基于水力壓裂技術的降低煤層突出系數方法研究

劉朝陽

（華陽新材料科技集團有限公司， 山西 陽泉 045008）

山西新元煤炭有限責任公司目前實際生產能力為600 萬t/年，現開采3 號煤層，該煤層沒有大型構造，地質構造整體比較簡單。頂底板巖性相差不大，都是以泥巖、砂質泥巖為主，煤的灰分平均為17.82%，全硫平均為0.31%，屬于低灰、低硫、易選的以無煙煤為主煤層。該礦井為突出礦井，煤層為突出煤層，煤層厚度0.40～4.75 m，平均2.58 m，瓦斯含量達14.89 m3/t，瓦斯壓力為2.44 MPa，透氣性系數為0.017 mD，硬度f＜0.4，在對該煤層進行采掘作業前，必須進行瓦斯抽采。

新元礦目前采取的區域防突措施主要是三巷掘進，即進風巷、輔助進風巷和回風巷。三條巷道都采取區域鉆孔水力造穴和氣相壓裂措施對掘進工作面消突，施工中要求在工作面和巷道的兩側布置26 個鉆孔，分三排布置，孔徑105 mm。經過一定時間后需要對煤層中的抽采效果進行檢測。結果表明殘余瓦斯含量的臨界值約為18.2 m3/t，大于國家防突規定的8 m3/t為標準，說明達到了區域消突的目的，需要開發新的消突控制方案。

為了有效解決井下瓦斯突出問題，結合我國學者對井下水力壓裂技術的研究成果[1]，本文提出了一種基于水力壓裂技術的降低煤層突出系數的方案，并對水力壓裂技術的應用情況進行了分析，結果表明，新的控制技術能夠將煤層透氣性系數提升34.7 倍，將煤層內瓦斯的抽采流量提升了58.6%以上，對提升煤礦井下綜采作業安全性具有十分重要的意義。

1 水力壓裂實施方案

為了提高井下水力壓裂的應用效果、提高水力壓裂應用可靠性，采用了“兩堵一注”的密封鉆孔方案[2]，水力壓裂系統主要由1 個供水水箱和2 組壓裂泵構成，井下水力壓裂鉆孔布置方案如圖1 所示。

圖1 井下水力壓裂鉆孔布置結構示意圖

在進行水力壓裂的過程中，通過壓裂泵對水進行加壓，將其注入到壓力孔內，直到距離壓裂孔約40 m處的壓裂邊界出現掉渣及滲水現象時停止注水，整個過程中的注水量約為144 m3，在水力壓裂過程中孔口壓力變化情況如圖2 所示。

圖2 水力壓裂鉆口壓力變化曲線

由圖2 可知，在向壓裂孔內注入高壓水后，孔口的壓力迅速上升到約21 MPa，并且隨著時間的增加孔口處的壓力不斷波動，這主要是由于煤層不斷的被壓裂而且由于煤層內存在大量的原生裂隙[3]，在高壓水的作用下裂隙不斷的擴展，直到達到損傷區，當煤層被完全壓裂后停止注水，整個施工過程約29 h。

2 水力壓裂孔特性分析

通過對水力壓裂孔結構分析，該水力壓裂井的埋深為592 m，挖出井筒長度為3.6 m，射孔孔徑為1.3～1.6 cm，射孔呈90°螺旋分布，每3 個射孔為一簇，簇間距約15～16 cm，孔數總共68 個。固井水泥環厚度分布較均勻，厚度15～18 cm。井下套管射穿率高，在井筒靠近套管一側約有1 m 長度上表面可見凹陷且扭曲面明顯，分析為井下地應力分布不均或者煤體結構差異較大導致的應力擠壓引起[4]。

在貫通巷道的橫貫中，在距井筒1.3～3.0 m 范圍內可見一條高度為2.5 m 垂直壓裂裂縫，縫寬0.8～1.2 cm，壓裂砂支撐劑充填密實，該填砂裂縫從煤層頂板依次穿透半暗煤、夾矸、半亮煤分層，延伸至煤層底部的光澤較亮的糜棱煤中，但是未延伸至底板。該壓裂裂縫上半段較為平直，高度較大約為1.4 m，產狀238°∠58°，在中部的碎粒煤中出現輕微轉折，產狀變為240°∠60°，該處煤層中發育大量的近水平天然裂縫，天然裂縫的產狀與垂直壓裂裂縫有較大的差異，可能是導致壓裂裂縫發生轉向的原因。在井筒的同一側，糜棱煤中中斷的垂直支撐裂縫下方可見一條水平充填壓裂砂的裂縫，該裂縫從井筒向外延伸至2.2 m，裂縫曲折不規則，迂曲度明顯增加，壓裂砂非平面鋪展，厚度3～7 cm。在靠近煤層底板的糜棱煤中，還發育一條較短較窄的壓裂裂縫，產狀235°∠55°，從煤層中一直延伸至底板，可見長度0.7 m。該井筒附近煤層中含水率明顯升高，裂縫中有滲水現象連續不斷。水力壓裂孔分層結構如圖3 所示。

圖3 井煤層煤巖類型和煤體結構分層示意圖

另外，該井壓裂支撐裂縫既有煤層內部的垂直裂縫，也有位于煤層底部構造煤分層內部的水平堆積裂縫，同時還有在煤層頂板和煤層之間沿層面裂開的水平裂縫，整體形態為“工”字形多裂縫。由于煤層下部存在構造軟煤層分層，壓裂裂縫首先在該分層內部水平擴展，但是距離較短，隨后再向上擴展為垂直壓裂裂縫，當煤層與頂板間層面被打開后，壓裂裂縫又轉為較長的水平裂縫，因此具有水平短裂縫- 倒“T”形裂縫- 非對稱“工”形裂縫的擴展過程，能夠滿足井下水力壓裂效果。

3 監測結果分析

壓裂完成后，可以采用交叉鉆孔[5]的方案對井下煤層的實際壓力效果進行對比，為了提高監測的準確性，在監測區域設置了10 m×7 m 和10 m×10 m 兩種規格的網格孔[6]來對井下煤層的瓦斯壓力及透氣性系數進行監控，井下監測孔的布置結構如圖3 所示。

圖3 井下監測控制布置結構示意圖

對優化前后的瓦斯抽采效果進行對比分析，優化后井下抽采單元內瓦斯的平均濃度變化情況如圖4所示。

圖4 優化前后瓦斯濃度變化曲線

由圖4 可知，井下煤層內的平均瓦斯濃度約為63.2%，采用水力壓裂抽采后，在10 m×7 m 的抽采單元內的平均瓦斯濃度約為74.1%，在10 m×10 m 的抽采單元內的平均瓦斯濃度（體積分數）約為77.6%，表明采用水力壓裂后，在抽采單元內的瓦斯濃度顯著上升，對提升井下瓦斯抽采效率具有十分重要的意義。

水力壓裂前后瓦斯抽采純流量的變化如圖5所示。

圖5 瓦斯抽采純流量變化曲線

由圖5 可知，原始煤層中的抽采純流量約為0.58 m3/min，采用水力壓裂技術后，在10 m×7 m 的抽采單元內的平均瓦斯純流量約為0.96 m3/min，比優化前提升了65.5%。在10 m×10 m 的抽采單元內的平均瓦斯純流量約為0.92 m3/min，比優化前提升了58.6%，顯著的提升了井下瓦斯的抽采效率。同時在抽采30 d后對井下煤層瓦斯含量進行測定，其井下瓦斯含量最高約為2.2 m3/t，遠小于國家防突規定的8 m3/t 為標準，滿足井下綜采作業安全的需求。

同時通過鉆孔徑向不穩定流量法[7]對水力壓裂后的煤層透氣性系數進行了測量，優化后的透氣性系數約為0.73 m2/（MPa2·d），比優化前的0.021 m2/（MPa2·d）提高了34.7 倍。

4 結論

為了解決煤礦井下高瓦斯、低透氣性煤層在綜采作業時所面臨的瓦斯抽采困難的問題，提出了一種新的基于水力壓裂技術，對水力壓裂技術方案、水力壓裂孔結構、水力壓裂后的瓦斯抽采效果等進行了分析，結果表明：

1）為了提高井下水力壓裂的應用效果、提高水力壓裂應用可靠性，可采用“兩堵一注”的密封鉆孔方案。

2）采用交叉鉆孔的方案能夠對煤礦井下的瓦斯抽采情況進行精確監測。

3）新的控制技術能夠將煤層透氣性系數提升34.7 倍，將煤層內瓦斯的抽采流量提升了58.6%以上，對提升煤礦瓦斯抽采效率和安全性具有十分重要的意義。