水力壓裂增透技術在屯蘭礦瓦斯治理中的應用

王永

摘 要：針對屯蘭礦煤層透氣性差、本煤層預抽鉆孔抽采瓦斯流量較小，抽采效率低，為了提升抽采效果，基于高壓水力壓裂增透試驗，闡述了水力壓裂增透的原理，工藝布置及參數設置，進而對其應用效果進行量化分析。實踐表明，該技術的應用有效改善了該工作面瓦斯抽采效果，降低回采過程中的瓦斯含量，保障了安全。

關鍵詞：瓦斯抽采;水力壓裂;現場實踐

隨著多年的經濟發展，我國逐步步入全面建設小康社會的決勝階段，煤炭資源是我國經濟發張的重要保障。隨著開采年限的增加，越來越多的賦存條件較為復雜的煤層已經完成開采，煤層的開采逐步向著賦存復雜煤層轉移。瓦斯是煤層中含有的災害性氣體，瓦斯抽采不合理或抽采不完全會造成難以估量的后果。由于煤層滲透性差、瓦斯含量高、瓦斯壓力大等造成瓦斯極難自由排出，所以提出水力壓裂增透技術[1]，水力壓裂增透技術是對煤層進行壓裂，提升瓦斯抽采效果。本文以某礦為研究對象，研究低滲透煤層水力壓裂瓦斯抽采規律，為實現低滲透煤層瓦斯抽采提供一定的指導及借鑒。

1 原理分析

水力壓裂增透技術是在地應力的加載下，將高壓水注入至低滲透煤層，在高壓水的作用下，煤層出現壓裂裂縫，裂縫起裂后根據地應力的作用發生偏轉，達到改變煤層力學特性。壓裂后的煤層人工裂隙發育較好，達到瓦斯增透效果。

2 試驗過程

2.1 試驗工作面概況

根據某礦的實際地址情況，選定19采區的皮帶巷和行人巷為本次水力壓裂的實驗地點。皮帶巷主要用于采區的通風和運輸等，巷道預計服務年限11年。該巷煤層為山西組中下部3#煤，煤層厚度5.23m～7.06m，煤層平均厚度為5.93m。煤層頂底板的巖性主要為細砂巖和砂巖。煤層底板標高為+471m～+440m，水力壓裂實驗點的埋深為480m。

2.2 水力壓裂鉆孔布置及封孔

水力壓裂系統主要是由注液泵、壓力表、封孔器及水箱等組成，煤層水力壓裂系統示意圖如1所示。

在進行水力壓裂前對現場進行測試孔的瓦斯抽采實驗，預先打好測試孔，隨后將測試孔進行封堵，抽采瓦斯記錄抽采數據。完成測試孔的抽采后進行壓裂孔1的壓裂，打好鉆孔后對壓裂孔1封堵壓裂，壓裂完成后進行瓦斯抽采，記錄瓦斯抽采數據，并將數據與測試孔抽采數據進行對比，為了保證實驗結果的可靠性，重復上述步驟進行壓裂孔2的施工與抽采，記錄數據。壓裂孔水力壓裂過程如下：

在進行鉆孔施工后對鉆孔進行高壓注水。在進行注高壓水前需要對初始階段的水壓進行設置，給定水壓后打開注水泵進行壓裂，壓裂過程中安排人員對壓裂過程中監測壓力表的數據進行監測與記錄。緩慢提升注液壓力，將注液壓力控制在1MPa～10MPa，直至注液壓力達到煤層的破裂壓力，當水壓保持穩定后，關閉注水泵，逐步卸壓壓裂完成。

壓裂鉆孔的施工需要進行嚴格的質量把控，封堵效果較差極易造成壓裂效果的不佳，為了保證鉆孔的質量，在鉆孔過程中，保證鉆機的穩定性，壓裂鉆孔1打在距離36采區皮帶巷30m的位置，鉆孔2布置在采區行人巷15m的方位，測試鉆孔1位于壓裂鉆孔1左側位置，距離15m，鉆孔的埋深均為80m，鉆孔直徑為113mm，開孔的高度為1.6m，鉆孔的方位角為90°。鉆孔布置圖如2所示。

3 試驗效果分析

在進行壓裂時對測試鉆孔進行監測，水力壓裂過需要對瓦斯流量進行實時監測，每個工作日監測三次，一共監測14天。在壓裂完成后對每個壓裂鉆孔打2個鉆孔監測孔，進行瓦斯流量監測。監測數據如圖3所示。

根據圖3瓦斯濃度隨時間的變化曲線可以看出，在整個監測過程中（14天），測試孔的瓦斯濃度明顯高于水力壓裂鉆孔瓦斯濃度。測試孔的濃度由于未經過水力壓裂增透，使得其瓦斯濃度大致分布在40%～60%。在監測的前4天，瓦斯濃度高于50%，而在4天之后瓦斯濃度一般處于40%附近。觀察觀測孔的瓦斯濃度含量可以看出，兩個觀測孔的瓦斯濃度一直分布在20%附近，且隨著監測時間的增加瓦斯的濃度幾乎不發生變化。觀察水力壓裂鉆孔可以看出，在監測4天前瓦斯濃度快速下降，下降的趨勢較為明顯，在進行瓦斯抽采過后瓦斯濃度下降至30%左右，低于測試孔的瓦斯濃度，這是由于在經過水力壓裂后，煤層內部發育眾多人工裂縫，巷道內部的空氣與煤層的接觸面積增大，此時鉆孔內部的瓦斯濃度會低于測試孔的瓦斯濃度。同時無論水力壓裂鉆孔、測試孔或者觀測孔的瓦斯濃度隨著測試時間的增長逐步呈現下降的趨勢，這是由于隨著瓦斯與巷道空氣的接觸時間的增大，瓦斯濃度呈現下降的趨勢，在監測5天前瓦斯濃度快速下降，在瓦斯濃度監測8天后瓦斯濃度的下降趨勢減緩后保持穩定。所以水力壓裂增透技術可以較好的提升瓦斯抽采效果。同時觀察壓裂鉆孔與測試鉆孔瓦斯濃度達到平穩的時間可以看出，經過水力壓裂增透技術后鉆孔內部瓦斯濃度下降速度明顯增大，有效的降低了瓦斯抽采的天數。

對測試孔、水力壓裂鉆孔及觀察孔內瓦斯流量進行監測，隨著監測時間的增大監測孔、壓裂孔及測試孔的瓦斯流量逐步降低，在整個瓦斯流量監測過程中，監測孔的流量最低，這是由于未經過水力壓裂增透鉆孔內部瓦斯的抽采效果較差，只有少量瓦斯被抽采出。觀測鉆孔內部的瓦斯流量與觀測鉆孔距離水力壓裂鉆孔的距離有關，當距離壓裂鉆孔越近，觀測孔內瓦斯流量越大，可以看出水力壓裂增透技術可以有效的提升鉆孔瓦斯流量，增加瓦斯的的抽采效果。同時觀察各個鉆孔無論測試孔還是壓裂鉆孔，鉆孔內部的瓦斯流量呈現快速下降的趨勢，下降的趨勢類似于指數函數變化趨勢，在監測第5天內，鉆孔內部的瓦斯流量快速下降，當抽采時間達到5天時，此時鉆孔內部的瓦斯流量區域穩定，瓦斯流量幾乎保持不變。所以鉆孔水力壓裂后，通過瓦斯抽排，降低了煤層瓦斯含量，可以在一定程度上降低或消除突出隱患。同時經過水力壓裂后由于煤層中含水量增加，在一定程度上降低了采掘工作面的粉塵，改善了工作面環境。

4 結語

①增大了瓦斯抽采流量，大幅提高了煤層透氣性和鉆孔瓦斯抽采效果，縮短了抽采周期;②鉆孔水力壓裂后，通過瓦斯抽排，降低了其影響范圍內的煤層瓦斯含量、瓦斯壓力，改變了煤體內部應力分布，可以在一定程度上降低或消除突出隱患;③壓裂后煤體內水分增加，可以降低采掘過程中的煤塵產生量，改善井下作業環境。

參考文獻：

[1]高海兵.新元礦31009工作面回風巷水力壓裂增透技術研究與應用[J].煤炭與化工，2020，43（04）：118-121.