水力壓裂技術(shù)在煤礦井下瓦斯防治領(lǐng)域的應(yīng)用

毛新華

(山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030006)

水力壓裂技術(shù)最先應(yīng)用于石油工業(yè)，后又被引入煤礦井下瓦斯防治領(lǐng)域。現(xiàn)階段，隨著國(guó)內(nèi)煤礦挖掘深度平均水平的增長(zhǎng)，深部開(kāi)采已經(jīng)逐漸成為新的趨勢(shì)。這種趨勢(shì)存在兩方面明顯的變化：一方面，井下通風(fēng)難度增加；另一方面，深部煤炭資源具有較高的變質(zhì)可能性，瓦斯防治難度逐漸增加。

1 水力壓裂技術(shù)防治煤礦瓦斯的基本原理

1.1 傳統(tǒng)壓裂技術(shù)防治原理

由于甲烷(CH4)是瓦斯的主要成分，一般的地質(zhì)環(huán)境下，難溶于水。因此，瓦斯有可能被高壓液體擠壓出煤層縫隙[1]。在高壓的驅(qū)動(dòng)下，水箱中的水被壓入煤層，將煤層內(nèi)裂隙暢通，并擠占原瓦斯所在空間(圖1)。

圖1 設(shè)備及管路連接示意圖

煤層上方一般由巖石覆蓋，在內(nèi)部存在各項(xiàng)異性的原生縫隙。煤層上方的巖石受到自下而上的液體壓力作用。隨著壓力的持續(xù)增加，煤層原本閉合的裂縫發(fā)生形變，整體的滲透壓力顯著上升，最終貫通閉合的裂縫，并形成全新的瓦斯流通網(wǎng)絡(luò)[2]?；诖?，從而實(shí)現(xiàn)水力壓裂技術(shù)防治煤礦瓦斯的基本原理(見(jiàn)圖2)。

圖2 注水系統(tǒng)布置圖

1.2 重復(fù)壓裂技術(shù)防治原理

傳統(tǒng)的水利壓裂技術(shù)屬于一次壓裂。對(duì)于特殊煤層來(lái)說(shuō)，一次壓裂效果不一定理想，也可以采取重復(fù)壓裂的方式進(jìn)行，具體工作流程如圖3所示。

圖3 重復(fù)水力壓裂工藝流程圖

在對(duì)特殊煤層的處理過(guò)程中，將一定劑量的表面活性劑、阻燃劑添加到水箱中，并隨同壓裂液壓入壓裂孔[3]。這樣的工作方式可以提高壓裂效果。

2 水力壓裂技術(shù)防治煤礦瓦斯的實(shí)際生產(chǎn)價(jià)值

2.1 有利于降低瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)

在一般情況下，瓦斯往往處于吸附狀態(tài)。吸附于煤層的瓦斯往往是產(chǎn)生礦難的根源之一。隨著高壓水的注入，吸附于煤層的瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)。對(duì)于基質(zhì)狀煤體內(nèi)瓦斯有利于實(shí)現(xiàn)封閉處理。與此同時(shí)，隨著瓦斯實(shí)際涌出量的下降，瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制。

2.2 有利于開(kāi)采過(guò)程中的除塵

由于水分的增加，煤體自身黏合的物理性能得到優(yōu)化，原煤以粉塵形態(tài)分散能力相對(duì)減弱。這樣開(kāi)采過(guò)程中煤炭產(chǎn)生粉塵的程度得到優(yōu)化。隨著粉塵程度的優(yōu)化，礦工的工作環(huán)境也同時(shí)得到了改善。

2.3 有利于煤炭資源的開(kāi)采

將高壓水注入井下原煤縫隙，一方面在液體的擠壓下煤體的抗拉和抗壓物理參數(shù)性能發(fā)生了變化[4]。這些物理參數(shù)性能的變低有利于原煤的開(kāi)采；另一方面，由于大量水分的注入，煤體含水量增加。這也有利于煤炭資源開(kāi)采，提高采出率。

2.4 有利于降低地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生

在水力壓裂技術(shù)的輔助下，貫通后的煤體內(nèi)部裂縫使得瓦斯的流動(dòng)性得到了加強(qiáng)，同時(shí)地應(yīng)力也得到了平衡，煤體均質(zhì)化特征顯著提升，顯著降低了因局部瓦斯壓力過(guò)大導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。

2.5 案例企業(yè)基本技術(shù)條件分析

在本文案例中，X企業(yè)的HM礦井開(kāi)采能力為120萬(wàn)t/a。依據(jù)此參數(shù)可以看出，HM礦井為突出礦井。在實(shí)際的工作中，測(cè)得的HM礦井瓦斯壓力基本在3.0 MPa～3.9 MPa，且HM礦井瓦斯的含量大約在20 m3/t。鉆孔噴孔率較高，約33%。自正式項(xiàng)目上馬以來(lái)，HM礦井發(fā)生過(guò)多起瓦斯突出生產(chǎn)事故。

3 水力壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)瓦斯防治的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 水力壓裂鉆孔布置

結(jié)合本案例，本課題將實(shí)驗(yàn)布置于煤礦21426底抽巷2號(hào)鉆場(chǎng)?；静贾脜?shù)如表1。

表1 水力壓裂鉆孔布置參數(shù)

3.2 水力壓裂鉆孔封孔

水力壓裂鉆孔封孔的具體的施工方法為：

第一步，封裝。本案例中采用馬麗散進(jìn)行鉆孔封裝。封裝的長(zhǎng)度一般保持在1.6 m左右；

第二步，計(jì)算材料用量。計(jì)算1.6 m鉆孔所需的馬麗散、石膏、水泥等的用量；

第三步，封孔。機(jī)械的方式封孔是封孔過(guò)程中較為常見(jiàn)的方案。封孔時(shí)應(yīng)用專用的封孔器(圖2)。將馬麗散化學(xué)藥劑、石膏與水泥等按照一定比例注入專用的封孔器；

第四步，觀測(cè)與測(cè)量瓦斯排出量。應(yīng)用煤氣觀測(cè)表等儀器，在封孔之后的1 d內(nèi)，測(cè)量瓦斯的排出量。

第五步，水力壓裂測(cè)試。精準(zhǔn)控制注水環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生滴水問(wèn)題，要依據(jù)實(shí)際情況作出相應(yīng)的注水壓力值的調(diào)整。在本文案例的測(cè)試事故反映預(yù)案中，如果出現(xiàn)滴水問(wèn)題，測(cè)試人員應(yīng)將注水壓力降低到7 MPa，并關(guān)閉所有閘閥(具體數(shù)據(jù)如表2所示)。

需要說(shuō)明的是，水泵停止的選擇時(shí)機(jī)是有要求的。在檢驗(yàn)孔附近，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍诔掷m(xù)增加時(shí)，檢驗(yàn)孔與壓裂孔之間已經(jīng)貫通，需要將水泵停止。

表2 水力壓裂鉆孔注水參數(shù)

3.3 水力壓裂鉆孔封孔注意事項(xiàng)

一是供水不足。在水力壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)瓦斯防治的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，最容易產(chǎn)生的問(wèn)題之一就是：供水不足。產(chǎn)生此類問(wèn)題的原因有很多，對(duì)實(shí)際的地質(zhì)條件估計(jì)不足；注水壓力設(shè)計(jì)不合理；壓裂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；注水量參數(shù)設(shè)置不合理等。

二是參數(shù)動(dòng)態(tài)變化。隨著裂隙的貫通，注入的水可能會(huì)在裂隙中流動(dòng),導(dǎo)致注水量、注水壓力、壓裂時(shí)間等參數(shù)持續(xù)發(fā)生變化。

3.4 水力壓裂效果

在對(duì)X企業(yè)的HM礦井3#鉆場(chǎng)工作面底板巷進(jìn)行水力壓裂作業(yè)，同時(shí)觀測(cè)距離其60 m的1#鉆場(chǎng)。設(shè)計(jì)的注水參數(shù)如表3所示。

表3 水力壓裂單次注水相關(guān)參數(shù)

通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，1#鉆場(chǎng)在壓裂前單孔瓦斯?jié)舛?、單孔瓦斯流量、抽采瓦斯總量分別為：8.0%、0.006 m3/min、241.4 m3。1#鉆場(chǎng)在壓裂后單孔瓦斯?jié)舛取慰淄咚沽髁?、抽采瓦斯總量分別為：49.7%、0.069 m3/min、1 536.1 m3。由此可知，距離HM礦井3#鉆場(chǎng)60 m以外的1#鉆場(chǎng)，瓦斯抽采抽采效率比以往有了顯著改善。

4 增強(qiáng)礦井瓦斯防治水平的解決對(duì)策

4.1 加大技術(shù)研發(fā)力度

從當(dāng)前水力壓裂技術(shù)應(yīng)用情況來(lái)看，這個(gè)技術(shù)在具體應(yīng)用過(guò)程中定性使用的問(wèn)題較為明顯，并沒(méi)有從定量的角度對(duì)相關(guān)的環(huán)節(jié)進(jìn)行把控，特別是對(duì)于具體的注水壓力、注水時(shí)間等方面多數(shù)情況下對(duì)于操作技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)等方面還有明顯的依賴，很多環(huán)節(jié)并沒(méi)有一個(gè)具體的公式供實(shí)際操作人員使用，影響了水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用效果。

4.2 增強(qiáng)人員應(yīng)用能力

技術(shù)應(yīng)用水平的高低不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)于先進(jìn)的設(shè)備和優(yōu)秀的理論，同時(shí)還需要有高素質(zhì)的操作人員。為了更好地應(yīng)用水力壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)瓦斯防治，需要不斷培養(yǎng)熟練操作此項(xiàng)技術(shù)的人員，使其熟練掌握水力壓裂技術(shù)理論的同時(shí)，在培訓(xùn)中不斷培養(yǎng)期實(shí)操能力，使其準(zhǔn)確掌握水力壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)瓦斯防治的實(shí)操要點(diǎn)。

4.3 強(qiáng)化新裝備的研發(fā)

應(yīng)用力度結(jié)合水力壓裂技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，水力壓裂技術(shù)裝備在實(shí)際使用的過(guò)程中，智能化、自動(dòng)化程度相對(duì)偏低，操控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)偏大，因此，這就需要持續(xù)加大對(duì)技術(shù)裝備的研發(fā)和投入力度，更好地發(fā)揮出水力壓裂技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦瓦斯防治是一項(xiàng)不可或缺的安全生產(chǎn)工作，需要常抓不懈。借助先進(jìn)的水力壓裂技術(shù)可以提升瓦斯防治工作的優(yōu)化空間，可以為瓦斯防治工作帶來(lái)實(shí)效。