水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的應用研究

易國晶（貴州盤江精煤股份有限公司，貴州 六盤水553000）

我國煤炭資源豐富，但是大多數礦產深埋于地底，開采條件復雜且艱苦，常伴隨著斷層、瓦斯等災害，風險系數大，開采事故頻發。當前，煤礦開采事故已成為社會關注的焦點問題，為了保障開采人員的安全，打造一個安全的作業環境，煤礦開采單位應做好煤礦作業安全防護措施，引進現代化煤礦安全防護技術，比如說針對瓦斯這一高危因素，可引進水力壓裂技術，提升不同煤層間的透氣性，令瓦斯壓力與地應力達到平衡，轉變煤礦整體強度，獲取滿意的瓦斯治理效果，創造安全、穩定煤礦作業環境。

1 水力壓裂技術概述

在我國，煤礦所處的位置通常都在地下幾十米乃至幾百米，這些區域透氣性極差，瓦斯無法有效排除，如若在瓦斯沒有充分排放干凈的情況下，作業人員進入礦井中，將發生瓦斯中毒問題，而且，瓦斯是易燃易爆炸氣體，在有氧條件下達到燃點將引起爆炸。瓦斯治理一直是煤礦作業安全管理的重要內容，當前，常用的瓦斯治理技術多種多樣，而水力壓裂技術正是其中一種。

水力壓裂技術是一種新型瓦斯治理技術，在煤礦開采過程中，如若探測到開采區域瓦斯濃度較高，可以在作業區域內打孔，并將混有沙子的高壓水等液體注入孔隙內，加壓直至孔隙破裂，液體會自然地向煤層孔隙滲透流動，高壓水中的沙子會填充到孔隙中，在煤層間構建一個孔隙網絡，這樣煤層的透氣性有效提升，瓦斯也能夠沿著孔隙網絡向外排出[1]。不過，要想使用這一技術，首先得知道煤礦開采區域的地質情況，測定區域內瓦斯濃度，從而計算出壓泵壓力、排量等技術參數，制定科學合理的瓦斯治理方案，加以貫徹落實，事后檢測瓦斯濃度，確保瓦斯含量下降到安全范圍后，方可開采。

在經過長期實踐后，水力壓裂技術的瓦斯治理效果得到了驗證，具體來說，其技術作用在于：①提升煤層透氣性，加快瓦斯消散速率。應用水力壓裂技術后，不透氣的煤層中會出現大量裂縫、孔隙，與外界空氣聯通，煤層透氣性提升，而且，瓦斯還能夠從這些細小的裂隙中滲出，相較于突發性的大量瓦斯排放，其安全性更高；②改變煤層的強度。在水力壓裂技術作用下，煤層含水飽和度提升，整體煤礦的結構強度下降，煤層之間的抗拉強度及抗壓強度降低，開采起來更為簡單，煤礦作業風險也明顯下降；③降低瓦斯作用力。由于煤層之間透氣性較差，瓦斯無法在煤層間流通，不同煤層間瓦斯含量存在巨大差異，開采時，如若不同煤層間突然連通，將導致高瓦斯濃度區域瓦斯大量涌出，影響到煤層穩定性，甚至引發瓦斯爆炸事故，風險極高，而水力壓裂技術制造了一個大型孔隙網絡，在煤礦之間、煤礦與外界之間制造了大量的細微通道，讓瓦斯能從高濃度區域向低濃度區域少量多次流動，降低了瓦斯作用力，切實保障了煤層的穩定性與開采作業的安全性；④降塵作用。煤礦作業中揚塵問題普遍而嚴重，應用水力壓裂技術后，煤體含水量提升，揚塵減少，能夠有效降低塵肺病的發生，同時規避煤礦開采對于外界環境造成的不利影響，效益顯著[2]。

2 水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的應用分析

在應用水力壓裂技術進行煤礦瓦斯治理前，首先應該進行全面細致的地質勘測，調查目標區域地質情況，應用紅外氣體吸收型檢測儀器測定瓦斯濃度，然后，再應用FLAC3D軟件進行水力壓裂數值模擬實驗，確定壓裂參數，為技術方案制定提供參考信息。

2.1 選取技術設備

以某煤礦工程項目為例，由于采空區抽采管可調控裝置在使用過程中，若抽采負壓較大、抽采管內積水時，會將翻板吸上來堵住抽采管，影響抽采效果，導致工作面瓦斯增加；與此同時，采空區抽采管可調控裝置雖然操作方便，但體積加大，配件較多，安裝期間沒有以前留管三通便捷。為了使這些不足之處得到有效處理，并提高煤礦瓦斯治理效果，白擬有必要選擇合理科學的技術設備，比如水力壓裂技術的應用，便具備一定的參考價值。

在煤礦瓦斯治理中，應用水力壓裂技術，需要用到的技術設備有高壓壓裂系統、管路系統、遠程監控系統、自動控制水箱、電控柜、封隔器、孔口錨固器等，前三者是最為重要的，需根據技術要求精心挑選，通常情況下，高壓壓裂系統會選用高壓壓裂泵，這一裝置能夠讓壓裂液、支撐劑等在高壓作用下深入煤層，形成孔隙，管路系統通常會選用無縫鋼管及耐壓膠管，發揮傳輸作用，遠程監控系統則由計算機、顯示器、采集設備等組成，能夠將人類無法看到的井下現場壓裂過程顯示在顯示屏上，實現對于技術應用過程的實時監測[3]。

2.2 布置壓裂孔

在煤層地質勘測工作中，會獲取煤層位、物理性質、地質構造等信息，在選取了技術設備后，即可開始布置壓裂孔。在確定壓裂孔布置方案時，首先應該根據煤層結構，及預設的壓裂位置，來確定鉆孔深度，然后再結合煤礦井下巷道布置圖及當前采掘進度，確定合理的鉆孔位置，原則上，鉆孔位置越靠近電源暢通、材料充足、運輸方便的位置越方便操作。

2.3 制備壓裂液與封孔材料

壓裂液是由多種添加劑按照一定比例配制而成的非均質不穩定混合物，在應用水力壓裂技術進行煤礦瓦斯治理時所用的工作液。在實踐中，一般會將陶粒或石英砂與水按照一定比例混合制成攜沙劑，完成壓裂，當壓裂液注入壓裂孔后，需進行封孔處理，以防跑漿、竄漿或漏漿。封孔是決定水力壓裂成功與否的關鍵性操作，一般來說，會使用水泥輔以一定量膨脹劑、減水劑制成封孔材料，其余兩端會應用到聚氨酯等材料。

2.4 實施注漿及封孔

在制備好壓裂液與封孔材料后，即可開始施工，采取分段式注漿方法，按照孔深，以1：2：3的比例將其分為三段，第一段以30L/min的速度注漿，注漿量為1/6，注漿壓力為3MPa，凝膠時間為1min；第二段以50L/min的速度注漿，注漿量為1/3，注漿壓力為2.5MPa，凝膠時間為1.5min，注漿后灌入膨脹水泥；第三段以100L/min的速度注漿，注漿量為1/2，注漿壓力為2MPa，凝膠時間為3min，注漿結束后用聚氨酯封頂[4]。

2.5 檢驗壓裂效果

壓裂作業完成后，觀測壓裂效果，用便攜式紅外線光譜氣體分析儀探測各點瓦斯濃度，探測其是否下降到瓦斯濃度國家標準范圍內，排查安全隱患，做好設備工作記錄。

3 結語

煤礦按照埋藏位置分為淺部煤礦和深部煤礦兩種，前者接近地表，可露天開采，而后者深埋地下，需地下開采，我國大部分礦產都是深部煤礦，開采量大，但是其風險較高，煤礦安全事故頻發，引起了社會的廣泛關注。在煤礦作業中，威脅最大的，莫過于瓦斯，如何高效合理的抽取、排放瓦斯，是保障煤礦開采安全的關鍵，水力壓裂技術是一種安全可靠的煤礦瓦斯治理技術，能夠破壞煤層封閉性，提升瓦斯流動性，安全排放瓦斯，在煤礦作業中得到廣泛應用。