煤礦瓦斯治理中水力壓裂技術的應用

趙春

摘要：針對煤礦瓦斯治理中水力壓裂技術的應用進行分析，介紹了煤炭瓦斯治理中，水力壓裂技術，同時還分析了該技術的應用原理，探討了水利壓裂技術在煤層瓦斯治理中的應用，內容有：提升煤層的透氣性、消除煤層瓦斯突出危險性、改善煤體強度、平衡地應力等。最后結合實際案例，闡述了在煤層使用水力壓裂技術所達到的效果。希望通過對這些內容的分析，能夠為煤礦瓦斯治理中水力壓裂技術的應用提供一定幫助。

Abstract： This paper analyzes the application of hydraulic fracturing technology in coal mine gas control， introduces the hydraulic fracturing technology in coal gas control， and also analyzes the application principle of the technology， and discusses the hydraulic fracturing technology in coal seam gas control. Applications include： improving the permeability of coal seams， eliminating the risk of coal seam gas outburst， improving coal body strength， and balancing ground stress. Finally， combined with the actual case， the effect achieved by using hydraulic fracturing technology in coal seams is expounded. It is hoped that through the analysis of these contents， it can provide some help for the application of hydraulic fracturing technology in coal mine gas control.

關鍵詞：煤礦瓦斯治理；水力壓裂技術；媒體強度；煤層透氣性

Key words： coal mine gas control；hydraulic fracturing technology；media strength；coal seam permeability

中圖分類號：TD82 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0204-02

0 引言

瓦斯事故煤礦事故中所占比例較大，一旦發生，人員傷亡嚴重，經濟損失巨大。為了避免煤礦瓦斯事故發生，需對瓦斯進行抽取。使用水力壓裂技術，能夠有效提高煤層的透氣性，能夠提升瓦斯的抽取效率，因此值得廣泛應用。

1 煤炭瓦斯治理中，水力壓裂技術概述

通常情況下，不同大煤礦在針對突出的煤層進行具體的采集過程中，均會借助一定的方法針對突出的煤層進行預防，避免發生事故。在我國，存在大部煤礦瓦斯突出的煤層的透氣性均相對較差，在這種情況下就導致煤層的瓦斯抽采受到不良影響，出現諸多技術上的問題。因此，一定要對煤層進行減壓和具體的增壓透氣性處理，其內容主要有：對煤層進行注水，針對煤層的保護層進行開采，同時對深孔進行爆破，對這些方式和技術進行具體應用，在進行具體的煤層開采過程中雖然起到一定的效果，打那是還是存在一系列的問題。

例如，對煤層保護層進行開采過程中，即便煤層群減壓效果相對較好，但是針對較為單一的、透氣性比較差的煤層而言，起到的作用并不是很大。進行多種試驗發現，對水利壓裂技術進行應用，能夠有效解決上述問題[1]。

2 水利壓裂技術的應用原理

對于水力壓裂技術來說，主要是將大批量含有砂子的高壓水或者其他一些液體灌輸到煤層當中，從而促使煤層產生一定的裂痕，當其中產生孔隙之后，砂子會停留在這些孔隙之中，這些砂子起到一定的支撐作用，能夠避免孔隙被再次封堵，能夠在一定程度上提高煤層的透氣性，這就為瓦斯的抽采提供了一定的方便。

當煤產生過程中，經常會出現比較多的裂縫和孔隙，但是地質情況和煤的質變情況，促使孔隙之間的暢通情況存在不一致現象，這就對煤層的透氣效果產生一定影響。技術人員采用煤層打鉆的方式，針對含有砂子的高壓水或者其他液體實施相應的水利壓裂，這些高壓水在煤層當中持續的流淌。水是無法進行壓縮的，這些高壓水逐漸增強，促使煤層的內部產生一定的高壓支撐力。這種情況下，就會促使煤層的弱面在裂縫中產生，通過這種方式，能夠有效避免裂縫再次愈合。通過這一系列的操作，會促使煤層之間的縫隙足夠暢通[2]。

3 水利壓裂技術在煤層瓦斯治理中的應用

3.1 提升煤層的透氣性

將煤層作為對象，開展相應的水力壓裂操作，通過這種方式，能夠為煤層制造出更多的裂隙，這種情況下，還可以促使煤層的裂隙長度得到大幅度提升，并且為煤層提供較為理想的透氣性。

3.2 消除煤層瓦斯突出危險性

可以在煤層當中注入適量的水，這樣便可以在基質塊當中儲存的瓦斯進行封閉處理，對瓦斯狀態進行改變，從容促使其從吸附狀態改變為游離狀態，這就意味著煤層當中的瓦斯殘留量得到大幅度增加，進一步對瓦斯涌出量進行適當的降低，并且進行有效控制。例如在煤礦當中使用水力壓裂技術之后，實施相應的采煤作業過程中，能夠有效降低瓦斯涌出量，占據直接使用采煤方式的45.3%。與此同時，還進一步實現了對瓦斯放散初中速度的有效降低，總而言之在一定程度上促使煤層瓦斯突出的危險性被有效消除[3]。

3.3 改善煤體強度

如果煤體層在原生結構位置，這時煤體的強度一般相對較硬，對其采用水壓裂技術進行處理，可以促使煤層之中的含水飽和度得到進一步提高，并且能夠不斷降低煤體單軸的抗壓強度以及抗拉強度等，這種情況下，就能夠為煤層的實際開采提供較大的方便。

3.4 平衡地應力

在對煤礦進行具體開采過程中，借助水利壓裂技術可以促使煤層所對應的應力場得到明顯的強化，相應區域內實現均一化效果，以避免在某一個點或者某一個方向上出現過大的應力集中現象，從而有效平衡應力，對于瓦斯突出現象來說，具有較大的幫助。

3.5 降低瓦斯壓力

在煤層當中，瓦斯壓力場多呈現出非均勻狀態分布的，在相鄰的煤層之間，瓦斯壓力場有可能存在較為顯著的差異，而瓦斯的能量過度集中，如果被無意的揭露，其能量則會在較為短暫的時間內向外劇烈釋放，進而引發比較嚴重的安全事故。借助水力壓裂技術后，所形成的裂隙有可能會讓瓦斯在煤層當中從高壓區逐漸向低壓區傳輸，最后促使瓦斯壓力效果被降低。

3.6 降塵

在煤層當中使用水利壓裂技術，因為煤層當中裂隙的存在以及不斷延伸，這種情況下的水會逐漸向其中流入，這樣在煤炭的具體采掘過程中，在相應的巷到內煤塵的濃度會得到大大降低，這種情況下能夠改善一線礦工作業環境，也可以有效減少職業病的產生，還可以避免出現井下煤塵爆炸的事故發生。這種情況下，能夠確保煤礦安全生產，并且具備較為積極的現實意義。

4 煤礦瓦斯治理中水力壓裂技術的應用

4.1 “三軟”煤層水力壓裂應用實例

以某煤礦集團為例，該礦井為瓦斯突出礦井，其中媒體的堅固性系數在0.15-0.30逐漸，而煤層透氣性相對較差，因此該煤礦屬于瓦斯比較難抽放的“三軟”煤層。

在2015年在該煤礦的A 工作面底抽巷為其實施12孔次壓裂施工，在其中注入44-86m3/次的水量，技術人員將施工壓力控制在17-30MPa之間。而在4#鉆場壓裂之后，與其相隔60m的0#鉆場瓦斯抽采情況得到好轉，也在一定程度上提升了抽采效率，由此可見，壓裂能夠對60m開外的抽采孔產生影響。在對其進行壓裂之前，瓦斯的抽采數據如表1所示。

經分析可得，該煤礦未壓裂區每個月的平均掘進進度為42.9m，當進入到壓裂影響區域之后，每個月的平均掘進進度為56.5m，由此可見，平均掘進進度得到明顯提升。機巷未壓裂區域，每個月的掘進度可達48.1m，該地的掘進進度高了29.6%。由此可見，采用水利壓裂技術，對于煤礦瓦斯抽采、掘進進度的提升起到極大的促進作用。

4.2 在區域消突中的應用

以某煤礦為例，從2014年以后，在B機巷和C機巷分別進行了10次的水利壓裂施工，進行壓裂之后，促使瓦斯抽采以及消突的效果達到預期目標。其中壓裂所影響的半徑達到30m之多，而在B機巷當中，抽采的半徑從原有的2m提高到現在的3m以上。瓦斯的平均抽采其從原有的30d以內，提高到了當前的110d以上（抽采瓦斯的濃度在30%以上）。

在C中巷當中，進行壓裂之后，鉆場的抽采總量一共增加了5倍以上，而B機巷的壓裂區域中所殘留的瓦斯含量和壓力均順利下降到了安全安全值以下，比原有瓦斯壓力和瓦斯含量低，在相同抽采時間內抽采總量和原來相比，提高了2-5倍，抽采效率也得到了顯著提升，比原來提高了50%以上。

在B機巷當中，掘進工作面壓裂之后，在預抽期的10d 以上縮短到現在的7d，其抽采量同比增加，區域瓦斯的預抽率在50%，在具體的掘進過程中，沒有進行超限、區域瓦斯的濃度得到進一步降低，防突效檢指標沒有超標，促使掘進的實踐得到有效延長，促使掘進進度得到大大提升。

在C中巷，壓裂之后的媒體得到充分卸壓，而壓裂的單孔卸煤6t，在C中巷當中的2#壓裂孔一共壓出細粒煤粉3t多，而在4#壓裂孔一共壓出細粒煤粉6t多。相應技術人員進行詳細計算之后，發現控制區域內的煤體卸壓率為4.8%，比保護層開采卸壓率3‰的要求打，相應區域瓦斯抽采量為以前的2倍以上，最終達到區域消突目的。

5 結束語

對水利壓裂技術和相關壓裂工藝進行應用，能夠在一定程度上增加煤層的透氣性，同時還能夠有效提高瓦斯的抽采率，起到煤層瓦斯卸壓以及抽采瓦斯等的作用，最終實現預防突出、避免沖擊地壓、解除局部應力集中、增加煤體水分、降低粉塵濃度等目的。對該技術進行應用，還可以在一定程度上改善井下作業環境，有效降低礦工出現職業病，確保煤礦能夠安全生產，進一步提升煤礦綜合經濟效益。

參考文獻：

[1]李陽，郭立穩，張嘉勇.水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的應用[J].科技創新與應用，2018（10）：174-175.

[2]馬宏宇.煤礦瓦斯治理托管服務模式的探討及示范應用[J].礦業安全與環保，2016，43（05）：103-105，110.

[3]李定華.煤礦瓦斯災害防治技術探討[J].低碳世界，2013（14）：82-83.

[4]張文敏，姜麗麗.煤礦瓦斯治理的問題及解決技術探討[J].科技與企業，2012（11）：148.