低透氣性煤層水力壓裂增透瓦斯抽采技術研究

時巨輝

（山西焦煤西山煤電斜溝礦，山西 呂梁 033600）

0 引言

目前淺埋煤層已經逐步開采枯竭，開采的重點逐步向著深部煤層轉移。在進行深部煤層開采過程中重點開采難題逐步浮現，深部煤層在開采過程中由于其埋深大，導致煤層透氣性較差，從而瓦斯治理工作十分復雜。為了提升瓦斯治理效果，提出水力壓裂技術[1]，通過對透氣性較差的煤層進行定向壓裂，在煤層上壓裂出多條裂縫，從而達到提升透氣性的目的[2]。本文以斜溝礦18104 工作面為工程背景，對水力壓裂煤層瓦斯治理技術進行分析，為后續瓦斯治理效果的提升提供參考。

1 模擬分析

水力壓裂的本質是通過對鉆孔進行注漿，從而撕裂鉆孔，形成貫通裂縫的過程，鉆孔圍巖壓裂后應力大致分為破碎區、塑性區、彈性區和原巖應力區，其中破碎區、塑性區、彈性區的劃分主要是根據煤巖自身力學性質劃分，破碎區的圍巖處于連續破壞狀態，此時破碎區的穩定主要依靠切應力產生的摩擦阻力，塑性區的圍巖處于壓縮變形狀態，其變形可以部分恢復，內部的裂縫會擴展同時形成部分新生裂縫；彈性區則處于煤柱自身應力及外部應力耦合狀態，內部裂隙多為原生裂隙；原巖應力區則為壓裂影響最大范圍以外，不受鉆孔擾動[3]。

在原始應力狀態下，此時內部層理原生裂隙和切割裂縫之間的孔隙規模、尺度大小都存在差異，而當高壓水注入煤體裂隙后，此時液體的流動順序及流動狀態也各不相同，通過前人研究可知流體運動順序如下：從主裂縫（一級軟面）通過滲流至次裂縫（二級弱面），最后至煤基質（三級弱面），相應的運動為滲流、毛細浸潤和水分子擴散，具體擴散如圖1 所示。

圖1 煤巖裂縫擴散圖

水力壓裂增透是利用高壓水帶來的高壓致使煤體內部原生結構發生破壞，同時持續注入壓水從而產生裂縫，進一步使深部的原生裂隙得到擴張，孔隙充分發展，最終導致煤體瓦斯運移通道逐步增多，最終出現貫通情況，煤層整體性透氣性大幅度增加[4]。

利用數值模擬軟件對水力壓裂參數下瓦斯增透效果進行分析。首先進行模型的建立，根據煤層的實際情況，進行適當簡化，模擬上下層為泥巖，中間層為煤，兩種結構直接接觸，煤層長度40 m，厚度3 m，泥巖層長度40 m，厚度10 m；3 個抽采孔按間距布置，抽采孔直徑為98 mm，對模型進行網格劃分及力學屬性設定，網格劃分遵循中間密，邊界稀疏的原則，物理參數設定如下：彈性模量為4 164 MPa，密度1 540 kg/m3，巖石的泊松比為0.25，空氣滲透率為5×10-16m2，瓦斯動力黏度為1.84×10-5Pa·s。完成物理設定后對模型邊界條件進行設定，頂部施加10 MPa 的均布荷載，固定底部及兩邊的約束，同時瓦斯初始壓力為2 MPa，抽采負壓設定為-20 kPa。對模型進行計算，煤裂隙壓力分布云圖如圖2 所示。

圖2 煤裂隙壓力分布云圖

圖2 為t=0、50 步、100 步、150 步、200 步的裂隙瓦斯壓力分布云圖，可以看出，隨著模擬步數的不斷增加，此時鉆孔內部瓦斯壓力逐步減小，同時距離鉆孔距離的增大，此時瓦斯壓力呈現逐步增大的趨勢，瓦斯壓力最小的位置位于鉆孔壁附近，而瓦斯壓力最大值則位于模型兩側。在模擬步數50 步以前時，此時的瓦斯壓力衰減速度較快而在模擬步數50 步以后時，瓦斯壓力衰減速度呈現逐步下降的趨勢，這是由于在瓦斯運移初期，此時的瓦斯壓力與環境壓差較大，所以煤層瓦斯運移速度較快，瓦斯壓力不斷釋放，而當模擬步數超過50 步后，此時的壓差逐步減小，瓦斯運移速度降低，瓦斯壓力減小的幅度也隨之降低。

2 水力壓裂現場應用實踐

此次定向鉆孔水力壓裂增透技術在斜溝礦18104 工作面實施，選定風巷底抽巷位試驗地點，該巷道煤層為8 號煤層，煤層平均厚度3.18 m，經測定，現場瓦斯含量最大在16.43 m3/t 處，放散初速度AP最大29 mmHg，瓦斯壓力最大0.91 MPa，煤層透氣性系數最小為0.14 m2/（MPa2·d），煤的破壞類型為II～I類，頂底板均主要為泥巖，泥質粉砂巖、煤巖組成，對其進行水力壓裂試驗。具體壓裂步驟為鉆孔、封堵、注漿、壓裂等過程，壓裂過程水力壓裂曲線如圖3 所示。

圖3 壓裂過程水力壓裂曲線

從圖3 中可以看出，水力壓裂過程可分為五個階段，主要為鉆孔充水階段、裂縫起裂階段、裂縫擴展階段、系統關閉階段、放水階段，其中鉆孔充水階段是壓裂液對鉆孔及細小孔隙的填充過程，隨著水壓力的不斷增大，此時裂縫發生起裂及擴展，待裂縫起裂及擴展完成后，此時的壓裂過程幾乎完成，所以僅在裂縫起裂及裂縫擴展階段會出現較大的水壓力波動。對壓裂后的抽采效果進行分析，繪制抽采濃度與時間的關系曲線如圖4 所示。

圖4 抽采濃度與時間的關系曲線

從圖4 中可以看出，壓裂前9-4 號鉆孔、9-5 號鉆孔、9-6 號鉆孔瓦斯抽采濃度依次為80%、60%、30%，而在水力壓裂過程中，由于水驅瓦斯效應和未抽采的影響，使得抽采的瓦斯量出現降低，而當水力壓裂結束時，此時的鉆孔對應的瓦斯抽采濃度依次為20%、15%、0%，完成壓裂后，鉆孔抽采的瓦斯濃度隨時間增長呈現逐漸增加的趨勢，抽采完成10 d 后，此時3 個鉆孔瓦斯抽采濃度已達到80%左右，等到抽采完成32 d 后，瓦斯抽采濃度趨于穩定，瓦斯抽采濃度都高于90%以上。相比較而言9-6 號鉆孔瓦斯抽采濃度較未經壓裂前提升了60%，比壓裂結束時提高了90%；而9-5 號鉆孔瓦斯抽采濃度比壓裂前提升了30%，比壓裂結束時提升了75%；9-4 號鉆孔抽采濃度較壓裂前提升了10%，較壓裂結束提高了75%。所以綜合分析可知，水力壓裂在煤層內形成裂縫，從而增加了裂縫的面積，使得瓦斯向鉆孔內流動，使瓦斯抽采濃度遠大于壓裂前，壓裂效果較好。

3 結論

1）斜溝礦通過對鉆孔增透技術進行模擬分析，發現隨著模擬步數的不斷增加，此時鉆孔內部瓦斯壓力逐步減小，同時距離鉆孔距離的增大，此時瓦斯壓力呈現逐步增大的趨勢。

2）水力壓裂過程可分為五個階段，主要為鉆孔充水階段、裂縫起裂階段、裂縫擴展階段、系統關閉階段、放水階段。

3）通過工程應用發現，水力壓裂在煤層內形成裂縫，從而增加了裂縫的面積，使得瓦斯向鉆孔內流動，使瓦斯抽采濃度遠大于壓裂前，壓裂效果較好。