新型增透技術在致密煤層瓦斯開采中的應用研究

徐永吉

（晉能控股煤業集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019）

0 引言

我國地下煤礦部分煤層密實度較高、透氣性系數低，如果采用常規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采技術對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并驗證了該技術對煤層的增透效果。王濤等[6]以馬堡煤礦為研究對象，基于理論研究現狀與工程現場實際情況提出了二氧化碳致裂增透技術，應用該技術后煤礦的瓦斯平均抽采純量提升了2.39倍。安世崗等[6]基于現場試驗驗證了可控電脈沖波增透技術的可行性，采用該技術后煤礦的日均瓦斯抽采量較常規孔提高4.7倍，可控電脈沖波增透技術顯著增強了該煤礦煤層的透氣性。

綜上所述，上述研究對于低透氣煤層瓦斯抽采效率的提升效率依然十分有限。本文提出一種復合增透技術并基于現場試驗驗證了該技術能夠大幅提高致密煤層透氣性，研究成果為我國煤礦致密煤層瓦斯開采提供了一定的借鑒作用。

1 聯合增透技術

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展瓦斯抽采時的施工工藝及設備空間分布圖，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煤層進行切割形成縫隙，當水壓卸載后煤層此時內部會形成導氣縫，從而增加了煤層的透氣性。根據巖石力學基本理論，超高壓水流對煤體造成沖擊破壞，在煤層內部形成圍巖破碎區、塑性區和彈性區，應力發生重分布。應力升高區向煤層內延伸，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

水力壓裂技術是指通過向煤體內部鉆孔形成壓裂孔，在鉆孔附近形成破碎區后，壓裂液通過煤巖縫隙進入煤層，與原有瓦斯氣體作用導致煤巖內部壓力升高，從而進一步導致煤層內部裂紋不斷擴張、生長，最后形成相互貫通的網狀裂紋，因此，低滲透煤層的透氣性增大[9-10]。

1.3 復合增透技術

本文提出的“超高壓水力割縫+水力壓裂”復合增透技術是指在煤層開采平面上交叉使用超高壓水力割縫技術和水力壓裂技術進行開孔，從而有效提升致密煤層的透氣性。由上述內容可知，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煤層進行切割從而在工作平面形成縫隙，進一步基于應力卸荷而提升內部裂紋大??；水力壓裂技術是壓裂液與瓦斯氣體增大致煤巖內部壓力升高，從而進一步導致煤層內部裂紋生長；因此，考慮到2種技術的特點與優勢，復合增透技術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 現場試驗結果分析

2.1 現場試驗方案

為驗證“超高壓水力割縫+水力壓裂”復合增透技術對提升煤礦低滲煤層透氣性的應用效果，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了現場試驗。該煤礦某采區的平均每層厚度為6.95 m，瓦斯含量達7.32 m3/t，瓦斯壓力在0.52~1.75 MPa之間。對某工作面采用復合增透技術的帶開孔布置如圖2所示。由圖可知，本次試驗研究共設置了超高壓水力割縫復合孔（A、C、E行）、水壓致裂復合孔（B、D行）、超高壓水力割縫對照孔（F1孔）及水壓致裂對照孔（F2孔）。孔間橫向間距為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”復合增透技術提升致密煤層透氣性時需要采用不同的施工工藝，起關鍵施工工藝要點如下：

1）按照圖2所示方式開展鉆孔工作，鉆孔設備采用ZY-950型鉆機，鉆孔直徑為100 mm。

2）當完成鉆孔鉆進工作完成后，對于水力割縫鉆孔，選用ZGF-1009（A）型超高壓水力割縫設備進行割縫，割縫壓力為100 MPa；采用后退時割縫工藝，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，并及時封孔。

3）在完成超高壓水力割縫工序后，等待15 d，之后開展水壓致裂工作。采用BYW315型煤礦井下壓裂泵組對割縫鉆孔周圍壓裂孔進行水力壓裂。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 瓦斯抽采結果對照

對圖2所示各鉆孔自抽采開始到抽采90 d內的瓦斯抽采數據進行實時監測與記錄，得到各平均瓦斯抽采純量與抽采時間統計數據如表1所示。由表1可知，各鉆孔的瓦斯抽采純量均隨著抽采時間呈現出先逐漸降低后趨于穩定的變化趨勢。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律：復合超高壓水力割縫復合孔＞水力壓裂復合孔＞超高壓水力割縫對照孔＞水力壓裂對照孔＞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，水力壓裂對照孔和超高壓水力割縫對照孔的抽采效率分別較一般鉆孔提升幅度達到46.88%和109.38%，在采用復合增透技術后水力壓裂復合孔的初始瓦斯抽采純量達到0.07 m3/min，是一般鉆孔的2.18倍，較水力壓裂對照孔48.94%；超高壓水力割縫復合孔的初始瓦斯抽采純量達到0.081 m3/min，是一般鉆孔的2.53倍，較超高壓水力割縫對照孔20.90%。

表1 不同鉆孔平均瓦斯抽采純量隨抽采時間變化關系

圖3 為不同類型鉆孔的平均瓦斯抽采純量-抽采時間曲線，由圖可知，隨著抽采時間的不斷增加，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間之間符合指數函數變化關系。進一步觀察到，當抽采時間達到40 d后，各鉆孔的平均瓦斯抽采純量均趨于不變，此時瓦斯抽采速率趨于穩定不變。一般鉆孔的平均瓦斯抽采純量穩定值在0.003 m3/min，水力壓裂對照孔和超高壓水力割縫對照孔的穩定值接近一般鉆孔的6.33倍及8.33倍；水力壓裂復合孔和超高壓水力割縫復合孔平均瓦斯抽采純量穩定值更大，分別接近一般鉆孔13倍和19倍。綜上所述，在不采用復合增透技術的條件下，采用單一超高壓水力割縫或單一水力壓裂技術對提高致密煤層的透氣性效果有限，但復合增透技術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具有更明顯的優勢。

圖3 不同類型鉆孔的平均瓦斯抽采純量-抽采時間曲線

3 結論

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抽工程，提出了“超高壓水力割縫+水力壓裂”復合增透技術并展開了現場試驗。在不采用復合增透技術的條件下，采用單一水力壓裂技術或超高壓水力割縫技術能夠在一定程度上提高致密煤層的透氣率，但復合增透技術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具有更明顯的優勢。研究成果為我國煤礦致密煤層瓦斯開采提供了一定的借鑒作用。