水力壓裂技術在煤礦井下瓦斯防治領域的應用

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054）

當前國內多數煤礦已經進入到深部開采階段，相對于傳統淺部煤炭開采，出現了較大的變化，特別是深部煤炭資源變質程度較高，瓦斯含量也更大，同時，隨著煤礦埋深的不斷增加，煤礦通風難度也在持續增加，進一步增加了煤礦瓦斯防治難度，因此，加強水力壓裂技術在礦井瓦斯防治中的應用分析具有重要的意義。

1 水力壓裂技術在礦井瓦斯防治中的應用原理及作用

1.1 應用原理

水力壓裂技術就是以水為動力，將煤層內裂隙暢通，從而方便瓦斯從煤層中排出。其注水系統如圖1 所示，在具體使用過程即通過鉆孔將高壓水壓入到煤層中，隨著注水壓力的增加，當壓入速度超過了煤層自然吸水能力時，由于流動阻力逐漸增加，進入到煤層內部的液體壓力就會不斷升高，當超過了煤層上方巖石的壓力時，煤層內部原本閉合的裂縫就會被貫通，從而形成全新的流通網絡，煤層整體的滲透壓力就會明顯增加[1]。煤層內包括較多的原生裂隙，這些裂隙屬于各向異性，在高壓水的作用下，通常不會產生新裂隙，而是將這些原有的裂隙貫通，從而更好地進行瓦斯抽采。

1.2 主要作用

1.2.1 能夠有效降低煤體強度

將水體注入到煤體內部后，煤體內含水量將明顯增加，隨著煤體內水分的增加，煤體整體的抗壓與抗拉能力將會逐漸下降，隨著這些參數的下降，在一定程度上也會降低煤炭資源開采的難度，煤炭資源的采出率也會明顯增加。

1.2.2 可取得較好的除塵效果

在水體進入到煤體內部后，煤體內部的含水量會明顯增加，煤炭資源的分散能力則會顯著下降，這樣煤炭粉塵的數量則會明顯下降，施工人員的施工環境會得到較好的改善，施工過程對于員工的身體帶來的負面影響會更低。

1.2.3 煤炭資源內瓦斯壓力下降較為明顯

選擇使用水力壓裂技術后，煤體內部的裂隙會有效貫通，瓦斯整體的流動性會增加較大，局部出現瓦斯壓力過大的情況明顯下降，瓦斯壓力在煤體內部將呈現出均質化，這對于煤炭資源的開采安全程度來講是非常有利的，由于瓦斯而導致的各種類型地質災害將會明顯降低。

1.2.4 有助于實現對地應力的有效平衡

通過選擇使用水力壓裂技術，如果煤炭資源內存在瓦斯突出的危險，該技術對于地應力、瓦斯壓力降低作用是非常明顯的。

1.2.5 將瓦斯突出的危險性有效降低

通過向煤體內注入一定量的水，對于基質狀煤體內瓦斯可以實現封閉處理，有效地改變瓦斯的實際狀態，在多數情況下，可以將瓦斯從吸附狀態轉變為游離狀態，煤層內殘留瓦斯量將增加，瓦斯的實際涌出量將明顯下降，從而有效地降低瓦斯突出的危險性。

圖1 注水系統布置圖

2 水力壓裂技術在礦井瓦斯防治領域中的具體應用

煤礦生產能力為120 萬t/a，屬于突出礦井，通過現場實測，瓦斯壓力在3.6 MPa 左右，含量在20 m3/t 左右，煤層透氣性較差，瓦斯抽采難度較大。從該煤礦的生產實際來看，礦井突出較為嚴重，鉆孔噴孔率超過了1/3，從建井以來，瓦斯突出事故發生了多次。因此，結合煤礦生產實際，擬選擇使用水力壓裂技術，實現對礦井瓦斯的有效防治。具體應用情況如下所述。

2.1 水力壓裂鉆孔布置

結合煤礦開采實際，在煤礦21605 底抽巷2 號鉆場處施工了水力壓裂測試鉆孔。方位角設計為150°，使得巷道和壓裂鉆孔之間形成垂直關系，在具體布置時，每排共設置6 個鉆孔。

2.2 水力壓裂鉆孔封孔

在具體封孔時，選擇使用馬離散化學藥劑，并配合使用石膏與水泥，選擇使用機械的方式進行封孔，該次封孔的長度在16 m 左右。具體的施工方法為：在距離鉆孔孔口較近的位置，選擇使用馬麗散進行封裝，封裝的長度在1.6 m 左右，同時，根據鉆孔的實際長度，將所需的石膏、水泥的數量計算出來，最后使用專用的封孔機器將預先配置好的石膏水泥通過注漿管道全部注入鉆孔中，在封孔之后的1 d 內，將煤氣觀測表安裝到指定的鉆孔位置，測量瓦斯的排出量。然后開始對水利壓裂測試鉆孔進行注水壓裂，在注水過程中，對注水情況進行嚴格的控制，特別是對于出現的滴水情況進行嚴格檢測，在出現了滴水情況后，根據現場情況，將注水壓力降低到7 MPa，然后將閘閥全部關閉，完成注水。從該次的注水情況來看，其最高的壓力在20 MPa，注水的時間在72 h 左右，注入水量在900 m3上下。但是在具體施工的過程中，出現了一定的供水不足的問題，導致注水過程出現了幾次中止的情況。

注水壓力和壓裂時間及注水量等參數有較為直接的關系。在注水的過程中，煤體隨著水壓力的增加，逐漸被壓裂破壞，各種類型的裂隙被貫通，水體在已經完全的溝通裂隙中相互流動，注水量、注水壓力等參數也在持續變化。在注水穩定一定時間后，隨著壓力的不斷下降，或者在檢驗孔附近的瓦斯濃度在持續增加，這說明檢驗孔與壓裂孔之間已經達到完全裂開的狀態，這時就能夠將水泵停止。

2.3 水力壓裂效果

在對煤礦21605 工作面底板巷進行12 孔次水力壓裂作業，單次注水量控制在120 m3～220 m3，其注水壓力控制在18 MPa～35 MPa。在對4#鉆場實施水力壓裂后，距離其60 m 以外的0#鉆場其瓦斯抽采效果有明顯改善，抽采效率得到了大幅度提高，因此可知，水力壓裂的實施可以影響到60 m 以外的抽采孔。通過對水力壓裂作業實施前后的抽采數據進行統計后，通過表1 可知，水力壓裂技術在煤礦瓦斯抽采中應用可以有效提高瓦斯抽采的速率，能夠實現快速消突的目的，這對于高瓦斯礦井的有效治理具有安全高效的重大作用[3]。

表1 水力壓裂應用前后瓦斯抽采量對比

3 提升礦井瓦斯防治領域的應用效果與對策

3.1 加強對水力壓裂技術應用人員的培訓

從當前水力壓裂技術在煤礦瓦斯防治中的應用情況來看，總體的應用效果并沒有達到應有的水平，導致這種情況出現的原因與水力壓裂技術實際應用人員的總體技術水平偏低有較為直接的關系。因此，這就需要煤與瓦斯突出嚴重的企業，全面認識到水力壓裂技術對于瓦斯防治工作的重要性，從當前的瓦斯防治工作情況來看，采取針對性的措施，將水力壓裂技術應用到具體的培訓中。同時，在培訓過程中，需要針對性地開展對水力壓裂技術的專項培訓，使用理論培訓和實踐培訓相結合的方式，全面提升培訓實效，特別是在理論培訓中，需要將當前應用效果較好的座談會、專題匯報等應用到具體培訓中。在實踐培訓過程中，應該讓技術人員深入使用水力壓裂技術較好的煤炭生產一線，確保技術人員能夠掌握水力壓裂技術實際操控要點。

3.2 加大對水力壓裂技術應用研發力度

從當前水力壓裂技術應用情況來看，這個技術在具體應用過程中定性使用的問題較為明顯，并沒有從定量的角度對相關的環節進行把控，特別是對于具體的注水壓力、注水時間等方面多數情況下對于操作技術人員的經驗等方面還有明顯的依賴，很多環節并沒有一個具體的公式供實際操作人員使用，影響了水力壓裂技術的應用效果[4]。

3.3 加大對水力壓裂技術相關技術裝備的研發應用力度

結合水力壓裂技術實際應用情況來看，水力壓裂技術裝備在實際使用的過程中，智能化、自動化程度相對偏低，操控人員的勞動強度相對偏大，因此，這就需要持續加大對技術裝備的研發和投入力度，更好地發揮出水力壓裂技術的實際應用效果。

4 結語

綜上所述，在煤礦瓦斯防治過程中，將水力壓裂技術應用到其中對于提升瓦斯防治效果有明顯的作用。同時，從當前煤礦瓦斯防治工作開展實際來看，瓦斯防治工作還有較大的提升空間，因此，這就需要煤礦企業全面深入研究自身所面臨的瓦斯防治實際，充分結合煤礦瓦斯防治工作實際，將水力壓裂技術應用到具體防治工作中，全面提升瓦斯防治工作實效。