突出礦井水力壓裂增透技術應用研究

張鵬沖

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

瓦斯事故在煤礦事故中所占比例較高，近幾年隨著各地礦井開采深度的逐年增加，瓦斯事故的防治難度也越來越大。瓦斯抽采是解決煤礦瓦斯事故的一項有效措施。然而，我國煤層滲透率普遍較低，導致我國煤礦瓦斯抽采效果整體較差。瓦斯抽采效果往往會影響煤礦開拓進度、采掘接替安排，最終影響煤礦的安全生產。

在井下進行煤層瓦斯抽采，防止瓦斯事故發生、保障礦井安全生產尤為重要。但是，由于煤層賦存條件不同，煤層瓦斯抽放難易程度亦不同。對于低透氣性煤層，采用常規的鉆孔布置方式及參數預抽煤層瓦斯時，往往達不到所要求的抽放效果，因此需采用強化抽采瓦斯方法。為實現礦井安全高效回采，探索適用于井下瓦斯高效抽采的新工藝就顯得尤為迫切和重要。研究表明，使用水力壓裂技術能夠有效解決突出礦井的瓦斯治理難題。

1 礦井概況

保安煤業位于山西陽泉市郊區舊街鄉境內，井田東西長約7 km，南北寬約2 km，面積14.33 km2，主采煤層從上到下為8號、9號、15號煤層，煤層傾角8°～10°；首采15號煤層為弱突出煤層，煤層自然發火傾向性為Ⅲ級不易自然煤層；掘進條帶區域采用底抽巷穿層鉆孔預抽瓦斯解決防突問題，采煤工藝為綜合機械化一次采全高；井田地質儲量1.94億t，可采儲量1.05億t，煤炭儲量豐富，礦井核定生產能力為120萬t/a。15號煤層瓦斯參數見表1。

表1 15號煤層瓦斯參數

2 掘進條帶區域防突措施

在15號煤層工作面進、回風巷中部底板20 m以下巖層中布置底抽巷，在底抽巷掘進期間隨工作面其后每間隔5m向15號煤層施工一組掘進條帶穿層預抽孔，鉆孔設計深度以穿過15號煤層頂板0.5 m為準，鉆孔直徑80 mm，每組施工17個鉆孔，終孔間距6 m，控制巷道輪廓線外15 m(圖1)。提前預抽上部15號煤層準備布置巷道煤體瓦斯，解放上部2條煤巷，同時能夠對上覆煤層的煤層產狀、構造情況、瓦斯富集區進行提前探測，以便有針對性地采取措施[1-6]。

圖1 底抽巷穿層鉆孔施工示意

由于15號煤層透氣性差(透氣系數在0.017～0.062 m2/(MPa2·d)，穿層鉆孔穿煤段距離短，穿層鉆孔成孔后，對抽采單孔接抽30 d內的抽采參數進行觀測，瓦斯抽采平均濃度為6.22%，單孔瓦斯抽采純量平均為0.002 352 m3/min，單孔抽采量低。條帶區域抽采達標時間達8～9個月。

3 水力壓裂增透技術

15號煤層的瓦斯壓力大，瓦斯含量高，鉆孔工程量巨大，掘進速度緩慢，嚴重制約了礦井的生產銜接，因此需尋求一種增透強化抽采工藝技術，提高礦井的生產效率。為提高煤巷條帶穿層鉆孔的預抽效果，增加煤層透氣性[7-9]，選擇在15108工作面底抽巷內對15108工作面回風巷、15110工作面進風巷的15號煤層實施水力壓裂增透技術。

3.1 水力壓裂增透實施工程概況

15108底抽巷總長度為1 416 m，巷道斷面為拱形，面積10 m2。礦井目前通過在底抽巷施工穿層鉆孔，抽采15110進風巷和15108回風巷條帶區域瓦斯，底抽巷距上部15號煤層平均21 m，15108底抽巷與15號煤層底板為砂質泥巖。巖層柱狀如圖2所示。

圖2 15108底抽巷綜合柱狀

3.2 水力壓裂施工段巷道補強支護

對15108底抽巷進行補強支護，壓裂孔前后5 m范圍內打錨索進行加固，在原支護排間距中間補打一排頂板錨索，每排布置4根。補強錨索布置如圖3所示。

圖3 巷道加固示意

3.3 水力壓裂增透技術鉆孔施工參數

水力壓裂試驗鉆孔此次共計布置3個，鉆孔直徑95mm，1號、2號鉆孔距15108底抽巷口435m(表2)，分別對15110進風巷和15108回風巷進行壓裂，3號鉆孔距15108底抽巷口618.6 m，對15108回風巷進行壓裂，壓裂鉆孔終孔位置距15108底抽巷中心線水平距離40 m，鉆孔終孔位置距煤層頂板1 m。鉆孔布置如圖4所示。

表2 壓裂鉆孔施工參數

圖4 壓裂鉆孔剖面

3.4 水力壓裂孔封孔工藝

壓裂孔施工完成后，首先下放內徑25 mm壓裂鐵管(特制)，壓裂鐵管前段為2根長2 m前端帶堵頭的篩管，后接壓裂鐵管至孔口，管與管之間采用絲扣連接，孔口外露1 m左右。壓裂鐵管下放到位后，下放返漿管，返漿管采用無縫鋼管下放至煤層。由于鉆孔成孔后鉆孔內有煤巖粉，返漿管前段加接1根長1m篩管，接著下放長2m的注漿管1根，最后使用聚氨酯進行封堵。通過注漿管進行注漿，當返漿管和壓裂管返漿后，停止注漿。待水泥漿沉淀凝固2～3 h后，再通過注漿管進行二次注漿，待壓裂鐵管返濃漿后，停止注漿，關閉返漿管閥門，注漿工作完成[10-12]。待水泥漿凝固72 h后，即可進行高壓水力壓裂工序。

3.5 水力壓裂試驗

壓裂工作開始前，現場檢查設備并設置警戒后啟動壓裂泵，進行水力壓裂增透試驗。

1號鉆孔水力壓裂過程中，15108底抽巷內并未出現瓦斯超限現象。整個壓裂過程共持續6 h，注水量90 m3，泵站出口最大壓力29.2 MPa，孔內高壓水壓力22 MPa。

2號鉆孔水力壓裂過程中，并未出現異常現象，注水過程中，泵站出口注水壓力在22～42 MPa波動。15108底抽巷未出現瓦斯超限現象，距離壓裂孔40 m左右的措施孔出現噴孔，在水力壓裂過程中，該措施孔出水量明顯增加。并且補強支護的8 m錨索有滴水現象，而巷道掘進過程支護的6 m錨索并未出現滴水現象。整個壓裂過程共持續6 h，注水量98.5 m3，孔內高壓水壓力32 MPa。

3號鉆孔水力壓裂8 h后，壓裂孔周邊錨索頭出現變潮現象，孔口5 m范圍內巷道頂板有小碎石掉落，巷幫巖粉滑落，故關閉孔口閥門，此時孔口壓力為28 MPa。3號鉆孔壓裂過程中泵注壓力在39 MPa左右波動，最高壓力達42.6 MPa，累計注水8.25 h，注水量126 m3。各鉆孔壓裂過程中泵站出口壓力曲線如圖5所示。

圖5 各鉆孔壓裂過程中泵站出口壓力曲線

3.6 保壓及排水

1號壓裂孔保壓初期孔內高壓水壓力22 MPa，14 h后壓力下降至14 MPa，保壓5 d后壓力下降至7 MPa左右，10 d后壓力下降至5 MPa左右(圖6)。

圖6 1號鉆孔保壓期間壓力變化

2號壓裂孔保壓初期孔內高壓水壓力32 MPa，2 h內壓力下降至24 MPa，8 h后壓力下降至20 MPa，22 h后壓力下降至16 MPa，保壓5 d后壓力下降至10 MPa左右，保壓10 d后壓力下降至8 MPa左右(圖7)。

圖7 2號鉆孔保壓期間壓力變化

3號壓裂孔保壓初期孔內高壓水壓力28 MPa，保壓10 d后，壓力下降至10 MPa。

使用長臂桿打開孔口高壓閥門，嚴禁正對壓裂孔進行操作，緩慢進行排水。待封孔鐵管水流較小后，才可進行其他工程施工。

4 水力壓裂效果考察

4.1 15號煤層含水率及影響范圍考察

水力壓裂保壓工作結束后，在1號、2號和3號壓裂孔周邊施工鉆孔進行水力壓裂增透效果考察。水力壓裂抽采效果考察鉆孔布置使用原有5 m×5 m間排距布置鉆孔。

鉆孔施工時，首先施工距離水力壓裂鉆孔影響范圍遠端的鉆孔，另外，每組鉆孔施工時，首先施工鉆孔終孔點距離壓裂孔最遠的抽采鉆孔。鉆孔施工過程中，巖孔段用水打鉆，距15號煤1 m時使用壓風打鉆。每個鉆孔見煤時，記錄煤層含水情況等。

采用“十字交叉法”在壓裂孔周邊4個方向上布置考察鉆孔，同時傾向和傾向方向上從距離水力壓裂孔10 m位置處開始，間隔10 m布置一個考察鉆孔，鉆孔施工過程中取煤樣測定煤層含水率以及煤層瓦斯含量。同時根據施工過程中的現象，確定水力壓裂有效影響半徑[13-15]。

經水力壓裂考察鉆孔取樣化驗后，距離壓裂孔30 m位置處煤層瓦斯含量降低了3～5 m3/t，水力壓裂后距離壓裂孔35 m位置處鉆孔含水率達到9.5%，含水率明顯提高。據此判斷水力壓裂影響范圍達到35 m。

4.2 瓦斯流量衰減系數考察

壓裂孔放水3 d后，關閉2號、3號壓裂孔孔口閘閥，孔口安裝小量程壓力表，7 d后瓦斯壓力達到1.5 MPa，打開孔口閥門，此時孔內有少量的水涌出。待瓦斯流出后，測定初始瓦斯流量，持續5 d觀測，計算鉆孔流量衰減系數。其計算式為：

Qt=Q0e-αt

式中，α為鉆孔流量衰減系數；Q0為鉆孔初始瓦斯流量；t為時間；Qt為經過t時間的鉆孔瓦斯流量。

通過計算衰減系數，得到百米鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.021 d-1，相比原始煤層瓦斯流量衰減系數0.024 d-1有一定程度減小。

4.3 透氣性系數考察

在測壓鉆孔的瓦斯壓力顯示值穩定1周后，拆下鉆孔上的壓力表排放瓦斯，并記錄拆表時間，然后間隔一定的時間測定鉆孔自然瓦斯流量。結合瓦斯壓力、瓦斯含量等數據，計算煤層透氣性系數。經過計算，水力壓裂后2號壓裂孔煤層透氣性系數為0.351 73 m2/(MPa2·d)，3號壓裂孔煤層透氣性系數為0.317 582 m2/(MPa2·d)，相比原始煤體透氣性系數0.039 5 m2/(MPa2·d)分別提高了7.90倍和7.04倍。壓裂后，煤層透氣性得到顯著改善。

4.4 抽采效果考察

水力壓裂區域穿層鉆孔接抽60 d內，瓦斯抽采平均濃度為10.05%；而距離壓裂區域30 m未進行壓裂區域接抽30 d內，瓦斯抽采平均濃度為6.22%，水力壓裂后的瓦斯抽采濃度是原始區域煤層瓦斯抽采濃度的1.62倍。

圖8 壓裂區域與未壓裂區域抽采濃度對比曲線

水力壓裂區域穿層鉆孔接抽60 d內，單孔瓦斯抽采純量平均為0.005 074 494 m3/min；而距離壓裂區域30 m未進行壓裂區域，同樣接抽30 d內，單孔瓦斯抽采純量平均為0.002 352 m3/min。水力壓裂后的單孔瓦斯抽采純量是未進行水力壓裂區域單孔瓦斯抽采純量的2.16倍，抽采效果提升明顯。

圖9 壓裂區域與未壓裂區域單孔抽采純量對比曲線

底抽巷控制的掘進條帶區域瓦斯預抽時間縮短到4～5個月，經煤巷掘進前效果檢驗，抽采后的掘進條帶區域瓦斯含量下降至7.8 m3/t以下，瓦斯壓力降至0.4～0.7 MPa。

5 結論

(1)獲得了適用于保安礦的水力壓裂設計工藝參數：①壓裂鉆孔間距按照60～70 m進行設計；②壓裂孔終孔位置對應底抽巷巷道位置的前后5 m范圍內；③起裂壓力25～35 MPa，泵注壓力30～40 MPa，注水量為100～120 m3；④壓裂鉆孔開孔位置距煤層垂距不小于20 m；⑤水力壓裂鉆孔封孔應選用“多次注漿”封孔工藝。

(2)通過對水力壓裂后壓裂影響區域增透效果考察得出：①保安煤礦15號煤層水力壓裂后瓦斯抽采純量相比原始未壓裂煤體的瓦斯抽采純量提高1倍以上，瓦斯抽采濃度由原始煤體的6.22%提高到10%以上，煤層透氣性系數相比原始煤層透氣性系數提高7倍以上，百米流量衰減系數由0.024 d-1減小到0.021 d-1。

(3)掘進條帶區域進行水力壓裂增透后，大大縮短了瓦斯預抽時間，解決了礦井采掘銜接緊張問題，為采煤工作面本煤層瓦斯預抽提供了抽采空間，確保了采煤工作面瓦斯抽采達標時間。