寺河礦地面井壓裂瓦斯抽采技術研究

張文浩,王君宇,楊海鵬

(1太原理工大學礦業工程學院,太原 030024;2.山西省煤炭工業廳,太原 030012)

我國是瓦斯事故多發的國家,煤礦一旦發生瓦斯事故,往往會造成十分重大的人員傷亡和經濟損失[1]。所以瓦斯的治理與預防已經成為煤礦安全生產的關鍵部分。近年來有關專家針對煤礦瓦斯抽放做了很多研究,抽放效率低下是瓦斯抽放工作的難點。研究發現,煤層卸壓對提高煤層滲透率,增進瓦斯運移有著重要的影響。卸壓增透對提高煤層瓦斯抽采起到積極的促進作用,也是治理煤與瓦斯突出的有效手段[2-6]。

寺河礦西區的煤層經過鑒定為煤與瓦斯突出煤層,在煤層下方進行巖巷掘進時,會涌出較大的瓦斯,已經嚴重影響到了正常的巷道掘進工作,所以瓦斯治理工作急需進行。結合寺河礦的地質條件決定在寺河礦進行煤層注水實驗。煤層水壓壓裂是不同于傳統的煤層注水的方法,煤層注水是利用鉆孔像煤層中注水,通常是通過浸潤的方式使得煤層濕潤,而煤層水壓壓裂是通過高壓水作用在煤層上,從而產生細小裂紋,然后逐漸擴展成宏觀裂紋最終破裂的施工工藝。煤層水壓壓裂可以降低煤層強度,增大煤層透氣性。

1 寺河礦西區煤層概況

本區煤層為3#煤層,煤層厚度6 m左右,埋深360 m左右,滲透率平均2.96 md,儲層壓力約2 MPa。在煤層下方約10.5 m進行巖巷掘進時,涌出較大的瓦斯,已嚴重影響巷道掘進工作。寺河礦西井區設計生產能力為4.0 Mt/a,西井區平均日產量為12 121 t。回采煤層為3號煤層,采用長壁大采高工作面采煤工藝,綜采工作面回采率約為93%,西井區達到生產能力時共布置1個盤區1個長壁大采高工作面,井下共配備2個綜掘工作面(煤巷)和2個普掘工作面(巖巷)保證回采工作面接替。

2 壓裂增透實驗

根據寺河礦西區的實際情況,結合地面預抽井的情況,確定在YH-056井進行布置油管壓裂,地面井定向擴容壓裂。地面井定向擴容壓裂井下強化抽采示意圖,見圖1。鉆孔施工設計：1)井下先從底板巖巷施工直徑為Φ96 mm的定向鉆孔，鉆孔開始在穩定巖層內延伸65 m。2)井下先從底板巖巷施工直徑為Φ153 mm的定向鉆孔，鉆孔開始在穩定巖層內延伸65 m。3)巖孔鉆至設計孔深時退出鉆具，用Φ193 mm鉆頭擴孔6 m，下入10 m的Φ153 mm鋼套管封孔。4)用Φ96 mm鉆頭，采用定向鉆井工藝鉆孔，鉆孔在煤層中延伸100 m。5)退鉆，下入60 m長的Φ89 mm油管，并進行封孔。壓裂液的配方為清水+0.05% ALD-608+0.05% XLD-108+0.5%KCl。壓裂時先采用小排量1～2 m3/min，隨后提高壓力到15 Mpa，無明顯異常后將排量增到3.5 m3/min后結束壓裂作業。

根據所需考察的煤層瓦斯賦存特征,在水力壓裂影響區域煤層布置4組不同間距的穿層瓦斯預抽鉆孔,與未進行水力壓裂區域煤層的穿層瓦斯預抽鉆孔的預抽效果進行對比。

圖1 地面井定向擴容壓裂井下強化抽采示意Fig.1 Diagram of enhanced gas drainage of directional dilation fracturing in ground well

2.1 壓裂孔抽采情況

在完成鉆孔后進行了為期385 d的抽采作業,平均抽采量為4.4 m3/min,最高抽采量為8.8 m3/min,平均抽采濃度為60.2%,最高抽采濃度為92%。壓裂瓦斯抽采量及瓦斯濃度,見圖2。

圖2 壓裂瓦斯抽采量及瓦斯濃度Fig.2 Fracturing gas drainage and concentration

由圖2可以看出,在抽采前期的抽采量和抽采瓦斯濃度曲線較為穩定,前八個月中瓦斯的平均抽采量為5.7 m3/min,平均抽采濃度為75.6%。在抽采后期,曲線有明顯下降的趨勢,這表明抽采量與抽采瓦斯的濃度顯著降低,這是由于在采期間該區域內施工了較多的普通抽采孔和千米抽采孔。最后瓦斯濃度和瓦斯純量逐漸降到0，頂煤巷道貫穿了壓裂孔。

圖3 千米孔1抽采數據分析Fig.3 Gas extraction data analysis of kilometer drilling 1

圖4 千米孔2抽采數據分析Fig.4 Gas extraction data analysis of kilometer drilling 2

圖3和圖4分別為西三集中回風巷(與壓裂位置同一巷道)的兩個千米孔的抽采數據,從數據可以的得出千米孔的瓦斯百米抽采量的平均值僅為1.1 m3/min。在使用水力壓裂的煤層段(長約100 m),抽采瓦斯的平均量為4.4 m3/min,抽采量明顯大于普通鉆孔,這說明壓裂取得了良好的增透效果,起到了提高瓦斯抽采量的作用,降低了煤層中的瓦斯含量。

2.2 考察孔的抽采情況

根據制訂的考察孔布置設計,布置的考查鉆孔抽采情況見圖5，鉆場考察鉆孔的抽采情況。由圖5可知,單孔最大抽采瓦斯純量為1.3 m3/min,最高抽采瓦斯濃度為86%,平均抽采純量為0.87 m3/min,平均抽采瓦斯濃度為70%,從已觀測到的壓裂后瓦斯含量數據顯示,壓裂后壓裂孔70 m范圍的瓦斯含量平均為7.87 m3/t,與未壓裂前比較降低了31.2%。

圖5 鉆場考察鉆孔的抽采情況Fig.5 Gas drainage of inspecting boreholes

3 結束語

經過壓裂后的抽采實驗,累計瓦斯抽采純量達到了2.439 4×106m3,最高抽采瓦斯純量8.8 m3/min,平均抽采瓦斯純量4.4m3/min,最高抽采濃度92%,平均抽采濃度為60.2%。與壓裂位置同一巷道千米孔的抽采數據進行對比分析,可以看出壓裂孔的瓦斯抽采量明顯高于普通千米孔,說明壓裂實驗取得了顯著的效果,有效的增加了煤層的透氣性,提高了瓦斯抽采量,為煤礦安全回采提供了保障。