大西煤礦井下分段水力壓裂增透技術及應用

李 鵬

（晉能控股煤業集團大西煤礦，山西 晉城 048000）

瓦斯問題一直被作為嚴重制約煤炭開采技術發展的重要因素，嚴重影響著煤礦安全生產[1]。我國煤炭資源儲量豐富，煤層氣資源賦存量巨大，解決好煤炭資源開采過程中的瓦斯問題，做到煤與瓦斯合理共采，能夠極大地提高資源的開采利用率[2-3]。瓦斯抽采是解決瓦斯問題的根本途徑，為了解決大西煤礦回采巷道掘進過程中的瓦斯超限問題，對煤層進行分段水力壓裂是一種行之有效的方法，通過增加煤層的透氣性，可以顯著提高瓦斯抽采率[4]。

1 工程概況

大西煤礦主要開采3 號煤層，煤層厚度平均為3.17 m，頂板主要為細粒砂巖和碳質泥巖，底板為細粒砂巖。3 號煤層以亮煤為主，呈條帶狀結構，內部裂隙發育，易發生脆性破碎。

礦井瓦斯主要來源為開采層和采空區。據地勘送檢的瓦斯測試結果，3 號煤層透氣性系數為0.72 m2/（MPa·d），原始瓦斯含量約為11.26 m3/t，原始瓦斯壓力為0.41 MPa，落煤殘存瓦斯含量3.12 m3/t，殘存瓦斯壓力為0.16 MPa。礦井瓦斯相對涌出量為19.92 m3/t，絕對瓦斯涌出量為21.75 m3/min。3 號煤層堅固性系數f=0.30～0.65 ＜0.5，瓦斯放散初速度ΔP=4.7～24.0 ＞10，綜合指標K=ΔP/f=29.2 ＞15，單項指標均超臨界值，該礦井有煤與瓦斯突出危險性。綜采工作面的上、下順槽掘進前，必須預抽消突，無突出危險后方可掘進。

根據化驗結果，該井田瓦斯主要成分及含量如表1所示。其中可燃氣體（CH4+ C2H6）含量1.37～47.03 m3/t，平均含量12.63 m3/t，為富甲烷煤層。

表1 瓦斯主要成分及含量

2 分段水力壓裂方案

2.1 壓裂地點

對大西煤礦3023 工作面回風順槽進行分段水力壓裂方案設計。壓裂設備宜放在新鮮風流中，具體放置位置如圖1。巷道的長、寬、高應確定能夠滿足泵組的放置要求，并能夠提供不小于1 m3/min的水流和1140 V 的電壓。為保證設備的正常運轉，水源不能含有雜質。

圖1 壓裂泵站與管路布置圖

2.2 參數選取

（1）壓裂層位選取

結合3023 回風順槽的實際情況，3023 回風順槽煤層埋藏淺，煤層瓦斯含量小，煤體強度大。通過井下觀測，煤層與頂底板之間接觸平整，煤巖類型界限清晰，原生條帶狀結構明顯。煤體原生裂隙清晰可辨，選擇直接在煤層內實施分段水力壓裂的技術模式。

通過觀察在掘進工作面正前方施工的超前鉆孔，鉆孔軌跡清晰可見，并無坍塌、位移錯動跡象。在3023 回風順槽向臨近巷道及工作面施工區域預抽鉆孔，達到區域消突的目的。減少了頂、底板巷道的掘進工作量。

此外，大西煤礦各煤層頂底板普遍存在泥巖、砂質泥巖，部分區域泥巖遇水極易膨脹，若在煤層頂板實施分段水力壓裂，則在壓裂完成后的鉆孔抽采過程中，在泥巖的膨脹變形作用下，抽采管極易發生堵塞，降低抽采效率，而且需要向煤層頂板開設挑頂鉆場，加大了工程量。鑒于此，最終確定3023 回風順槽的分段水力壓裂在本煤層內實施。

（2）壓裂段長及段間距的選擇

結合3023 回風順槽掘進工作面煤層內的成孔條件，沿預掘巷道中線位置施工分段水力強化鉆孔，長160 m，采用玻璃套管水泥固孔。考慮到實際施工的效率和經濟效益等問題，將長鉆孔分5 段進行水力強化，壓裂段間距選為30 m，單段水力強化鉆孔裂縫開啟長度約為17.5 m，有效影響半徑不小于20 m。水力壓裂施工完成后，在其周邊施工16 個抽采鉆孔，鉆孔有效抽采間距不大于6 m。抽采達標后，在采取局部綜合防突措施條件下允許掘進安全距離140 m，預留安全保護距離20 m，在安全保護距離內進入下一循環。

通過在3023 回風順槽正前施工長鉆孔，進行分段水力強化壓裂，實現對煤層區域均勻增透改造，提高煤層透氣性系數，達到大循環安全掘進的目的。

2.3 鉆孔設計及施工流程

在3023 回風順槽共施工鉆孔17 個，其中分段壓裂長鉆孔1 個，瓦斯抽采鉆孔16 個，控制巷道兩幫各15 m 范圍，沿3023 回風順槽掘進方向控制160 m。分段水力壓裂鉆孔孔長160 m，分5 段進行壓裂，分段噴射孔間距30 m，分段壓裂鉆孔孔徑Φ120 mm，分段壓裂封孔器外徑Φ ≤80 mm。3023 回風順槽分段水力壓裂鉆孔施工布置圖如圖2，Ⅰ-Ⅰ剖面圖如圖3，Ⅱ-Ⅱ剖面圖如圖4。

圖2 3023 回風順槽分段水力壓裂鉆孔施工布置圖（m）

圖3 Ⅰ-Ⅰ剖面圖（mm）

圖4 Ⅱ-Ⅱ剖面圖（mm）

施工順序為：分段壓裂長鉆孔施工→煤層瓦斯含量和瓦斯壓力測試→分段壓裂長鉆孔套管固孔→水力強化前瓦斯參數測試（鉆孔自然流量、鉆孔流量衰減系數、抽采濃度、抽采負壓、抽采流量、水分）→分段壓裂長鉆孔從孔底至孔口依次分5 段進行壓裂→施工16 個抽采鉆孔→所有鉆孔洗孔→抽采鉆孔封孔，封孔長度15～20 m →抽采鉆孔、壓裂鉆孔聯抽→等待抽采達標，效果檢驗→采取區域、局部綜合防突措施下掘進140 m →（第二循環開始）→分段壓裂長鉆孔施工→分段壓裂長鉆孔施工套管固孔→分段壓裂長鉆孔從孔底至孔口依次分5 段進行壓裂→施工16 個抽采鉆孔→所有鉆孔洗孔→抽采鉆孔封孔，封孔長度15～20 m →抽采鉆孔、壓裂鉆孔聯抽→等待抽采達標，效果檢驗→采取區域、局部綜合防突措施掘進20 m（第一循環結束）。

針對3023 回風順槽分段水力壓裂強化鉆孔的封孔問題，選用封壓一體化分段水力壓裂封孔器封孔，封孔器如圖5。采用水力封孔膠囊加單向閥的方法，實現分段水力壓裂封孔的目的。

圖5 一體化分段水力壓裂封孔器

3 壓裂效果檢驗

3.1 壓裂半徑

在分段水力壓裂施工完成后，對壓裂孔周圍巷道形貌進行觀測，尤其是較為發育的構造附近及煤體裂縫發育地帶，觀測煤壁是否有出水、巷道變形等情況。通過現場考察分析，結合各壓裂孔的出水情況，綜合得出各段水力壓裂影響半徑平均為23 m。

3.2 瓦斯抽采數據分析

對3 號煤層進行分段水力壓裂后，瓦斯抽采濃度提升了2～17 倍，抽采純量提升了3～8 倍。壓裂孔瓦斯初始涌出量較未壓裂孔增加1 倍，瓦斯流量衰減系數是未壓裂孔的1/2，煤層瓦斯的可抽采性得到了顯著提高。

3023 回風順槽壓裂區域本煤層預抽孔平均百米抽采純量為0.131 m3/min，是未壓裂區域的2.3 倍，壓裂孔平均百米抽采純量為0.302 m3/min，是未壓裂區域的4.1 倍。通過實施分段水力壓裂增透技術，顯著提高了煤層瓦斯的預抽效果。

4 結論

（1）對3023 回風順槽進行分段水力壓裂施工，水力壓裂長鉆孔長160 m，分5 段進行水力強化，壓裂段間距30 m，各段水力壓裂影響半徑平均為23 m。

（2）采用長鉆孔分段水力壓裂增透技術，可以有效提高抽采瓦斯效果，單次循環允許煤巷安全掘進距離長，能夠實現巷道安全快速掘進，緩解采掘接替緊張問題。