新型增透技術(shù)在致密煤層瓦斯開(kāi)采中的應(yīng)用研究

徐永吉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048019）

0 引言

我國(guó)地下煤礦部分煤層密實(shí)度較高、透氣性系數(shù)低，如果采用常規(guī)的瓦斯抽采工藝在低透氣煤層中抽采效果較差，因此，研究新型致密煤層瓦斯開(kāi)采技術(shù)對(duì)于提升致密煤層瓦斯抽采效率=具有重要意義[1-3]。

李巖[4]依托于某高瓦斯礦井工程，提出高壓水射流割縫技術(shù)并驗(yàn)證了該技術(shù)對(duì)煤層的增透效果。王濤等[6]以馬堡煤礦為研究對(duì)象，基于理論研究現(xiàn)狀與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出了二氧化碳致裂增透技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)后煤礦的瓦斯平均抽采純量提升了2.39倍。安世崗等[6]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了可控電脈沖波增透技術(shù)的可行性，采用該技術(shù)后煤礦的日均瓦斯抽采量較常規(guī)孔提高4.7倍，可控電脈沖波增透技術(shù)顯著增強(qiáng)了該煤礦煤層的透氣性。

綜上所述，上述研究對(duì)于低透氣煤層瓦斯抽采效率的提升效率依然十分有限。本文提出一種復(fù)合增透技術(shù)并基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)能夠大幅提高致密煤層透氣性，研究成果為我國(guó)煤礦致密煤層瓦斯開(kāi)采提供了一定的借鑒作用。

1 聯(lián)合增透技術(shù)

1.1 超高壓水力割縫

圖1 為采用超高壓水力割縫法在煤礦中開(kāi)展瓦斯抽采時(shí)的施工工藝及設(shè)備空間分布圖，由圖可知，超高壓水力割縫法的基本原理是利用超高壓力的水射流對(duì)煤層進(jìn)行切割形成縫隙，當(dāng)水壓卸載后煤層此時(shí)內(nèi)部會(huì)形成導(dǎo)氣縫，從而增加了煤層的透氣性。根據(jù)巖石力學(xué)基本理論，超高壓水流對(duì)煤體造成沖擊破壞，在煤層內(nèi)部形成圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，應(yīng)力發(fā)生重分布。應(yīng)力升高區(qū)向煤層內(nèi)延伸，形成卸壓增透作用[7-8]。

圖1 超高壓水力割縫施工工藝

1.2 水力壓裂

水力壓裂技術(shù)是指通過(guò)向煤體內(nèi)部鉆孔形成壓裂孔，在鉆孔附近形成破碎區(qū)后，壓裂液通過(guò)煤巖縫隙進(jìn)入煤層，與原有瓦斯氣體作用導(dǎo)致煤巖內(nèi)部壓力升高，從而進(jìn)一步導(dǎo)致煤層內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)張、生長(zhǎng)，最后形成相互貫通的網(wǎng)狀裂紋，因此，低滲透煤層的透氣性增大[9-10]。

1.3 復(fù)合增透技術(shù)

本文提出的“超高壓水力割縫+水力壓裂”復(fù)合增透技術(shù)是指在煤層開(kāi)采平面上交叉使用超高壓水力割縫技術(shù)和水力壓裂技術(shù)進(jìn)行開(kāi)孔，從而有效提升致密煤層的透氣性。由上述內(nèi)容可知，超高壓水力割縫法的基本原理是利用超高壓力的水射流對(duì)煤層進(jìn)行切割從而在工作平面形成縫隙，進(jìn)一步基于應(yīng)力卸荷而提升內(nèi)部裂紋大??；水力壓裂技術(shù)是壓裂液與瓦斯氣體增大致煤巖內(nèi)部壓力升高，從而進(jìn)一步導(dǎo)致煤層內(nèi)部裂紋生長(zhǎng)；因此，考慮到2種技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，復(fù)合增透技術(shù)是利用超高壓水力裂縫提升了有水壓致裂鉆孔之間的貫通性，從而提高了煤層的透氣性。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證“超高壓水力割縫+水力壓裂”復(fù)合增透技術(shù)對(duì)提升煤礦低滲煤層透氣性的應(yīng)用效果，本次研究依托于山西省大同市某煤礦瓦斯抽采工程，在該煤礦某工作面展開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該煤礦某采區(qū)的平均每層厚度為6.95 m，瓦斯含量達(dá)7.32 m3/t，瓦斯壓力在0.52~1.75 MPa之間。對(duì)某工作面采用復(fù)合增透技術(shù)的帶開(kāi)孔布置如圖2所示。由圖可知，本次試驗(yàn)研究共設(shè)置了超高壓水力割縫復(fù)合孔（A、C、E行）、水壓致裂復(fù)合孔（B、D行）、超高壓水力割縫對(duì)照孔（F1孔）及水壓致裂對(duì)照孔（F2孔）?？组g橫向間距為0.8 m，縱向間距為0.4 m。

圖2 某工作面增透鉆孔分布示意圖

2.2 施工工藝

采用“超高壓水力割縫+水力壓裂”復(fù)合增透技術(shù)提升致密煤層透氣性時(shí)需要采用不同的施工工藝，起關(guān)鍵施工工藝要點(diǎn)如下：

1）按照?qǐng)D2所示方式開(kāi)展鉆孔工作，鉆孔設(shè)備采用ZY-950型鉆機(jī)，鉆孔直徑為100 mm。

2）當(dāng)完成鉆孔鉆進(jìn)工作完成后，對(duì)于水力割縫鉆孔，選用ZGF-1009（A）型超高壓水力割縫設(shè)備進(jìn)行割縫，割縫壓力為100 MPa；采用后退時(shí)割縫工藝，從鉆孔后退沖割煤體，割縫之間的間距為1.0 m，單刀割縫市場(chǎng)為15min，單孔出煤量為7~9 t。待割縫完成后裝入瓦斯抽采管路，并及時(shí)封孔。

3）在完成超高壓水力割縫工序后，等待15 d，之后開(kāi)展水壓致裂工作。采用BYW315型煤礦井下壓裂泵組對(duì)割縫鉆孔周圍壓裂孔進(jìn)行水力壓裂。其基本操作流程如下：將水壓由0 MPa上升到30 MPa后持續(xù)5 h及逆行壓裂，之后將水壓由30 MPa突降至15 MPa，使煤層種裂縫貫通、暴露。

2.3 瓦斯抽采結(jié)果對(duì)照

對(duì)圖2所示各鉆孔自抽采開(kāi)始到抽采90 d內(nèi)的瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，得到各平均瓦斯抽采純量與抽采時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，各鉆孔的瓦斯抽采純量均隨著抽采時(shí)間呈現(xiàn)出先逐漸降低后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。此外，不同類型的鉆孔瓦斯抽采效率具有很大的差別，瓦斯抽采效率具體變化規(guī)律：復(fù)合超高壓水力割縫復(fù)合孔＞水力壓裂復(fù)合孔＞超高壓水力割縫對(duì)照孔＞水力壓裂對(duì)照孔＞一般鉆孔。以初始平均瓦斯抽采純量（t=1d）為例，一般鉆孔的初始瓦斯抽采純量為0.032 m3/min，水力壓裂對(duì)照孔和超高壓水力割縫對(duì)照孔的抽采效率分別較一般鉆孔提升幅度達(dá)到46.88%和109.38%，在采用復(fù)合增透技術(shù)后水力壓裂復(fù)合孔的初始瓦斯抽采純量達(dá)到0.07 m3/min，是一般鉆孔的2.18倍，較水力壓裂對(duì)照孔48.94%；超高壓水力割縫復(fù)合孔的初始瓦斯抽采純量達(dá)到0.081 m3/min，是一般鉆孔的2.53倍，較超高壓水力割縫對(duì)照孔20.90%。

表1 不同鉆孔平均瓦斯抽采純量隨抽采時(shí)間變化關(guān)系

圖3 為不同類型鉆孔的平均瓦斯抽采純量-抽采時(shí)間曲線，由圖可知，隨著抽采時(shí)間的不斷增加，各鉆孔的平均瓦斯抽采純量逐漸降低，且降低速度逐漸減小，平均瓦斯抽采純量和抽采時(shí)間之間符合指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系。進(jìn)一步觀察到，當(dāng)抽采時(shí)間達(dá)到40 d后，各鉆孔的平均瓦斯抽采純量均趨于不變，此時(shí)瓦斯抽采速率趨于穩(wěn)定不變。一般鉆孔的平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定值在0.003 m3/min，水力壓裂對(duì)照孔和超高壓水力割縫對(duì)照孔的穩(wěn)定值接近一般鉆孔的6.33倍及8.33倍；水力壓裂復(fù)合孔和超高壓水力割縫復(fù)合孔平均瓦斯抽采純量穩(wěn)定值更大，分別接近一般鉆孔13倍和19倍。綜上所述，在不采用復(fù)合增透技術(shù)的條件下，采用單一超高壓水力割縫或單一水力壓裂技術(shù)對(duì)提高致密煤層的透氣性效果有限，但復(fù)合增透技術(shù)能夠大幅度提高鉆孔的抽采效率，其相較于單一超高壓水力割縫或單一水力壓裂技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖3 不同類型鉆孔的平均瓦斯抽采純量-抽采時(shí)間曲線

3 結(jié)論

為有效提升低透氣煤層的透氣性、提高致密煤層瓦斯抽采效率，本文依托于山西某煤礦瓦斯預(yù)抽工程，提出了“超高壓水力割縫+水力壓裂”復(fù)合增透技術(shù)并展開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在不采用復(fù)合增透技術(shù)的條件下，采用單一水力壓裂技術(shù)或超高壓水力割縫技術(shù)能夠在一定程度上提高致密煤層的透氣率，但復(fù)合增透技術(shù)能夠大幅度提高鉆孔的抽采效率，其相較于單一超高壓水力割縫或單一水力壓裂技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。研究成果為我國(guó)煤礦致密煤層瓦斯開(kāi)采提供了一定的借鑒作用。