a))，有些微裂隙把煤分割成塊狀，有些微裂隙把煤分割成層狀。一般至少要放大至1 000倍，才能觀察到煤的孔隙發育形態(圖4(b)[3])，煤中有氣孔、鑄模孔等。

圖3　煤層的層理和割理Fig.3　Morphology of bedding and cleats in coal seam

圖4　煤的孔隙裂隙形態Fig.4　Morphology of pores and micro cracks in coal

1.2煤層水壓致裂的力學機制

煤層是孔隙介質且可滲透，在細觀上表現為各向異性，水在滲流過程中會形成孔隙水壓力梯度場(圖5)。當煤層礦物顆粒間的靜力平衡和變形協調狀態被打破，相鄰礦物顆粒間的作用力超過其黏結強度等時，礦物顆粒間斷裂張開，形成微裂紋；同時，壓力水進入微裂紋，進一步影響和導致其他礦物顆粒間斷裂張開，形成較大的微裂紋。由于礦物顆粒和孔隙分布的隨機性，導致因流固耦合產生的微裂紋在一定范圍內分布較多，且微裂紋的方向不同。隨著載荷(滲透水壓力或固體應力)的增加逐漸擴展形成微裂紋區(圖6)。遠場固體主應力差影響微裂紋區的形態；在最小主應力面內礦物顆粒最易斷裂張開，消耗的能量最小，形成微裂紋的一個主方向，即裂紋擴展的優勢破裂面，也是未來的宏觀主斷裂方向。在水壓裂縫裂尖微裂紋區，由于主裂紋的擴展，其附近區域卸載，該區域的微裂隙逐漸閉合停止擴展，裂尖區凸顯優勢方向的主裂縫。

圖5　裂尖滲透水壓區形態Fig.5　Morphology of seepage pressure zone in the crack tip

圖6　水壓裂縫裂尖微裂紋區Fig.6　Micro cracks zone in the tip of hydraulic fracture

1.3煤層水壓致裂裂縫的基本空間形態

煤體是裂隙相對較為發育的介質，在煤層豎直方向一般發育兩組割理。采用500 mm×500 mm×500 mm煤-水泥砂漿試塊進行了給定應力場條件下的水力致裂實驗[4]。圖7為煤體水壓致裂的典型裂縫網絡形態，試塊的地應力場為σ1=12.31 MPa(圍壓)、σ2=7.69 MPa(鉆孔軸向)、σ3=3.08 MPa(圍壓)。水壓致裂的排量為100 mL/min。煤體在水壓致裂過程中，除了形成主水壓裂縫外，壓力水沿著主水壓裂縫向兩側的原生裂隙內滲透，形成裂隙水壓力，隨著裂隙水壓力的升高，裂隙張開擴展，增大煤體原生裂隙的張開度。2組割理在水壓作用下張開并交叉擴展，形成了貫通的裂縫網絡，裂縫網絡將煤體切割成塊體狀。因此，煤層水壓致裂的水壓裂縫是一個裂縫網絡系統，該裂縫系統以三維應力控制形成的水壓主裂縫為基礎，兩側是交叉貫通擴展的成組張開裂縫。煤層水壓裂縫的空間網絡特征導致煤層水壓致裂裂縫的擴展過程相當復雜。

圖7　煤體水壓致裂的裂縫網絡形態Fig.7　Hydraulic fractures network in coal mass

2含瓦斯煤層水壓致裂的作用

2.1水、煤與瓦斯間的物理化學作用

水對煤層的物理力學性質等有較大的影響。不同礦物成分的親水性有較大差異(圖8)，親水性礦物越多，吸水導致的體積膨脹與強度軟化等煤層性質的影響越大。

圖8　薛湖礦煤樣與水接觸角Fig.8　Contact angle of water and coal in Xuehu mine

煤中水分對瓦斯的吸附解吸效應有重要影響[5-7]。在煤的游離水分中，內在水分是影響煤吸附瓦斯的主要因素[8]。煤中水分是附著在煤的孔隙中，煤的孔隙又與煤的變質程度有關，因此煤中水分與煤的變質程度也存在一定關系。

2.2結構改造導致的增透作用

煤層水壓致裂產生的裂縫網絡系統對煤巖體進行了結構改造，導致滲透性改變。空間裂縫網絡系統增加了煤層的透氣性。煤層抽采瓦斯時，瓦斯的解吸擴散與滲流路徑為：煤塊的孔隙→煤塊微裂隙→張開的原生裂隙網絡→水壓主裂縫→鉆孔。

2.3應力擾動效應

井下具有沖擊傾向性煤巖層的水壓致裂實踐表明，水壓致裂強度弱化防沖的同時還可能會伴隨有“煤炮”的產生。煤炮的位置并不一定與水壓裂縫的位置完全一致。高壓水進入煤巖體后，不僅對煤巖體起到了吸水潤濕軟化的作用，同時改變了煤巖體的應力分布狀態[9-12]，引起煤巖層應力的重新分布。

初步實驗表明[13]，水壓致裂期間及之后在離致裂孔較遠的煤巖體內的應力發生了明顯的變化(圖9)，驗證了煤巖體水壓致裂的應力擾動現象客觀存在。

圖9　巖石水壓致裂的應力擾動現象Fig.9　Stress disturbance phenomenon of hydraulic fracturing in rock

2.4驅趕瓦斯效應

筆者在高瓦斯煤層進行本煤層水壓致裂時發現巷道風流中的瓦斯體積分數明顯升高，煤層中的瓦斯被水壓致裂驅趕出來了，稱這種現象為水壓致裂的驅趕瓦斯現象(效應)[14-15]。突出煤層掘進工作面超前深孔水壓致裂后，后續掘進過程中煤體瓦斯含量沿掘進方向呈現“低-高-低”的現象[15]，實踐與實驗室驗證了含瓦斯煤層水壓致裂驅趕瓦斯現象的存在。煤層掘進面水壓致裂導致的濕潤、驅趕瓦斯、和應力擾動3個影響區域的橢球形態如圖10所示[16]。

圖10　煤層水壓致裂的3個影響區域示意Fig.10　Three effect zones of hydraulic fracturing in coal seam

含瓦斯煤層水壓致裂過程中高壓水沿水壓裂縫進入煤體割理-微裂隙-孔隙組成的通道系統，使割理、孔隙水壓力升高，通道系統內原有的力學平衡被打破，應力重新分布。在水滲流的前沿，孔隙水會克服通道壁的阻力在通道中前移，引起水滲流前端一定范圍內的瓦斯氣體被壓縮，瓦斯壓力升高。局部的瓦斯壓力升高引起的通道壓力差會使瓦斯運移。在水滲流前端，沿孔隙水運移方向形成由高到低的孔隙壓力梯度分布，瓦斯壓力梯度方向垂直于水滲流前沿。隨著水對瓦斯的擠壓程度提高，瓦斯壓力梯度會逐漸增加。引入驅趕瓦斯的啟動瓦斯壓力梯度的概念，當煤層瓦斯壓力梯度大于等于啟動瓦斯壓力梯度時，瓦斯會向沿瓦斯壓力梯度方向移動。瓦斯壓力梯度的產生是驅動瓦斯的直接原因，啟動瓦斯壓力梯度由煤的滲透性和應力等決定。

2.5水鎖效應

在裂縫擴展的前沿存在著大量的微孔隙，微孔隙中又存在著游離態瓦斯和吸附態瓦斯，且2者處在動態平衡狀態，裂縫的擴展過程中存在著孔隙水壓力與孔隙瓦斯壓力的平衡，但是當水壓致裂的水壓卸除后，微孔隙中的孔隙水壓力依然封閉著孔隙中的瓦斯，且微孔隙的直徑越小封閉的越牢固，微孔隙中的瓦斯越不容易抽出。表現到生產實踐中就是在煤層中注水后，有一定量的瓦斯變得不易解吸，不易抽出，此即水鎖效應。

水鎖效應減小了瓦斯的解吸速度，避免了大量瓦斯的快速解吸，從防突的角度講是有利于防突的，盡管從瓦斯抽采的角度講，可能是不利的。

3需要深入研究的理論問題

3.1孔隙壓力梯度作用機制

傳統的水壓致裂理論沒有考慮巖石的可滲透性[17-18]，采用張拉破裂準則來描述其破裂擴展行為[19]。壓力水沿裂縫向巖石內滲透濾失，形成孔隙壓力[20-21]，并產生孔隙壓力梯度。而對于孔隙壓力的影響主要是基于飽和土力學的有效應力原理得出的，而致裂的煤巖體不一定處于水飽和狀態，且對孔隙壓力梯度影響的認識還不清楚[22]。礦井含瓦斯煤層的水壓致裂實踐及前期實驗研究表明，水壓致裂的破裂水壓力可能隨著孔隙壓力(梯度)的增大而增大(圖11)。這是傳統理論無法解釋的。應建立考慮孔隙壓力及其梯度的水壓致裂破裂準則。

圖11　孔隙壓力導致水壓致裂的破裂壓力升高Fig.11　Increase of breakdown pressure caused by pore pressure in hydraulic fracturing

3.2煤巖層壓裂的應力擾動效應與評價方法

以往研究主要關注壓裂后的卸壓作用[23-24]。但有卸壓就有其他地方增壓。且壓裂過程是一個增壓過程，壓裂后局部區域的孔隙壓力不一定能卸除，煤層內孔隙壓力也發生改變。因此，需研究以下內容：研究煤巖層水壓裂縫擴展尖端對圍巖應力的擾動，研究濾失引起骨架應力和孔隙壓力的動態變化，分析裂縫水壓力對圍巖應力的影響，研究采動煤巖體水壓致裂期間圍巖應力的動態變化過程，研究煤巖層孔隙裂隙結構對應力擾動程度的影響，研究煤巖層初始應力場(含采動影響)、巖性與礦物成分等物理力學特性、巖體結構特征、巖層結構及其物理力學特性差等對水壓致裂應力擾動的影響，分析水壓致裂封孔深度、排量、致裂時間等參數對煤巖層應力擾動程度的影響。研究基于應力梯度、應力增速等指標的應力擾動評價方法。

3.3煤層壓裂的體積致裂機制

目前，水壓致裂引起三維應力的重新分布及演化規律不清楚。在國際上，干熱巖石大規模水壓致裂等工程中，微震等監測的破裂不僅分布在水壓裂縫帶上，而在主裂縫帶兩側空間上分布有很多的破裂[25]，稱這種現象為體積致裂；基于傳統的理論，一直沒有將體積致裂的機理解釋清楚[26-28]，成為國際上的一大難題。這種體積致裂現象與煤礦井下水壓致裂過程中的“煤炮”現象有很多相似之處。

因此，在現有研究基礎上，必須從根源上深入認識水壓致裂的機制，描述應力擾動效應，進而揭示巖體水壓致裂的體積致裂機制。

3.4驅趕瓦斯效應

水壓致裂過程中高壓水進入煤體，煤體裂隙孔隙中的游離態瓦斯一部分被驅趕至水壓裂縫區域的外圍形成一個驅趕瓦斯區域，一部分在孔隙水壓力的作用下被封閉在微孔隙中，導致微孔隙中的瓦斯壓力升高，游離態瓦斯與吸附態瓦斯重新平衡。水壓致裂導致的驅趕瓦斯效應已被證實，但是驅趕瓦斯的量還是個未知數，以及水壓致裂完成后，被驅趕到外圍的瓦斯能否被有效的抽采出來，被封閉在微孔隙中瓦斯的解吸時間問題，以及從“防突”的角度講高壓水封閉微孔隙中的瓦斯是弊大于利還是利大于弊等問題都是需要進行深入的分析研究。

3.5支撐劑在裂縫網絡的運移規律與壓嵌特性

煤層氣壓裂的壓裂液主要采用干凈的活性水(如清水+2%KCl)作為前置液、攜砂液、頂替液。在水力噴砂射孔階段，為減小摩阻，采用滑溜水(如清水+1%KCl+0.5%降阻劑)作為壓裂液。支撐劑目前主要是石英砂，加砂方式采用多粒徑支撐劑組合、多級加砂模式。裂網中支撐劑的運移比單縫中的要復雜得多，壓裂施工過程中易出現砂堵現象(圖12)。支撐劑在裂網體系中的運移沉降規律及其與支撐劑濃度、泵注工藝等關系需要深入研究。

圖12　地面煤層氣井壓裂過程中的砂堵現象Fig.12　Phenomenon of sand plug during hydraulic fracturing for the ground coalbed methane well

相對砂巖等儲層，煤層質軟。停泵卸壓后，水壓裂縫在地應力作用下張開度減小，支撐劑作用導致裂縫維持一定的張開度和導流能力。且由于石英砂與煤的剛度差異，隨著時間延長，支撐劑可能在裂縫表面嵌入煤中，導致張開度減小。必須深入研究煤層裂縫內支撐劑的壓嵌特性及其與支撐劑分布、時間等關系。

3.6水壓致裂后的排采規律

水壓致裂后，煤層中產生了龐大的裂縫網絡系統，網絡裂縫的表面有大量的水分。水壓致裂后抽采瓦斯要經歷一個排水降壓解吸過程，也是一個動態的平衡過程。壓裂過程產生了大量的煤粉，所以排水采氣過程的壓降不能過大，過大會導致大量煤粉的遷移與堵塞，對煤層的滲透性產生傷害。在瓦斯抽采初期，抽采管路中水分含量較高；隨著裂縫網絡中的水分大量排出，瓦斯的含量逐漸升高達到穩定期；經過一段時間的瓦斯穩定抽采后，瓦斯含量降低直到抽采結束。因此，需加強研究抽采負壓的作用規律及其與煤層吸附性、水分、煤粉傷害等因素的關系，給出合理抽采負壓和排采速度確定方法。根據瓦斯(煤層氣)抽采系統中水分含量的不同，可適當調整抽采的負壓。

4需要深入研究的技術問題

4.1技術本身的安全性評價

煤層水壓致裂產生的應力擾動可能會誘導突出；同時殘余在鉆孔中的水分對瓦斯有封堵作用，不利于瓦斯的解吸。針對后者，曾有學者利用磁化水代替普通水或在普通水中添加清潔劑等方法，來減少高壓水對煤層瓦斯的解吸能力的影響。但是水壓致裂產生的應力擾動，目前只能通過合理控制水壓致裂的排量，避免水壓致裂的壓力過高，合理優化鉆孔布置，防止出現應力集中等方式。

當前，大家對水壓致裂治理區域瓦斯的方法仍然持審慎的態度。對于該技術的安全性評價，要從以下幾個方面入手：首先就是煤層水壓致裂的裂縫擴展規律，通過大量的煤巖體水壓致裂裂縫擴展規律實驗研究發現，水壓主裂縫的方向平行于最大主應力方向，根據裂縫的擴展方向合理的設計鉆孔和壓裂工藝，避免形成應力集中。同時在保證封孔效果的前提下，盡量減少封孔段的長度，封孔深度距離孔口預留足夠的安全距離。同時輔助檢測水壓力、水流量和巷道中的瓦斯體積分數，出現異常及時采取措施。

4.2煤礦井下壓裂工藝技術

煤層的致裂鉆孔較長，應提出并實施定向[29]、增加裂縫數目、均勻性[30]等裂縫形態控制方法。同時，井下煤層受采動等影響，導致其工藝技術獨特。因此，開發有效的工藝技術是當務之急。

針對驅趕瓦斯效應，一方面應根據驅趕瓦斯的基本原理，優化水壓致裂參數，采用均勻水壓致裂技術，避免水壓致裂驅趕瓦斯造成的不良影響；另一方面應利用驅趕瓦斯效應，提出了本煤層水壓致裂增透驅趕與隔間鉆孔抽采瓦斯技術、沿空掘巷水壓致裂驅趕區域消突與穿煤柱鉆孔抽采驅趕至采空區的瓦斯技術。使含瓦斯煤層水壓致裂上升至水壓致裂驅趕層次。

針對煤巷掘進工作面的快速消突要求，在順層鉆孔條帶采前抽采法的基礎上增加水壓致裂工序，形成了煤巷掘進工作面水壓致裂快速消突的工藝。針對長壁工作面傾向順層鉆孔抽采本煤層瓦斯在時間上的不協調性，可先進行水壓致裂后抽采瓦斯，有效的提高本煤層的瓦斯抽采效率；此方法同樣適用于鉆場抽采本煤層瓦斯的情形。針對底抽巷和石門揭煤等需要快速消突的情形，同樣可以采用先水壓致裂后抽采瓦斯的方法，可有效的減少鉆孔工程量，提高瓦斯的抽采效率。

為克服水對瓦斯解吸的影響、水鎖效應、軟煤層壓裂效果差等問題，可采用氮氣、CO2等容易被煤層吸附的氣體作為壓裂介質，進行煤層氣體壓裂與驅替瓦斯，周邊孔抽采，在時空上有機配合，“一壓一抽”的模式可以提高煤層的孔隙壓力梯度，提高抽采效率。這是今后的發展方向之一。

4.3合理泵注排量

排量是壓裂過程的直接可控關鍵參數。根據壓裂鉆孔的直徑、深度、間距、封孔深度以及煤層的滲透性等因素綜合計算出泵注的合理排量。泵注排量也不是越小越好，如果泵注排量剛好與煤層的滲透速度相當的話，也會導致水壓力過低，不能夠產生水壓裂縫達不到壓裂效果的問題。從水壓致裂的安全角度講，泵注排量不宜過大，泵注排量過大導致水壓力過高，水壓力過高由此引發的應力擾動現象影響了水壓致裂的安全性。

4.4壓裂裂縫擴展及其效應的監測

壓裂裂縫形態的監測對評價壓裂效果等具有重要的意義，同時也是現場檢驗定向致裂、增加裂縫數目、均勻性等裂縫形態控制方法的手段。受地球物理手段的限制，目前這是一個技術瓶頸；當然，這也是許多地下工程中的共性技術瓶頸。微震監測是目前相對較好的技術途徑，但煤層壓裂導致的微震特征、信號識別、除噪、三維定位等均需要深入的理論與技術研究。

目前，現場缺少監測含瓦斯煤層壓裂導致的應力擾動、驅趕瓦斯、水鎖效應等的有效便捷手段，也是導致施工具有盲目性的重要原因。必須加強相關監測方法和裝備的研制。

4.5適用條件及技術規范

地面煤層氣井壓裂一般在未受井下采動影響區進行，在時間和空間上均超前井下煤層開采。因此，因應力擾動和鄰近采掘空間等導致安全使用條件的限制較少，只需考慮煤層壓裂對后續長壁開采礦壓的影響。地面煤層氣井壓裂與排采實踐表明，由于煤層結構復雜、質軟、瓦斯吸附解吸效應、天然裂縫發育、非均質性嚴重等特點導致煤層壓裂變得復雜。不同煤階壓裂排采的效果差異較大。石油的壓裂技術規范等不適用煤層氣井壓裂，需要在大量理論與實踐研究的基礎上，逐漸形成其技術適用條件與規范。

井下煤層壓裂的環境不同于地面煤層氣井壓裂。其適用條件首先要考慮工程背景和目的，其次是煤層硬度、煤種、瓦斯含量等。技術規范首先要限定安全使用條件，其次是關鍵技術參數確定原則、施工注意事項等。如：① 煤巷掘進工作面水壓致裂快速消突工藝技術適合于煤層硬度中硬以上、鉆孔成孔效果較好的煤層。壓裂封孔應當用快速封孔方式，且封孔深度要深，預留不少于20 m的安全屏障區。② 本煤層水壓致裂工藝適用于煤層硬度中硬以上，成孔效果好的煤層，封孔方式應選用長期封孔方式，封孔深度要深，預留足夠的安全屏障。壓裂鉆孔的間距不宜過小。③ 底抽巷和石門揭煤等進行水壓致裂的情形適應情況廣泛，封孔方式應當選用長期封孔方式。井下壓裂均需控制好泵注排量，水壓力不宜過高。

5井下壓裂治理區域瓦斯的成套裝備

5.1致裂封孔系統

根據瓦斯抽采位置的不同要求，煤層水壓致裂的封孔方式也分為2種：一種是采用封孔器封孔(圖13)，具有封孔速度快、封孔完畢后立即可以進行水壓致裂的特點，適用于煤巷掘進工作面和石門揭煤等需要快速消突的條件；另一種是采用水泥藥卷等長期封孔，一般封孔后需要等待十幾小時或者幾十小時后才能進行水壓致裂，水壓致裂后可以直接進行瓦斯抽采，且抽采時間一般較長，適用于本煤層和底抽巷等瓦斯抽采時間長、要求封孔后能夠長期使用的條件。

圖13　井下水壓致裂封孔(隔)器Fig.13　Sealing hole device (packer) of hydraulic fracturing

5.2泵注系統

煤層水壓致裂所需的高壓水由高壓泵站提供，通過高壓膠管輸送到孔口，經封孔系統進入到致裂鉆孔內部。由于高壓膠管鋪設在行人的巷道中，需要將高壓膠管進行安全固定，防止高壓膠管脫開傷人。由于煤層的滲透濾失較大，目前礦井下壓裂泵的額定排量一般小于400 L/min，整體偏小，需要適量增加壓裂泵的額定排量。對于埋深較淺的煤層，也可以采用地面的大排量壓裂泵，通過鉆孔將高壓管路引至井下致裂地點；但必須保障地面泵站與井下致裂點的信息暢通，作業可靠。目前礦井下耐60 MPa高壓管路的內徑小，需要研制更大內徑的高壓管路，減小沿程水力衰減。

5.3測控系統

在進行水壓致裂時，需要實時監測水壓致裂的水壓力、水流量和致裂鉆孔周圍的瓦斯體積分數變化等，并將監測到的數據運用水壓致裂分析系統軟件分析(圖14)，根據變化采取措施，也可以在測控儀中設置各個參數的上限值，當達到或者超過上限值后，反饋電信號控制高壓泵站的工作狀態。在大型施工之前，采用測控系統進行測試分析，估測地應力等相關參數，為后續方案的優化等提供依據。

圖14　水壓致裂分析系統與測控儀Fig.14　Analysis system and monitoring instrument for hydraulic fracturing

6結論

(1)提出了煤層水壓(流壓)致裂治理區域瓦斯的理論、技術與裝備等基本問題框架。

(2)在分析煤層物理化學特性的基礎上，初步給出了煤層壓裂的力學機制與裂縫基本空間形態。分析了含瓦斯煤層水壓致裂的物理化學作用、結構改造增透、應力擾動效應、驅趕瓦斯效應、水鎖效應等作用。

(3)以孔隙壓力梯度作用機制為切入點，應深入研究煤巖層壓裂的細觀破裂機理、應力擾動效應與評價方法、體積致裂機制、驅趕瓦斯效應、支撐劑在裂縫網絡的運移規律與壓嵌特性、排采規律等理論問題。

(4)針對驅趕瓦斯效應揚長避短，使含瓦斯煤層壓裂上升至壓裂驅趕層次。提出了需要深入研究的技術安全性評價、工藝技術、合理泵注排量、壓裂裂縫擴展及其效應監測、適用條件與規范等技術問題。

(5)研制了井下壓裂治理區域瓦斯的致裂封孔系統、分析軟件與測控系統等成套裝備。

參考文獻：

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Basic problems of hydraulic fracturing for mining and control zone gas in coal seams

HUANG Bing-xiang1，2，CHEN Shu-liang3，CHENG Qing-ying3

(1.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;

2.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.FacultyofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

Abstract:The mineral composition,structural system and gas adsorption and desorption effects result in the complexity of hydraulic fracturing in gassy coal seam.The technology of coal seam hydraulic fracturing for regional gas control is still at its initial stage at present.Basic framework of theory,technology and equipment of coal seam hydraulic (fluid) fracturing for regional gas control was proposed.Based on the analysis of physical and chemical property of coal seam,mechanic mechanism of coal seam hydraulic fracturing and the basic spatial morphology of hydraulic fracture were preliminarily given.The effects of physical and chemical process,structural transformation,permeability increasing,stress disturbance,displacement methane and water lock of hydraulic fracturing were analyzed.Took the pore pressure gradient as entry point,intensive study should be conducted on the theoretical problems of coal seam hydraulic fracturing.The theoretical problems include the mesoscopic fracture mechanism,the stress disturbance effect and evaluation methodology,the mechanism of volume fracturing mechanism,the displacement methane effect,the migration law and embedding property of the proppant,and the drainage and mining law.As for the displacement methane effect,its advantages should be used and its disadvantages should be by passed to upgrade hydraulic fracturing for gassy coal seam to hydraulic fracturing displacement methane level.Technical problems such as technology security evaluation criteria,technology,reasonable pumping flow,monitoring of the hydraulic fracture propagation and its effect,application condition and standard require deep-going researches.A set equipment of hole sealing system,analysis software and measurement and control system were developed for underground coal seam hydraulic fracturing for regional gas control.

Key words:gassy coal seam;hydraulic fracturing;fracture propagation;stress disturbance;desorption

中圖分類號:TD712

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0128-10

作者簡介:黃炳香(1978—)，男，湖北通城人，教授，博士生導師，博士。Tel:0516-83590567,E-mail:huangbingxiang@cumt.edu.cn

基金項目:國家優秀青年科學基金資助項目(51522406)；江蘇省“六大人才高峰”資助項目(2014-ZBZZ-007)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20150188)

收稿日期:2015-08-15修回日期:2015-10-28責任編輯:韓晉平

黃炳香，陳樹亮，程慶迎.煤層壓裂開采與治理區域瓦斯的基本問題[J].煤炭學報,2016,41(1):128-137.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9024

Huang Bingxiang，Chen Shuliang，Cheng Qingying.Basic problems of hydraulic fracturing for mining and control zone gas in coal seams[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):128-137.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9024