煤層超高壓定點水力壓裂防治沖擊地壓機理與試驗研究

張宏

摘要：煤層超高壓定點水力壓裂技術豐富了現有的沖擊地壓防治技術，可對壓裂過程進行有效的控制。本文結合當前水力壓裂技術存在的弱點，指出了煤層超高壓定點水力壓裂防治沖擊地壓的機理，對試驗過程中的水力壓裂系統和水力壓裂監測方法進行了說明。

關鍵詞：煤層;超高壓;定點水力壓裂;試驗方案

對沖擊地壓災害進行治理是當前煤礦工程安全實施的重要措施。水力壓裂技術是目前應用較多的防治沖擊地壓的方法，但是目前的壓力一般都很小，在20MPa以下，同時煤層的硬度又很大，常用的煤層注水壓力已經無法高質量地完成對煤層進行壓裂。采用煤層超高壓定點水力壓裂的方法，不僅將局部壓裂的壓力提高，而且在應力監測系統和微震監測系統等的協助下可以對破裂范圍和程度進行監測，從而形成礦井煤層控制性壓裂防沖成套技術。本文結合煤層超高壓定點水力壓裂的應用特點，對其防治沖擊地壓的機理進行說明，并對試驗的方法進行闡述。

一、煤層超高壓定點水力壓裂防治沖擊地壓機理研究

（一）壓裂原理

煤巖層能夠被壓裂開的關鍵就是選擇合適的起裂壓力。如果壓力值太小，可能會導致煤巖不能被壓開，壓裂效果不好;而壓力值太大則會對壓力設備、封孔器等的硬度和強度要求很高，工程成本無形增加。因此，在選擇壓裂設備和進行壓裂中我們就應該首先判斷煤層的起裂壓力。煤層超高壓定點水力壓裂主要是針對以前的傳統壓裂壓力小和流量不足的問題，合理地將鉆孔器兩端進行適當的封堵，從而在較小的一段距離內產生高壓，促進整個煤層的壓裂。

（二）裂隙延伸條件

煤層在遇到超高水壓時會產生裂痕，工程應用中我們要保證裂痕不斷地向前擴展和延伸，就要讓注水水壓高于滲水水壓。注水水壓與選擇的壓力泵規模有關，而滲水水壓是煤層發生破裂后開始吸水使得裂痕內降低的壓力值。在進行持續壓裂的過程中，要結合工程的需要和裂痕的發展程度，適當的將單位時間內的注水量提高，從而滿足壓裂區內高壓水的貯存，始終將壓力維持在一個需要的水平內。

（三）煤巖體注水軟化減沖機理

在應用水力壓裂的過程中，研究煤巖體注水軟化減沖的機理對于確定煤層的強度非常重要。當煤層中不存在裂縫、節理以及其他影響強度的因素時，煤層與煤塊的強度幾乎一樣。但是一旦煤層中存在裂縫，在用煤塊強度估算煤體強度時就需要修正。相關的巖石學機理表明，彈性波會在巖石中進行傳播，其傳播的速度主要與巖石裂痕的發育程度有關。通過巖石的完整性系數公式和彈性波縱波傳播速度公式可得到當煤層被壓裂后，煤層的強度也會跟著顯著下降。但是水力壓裂能顯著改善煤層的性質，降低煤層的強度。因此，煤巖體注水后會使得煤層在單位時間內釋放出來的能量減少，即便煤層發生了嚴重的沖擊災害，也不會發生拋出煤體的情況，能將危害的程度降低到最小。

二、煤層超高壓定點水力壓裂防治沖擊地壓試驗研究

（一）煤層超高壓定點水力壓裂系統設計

《煤礦井下壓裂設計施工規范》是水力壓裂試驗設計和施工參照的規范，根據該規范的要求，壓裂系統應該由流量計、傳感器、壓裂泵等組成。根據設計要求，距壓裂孔50m范圍內不能設置任何設備，壓裂時距離壓裂孔100m內不能有任何人員活動。在壓裂的過程中，壓裂泵通過高壓將水箱中的水送入鉆孔內，從而對煤層進行高壓壓裂。高壓的管路在進行布置的時候盡量減少彎頭和長度，從而讓管路的壓力降維持一個小的數值。在管路上設置壓力傳感器和流量計對管路瞬時流量和壓力進行監測，而在距離壓裂孔10m內則布置圖像采集、信息采集等系統。

（二）煤層超高壓定點水力壓裂監測方案

在水力壓裂的過程中，設計合適的監測方案是保證壓裂成功的關鍵，的監測方案包括管路壓力監測方案、應力動態實時監測方案、微地震監測方案等，合理的確定這些監測方案的執行方法，對于地壓試驗具體效果具有很大的幫助。在管路壓力監測中，隨著壓裂過程的持續，系統壓力也會跟著變化，當表中出現第一個峰值時說明巖石層開始壓裂，需要持續注水讓壓痕不斷延伸，直到巖層全部打開，這個時候停止壓裂試驗。應力動態實時監測則是在煤層中布置壓力傳感器，通過壓力信號的變化將信號轉化為數值傳輸到計算機上，通過應力云圖現實煤體應力的變化，用到的主要設備為壓力傳感器、監測儀;微地震監測則通過制作微地震監測檢波器幫助找到煤層中的高應力和高應力差區域，對于分析壓裂進行的程度有很大幫助。

三、結語

綜上所述，煤層超高壓定點水力壓裂是一種新型的防治沖擊地壓的措施，對于控制壓裂過程中的穩定性并減少壓裂事故起到很好的作用。下一步在進行試驗的過程中，要合理的建立煤層分段壓裂力學模型，提出壓裂防沖效果的評價指數，通過本文確定的壓裂監測方案對影響壓裂效果的主要參數進行有效的監控，從而豐富當前的沖擊地壓防治技術。在進行試驗的時候要綜合考慮煤層的實際情況，包括煤礦下的作業狀態、技術指標以及試驗工期等，從而讓壓裂技術能夠發揮出其效果。

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