穿層定向水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用

路潔心，李 賀

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

平頂山地區(qū)瓦斯自然災(zāi)害十分嚴(yán)重，且礦區(qū)位于區(qū)域構(gòu)造上的高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，煤與瓦斯突出災(zāi)害是全國(guó)最嚴(yán)重的地區(qū)之一，礦區(qū)所發(fā)生的130余次的煤與瓦斯突出，70%都與小構(gòu)造(小斷層、小褶曲)有關(guān)。在現(xiàn)有生產(chǎn)礦井中，已有多對(duì)礦井先后發(fā)生了煤與瓦斯突出現(xiàn)象，隨著開采深度和開采強(qiáng)度的增加，瓦斯地質(zhì)條件和開采條件的變化，礦井所面臨的瓦斯突出形式將更加嚴(yán)峻。

1 工作面概況

平煤集團(tuán)十二礦三水平首采面己15－31010采面位于己七采區(qū)東翼，設(shè)計(jì)走向1 126 m，可采走向長(zhǎng)970 m，斜采長(zhǎng) 225 m，煤厚 3．35 ～3．95 m，平均3．80 m，煤層容重 1．31 t/m3，煤層傾角 13°～17°，平均13°，采面標(biāo)高 －720～ －770 m。機(jī)巷斷面12．6 m2，采用錨網(wǎng)梁+錨索支護(hù)，綜機(jī)回采，回采供風(fēng)量1 500 m3/min。機(jī)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 041 m，標(biāo)高－770 m，風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 065 m，標(biāo)高－720 m。根據(jù)十二礦示范化瓦斯綜合治理規(guī)劃及瓦斯綜合治理需要，機(jī)風(fēng)巷施工前，先施工機(jī)風(fēng)巷的高位瓦斯抽排巷，均沿己14煤層施工，巷道斷面均為3．0 m ×2．4 m(寬×高)。機(jī)巷高位瓦斯抽排巷與機(jī)巷平距40 m，位于機(jī)巷下面，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 034 m;風(fēng)巷高位瓦斯抽排巷距風(fēng)巷平距30 m，位于風(fēng)巷下面，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 118．7 m。己14煤層厚度0～1．2 m，平均厚度為0．6 m，位于己15煤層上部，距己15煤層 8～12 m。戊組平均厚度6～7 m，位于己15煤層下部，距己15煤層120 m。

2 工業(yè)性試驗(yàn)概況及方案實(shí)施

在煤層內(nèi)實(shí)施水力壓裂技術(shù)時(shí)，首先在煤層內(nèi)施工鉆孔，再注入高壓水。鉆孔在高壓水的作用下，孔壁破裂，壓裂液隨破裂面的擴(kuò)展和延伸，依次進(jìn)入下一級(jí)弱面，最后進(jìn)入到煤體內(nèi)部微裂隙。使煤體內(nèi)瓦斯的彈性能得到釋放，瓦斯壓力及瓦斯含量降低，煤層透氣性增加，減弱或消除煤體的突出危險(xiǎn)性。

為確保己15煤層進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中的安全生產(chǎn)，根據(jù)己15－31010工作面布置情況，擬定采用定向水力壓裂技術(shù)，從時(shí)間和空間兩方面進(jìn)行綜合治理技術(shù)。圍繞深部煤與瓦斯突出、掘進(jìn)速度慢的難題，從穿層水力壓裂增透和瓦斯抽采兩個(gè)方面突破著手，實(shí)現(xiàn)己15煤層安全型開采和己15進(jìn)風(fēng)巷快速掘進(jìn)。

2．1 壓裂孔壓裂

從己14煤層風(fēng)巷設(shè)計(jì)下行孔，下行孔經(jīng)己15－31010風(fēng)巷上部至己16、己17煤層底部，實(shí)施穿層定向水力壓裂。定向壓裂后，在己14高位巷與己15風(fēng)巷之間沿巷道走向形成一個(gè)卸壓面，對(duì)下部的己15煤層巷道產(chǎn)生卸壓保護(hù)作用，見圖1。定向水力壓裂孔應(yīng)超前于掘進(jìn)工作面80 m左右。

圖1 己15－31010風(fēng)巷高位巷定向水力壓裂剖面示意圖

2．2 定向孔導(dǎo)向控制

穿層定向水力壓裂的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是定向孔的導(dǎo)向控制作用。理論上，定向孔的孔徑越大，對(duì)裂隙的形成、發(fā)育和擴(kuò)展越有利。由于受打鉆設(shè)備和工藝安全等因素的限制，當(dāng)孔徑達(dá)到一定值后，再增加孔徑不但提高透氣性效果有限，而且會(huì)帶來(lái)諸多不利因素，所以定向孔直徑一般在75～100 mm，即可達(dá)到導(dǎo)向控制作用的目的。本次現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)定向孔孔徑取89 mm。

2．3 抽放孔抽采

穿層定向水力壓裂后，施工抽放孔并將其接入瓦斯抽放系統(tǒng)，對(duì)己15煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。要求：必須先施工穿層水力壓裂鉆孔，待壓裂項(xiàng)目結(jié)束后，方可施工穿層抽放鉆孔。

3 施工組織

3．1 施工準(zhǔn)備

在壓裂之前，確保定向孔已經(jīng)施工密封完畢。準(zhǔn)備作業(yè)包含壓裂施工前的各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施布置和改進(jìn)作業(yè)。

1)在壓裂設(shè)備運(yùn)輸前，應(yīng)對(duì)道路、井口、井下巷道及高壓管線拐彎處進(jìn)行勘察，確保所有設(shè)備完好可用。

2)擺放壓裂設(shè)備，連接高壓管路流程至孔口。低壓管匯集到壓裂泵組的供水管線必須用鋼絲纏繞膠管，并盡可能減少?gòu)澢?/p>

3)高壓管安裝并備齊封孔劑和封孔材料等。

3．2 壓裂前作業(yè)

1)按設(shè)計(jì)要求，在壓裂鉆孔內(nèi)下入壓裂管路，封孔并驗(yàn)封合格。

2)儀表監(jiān)測(cè)和控制面板應(yīng)擺放在操作指揮車內(nèi)。

3)儀表、防爆微機(jī)、壓裂泵組及遙控操作臺(tái)等的調(diào)試，由壓裂泵組、高壓管匯、孔口傳送來(lái)的信號(hào)決定，此信號(hào)應(yīng)穩(wěn)定可靠，通訊暢通。

4)距離壓裂孔10 m內(nèi)，安設(shè)圖像、聲音傳感器等監(jiān)測(cè)儀器。

5)采用靜試壓方法試壓，泵壓應(yīng)達(dá)到管路額定工作壓力的1．5倍。

3．3 壓裂施工

壓裂孔封孔完畢后，開泵進(jìn)行水力壓裂。從開始注水到水力壓裂措施結(jié)束大約需要120 min時(shí)間，水力壓裂全過(guò)程一般需要3～5 h。

4 效果分析

4．1 壓裂前后單孔壓裂抽放流量對(duì)比

5#孔壓裂前后流量對(duì)比圖見圖2。

圖2 5#孔壓裂前后流量對(duì)比圖

5#考察鉆孔距壓裂孔5 m，壓裂前最大抽放濃度為8%，流量為5．9×10－3m3/min，經(jīng)7天后衰減為零。壓裂后單孔瓦斯抽放濃度到15%，流量達(dá)27．8×10－3m3/min，抽放濃度穩(wěn)定。抽放濃度平均增加了70%，瓦斯流量上升了382%。

4．2 壓裂前后煤體含水量變化考察

壓裂前通過(guò)打鉆取樣化驗(yàn)煤體原始水分含量為1．1%左右;壓裂后距壓裂孔每5 m施工一鉆孔分別進(jìn)行取樣分析，對(duì)壓裂前后煤樣的內(nèi)在含水量進(jìn)行對(duì)比，在30～35 m內(nèi)，得出壓裂后煤體水分增加34．5%以上，40～60 m 水分增加較少，為 4．5% ～12．7%。煤體注水濕潤(rùn)，使煤的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化，煤的彈性和強(qiáng)度減小，塑性增大，從而使巷道前方的應(yīng)力分布發(fā)生根本變化，即隨著煤體的濕潤(rùn)，高應(yīng)力區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中系數(shù)減小。煤體濕潤(rùn)后，還能使透氣性成百上千倍的降低，上述的各種變化，都表明注水濕潤(rùn)煤體，可以降低或消除煤層和掘進(jìn)工作面處的突出危險(xiǎn)。

4．3 壓裂對(duì)放炮后巷道粉塵濃度的影響

放炮30 min以后，距離工作面5 m處測(cè)量粉塵濃度，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 粉塵濃度測(cè)量結(jié)果表

實(shí)施水力壓裂措施后，從煤體內(nèi)部，即從塵源上進(jìn)行了治理，放炮后粉塵濃度平均降低58．5%，井下環(huán)境明顯改善，職工健康得到保證，防塵效果顯著。

4．4 壓裂前后施工安全性對(duì)比

進(jìn)入穿層定向水力壓裂控制區(qū)之前，巷道掘進(jìn)施工過(guò)程中：煤炮頻繁，噴孔夾鉆嚴(yán)重，打鉆過(guò)程中的鉆屑量多，巷道的瓦斯?jié)舛纫恢碧幱谂R界狀態(tài)，施工受到嚴(yán)重威脅。

進(jìn)入穿層定向水力壓裂控制區(qū)之后：煤炮和噴孔夾鉆現(xiàn)象明顯減少，打鉆順利，工作面瓦斯含量降低。生產(chǎn)中，巷道中的瓦斯?jié)舛纫恢狈€(wěn)定在0．2% ～0．3%，即使炮后也未超過(guò)0．5%，水力壓裂后未發(fā)生過(guò)瓦斯超限事故。

5 結(jié)語(yǔ)

1)論述了穿層定向水力壓裂的卸壓增透機(jī)理，并分析了順層起裂和穿層起裂機(jī)理，得出：在原巖應(yīng)力和高壓水壓力雙重作用下壓裂的，其起裂注水壓力不僅與組成鉆孔圍巖的性質(zhì)相關(guān)，還取決于鉆孔周圍軸向與徑向水平應(yīng)力的大小?？傮w表現(xiàn)為：在徑向上受最弱煤分層的影響，在軸向上則受最弱層理面的控制。

2)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，穿層定向水力壓裂有效發(fā)揮了高能動(dòng)力和水力的優(yōu)勢(shì)，并將其有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。具有以下優(yōu)勢(shì)：a)改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)。b)增加并控制卸壓帶長(zhǎng)度和方向。c)增透。d)防塵。

3)首次把穿層定向水力壓裂技術(shù)應(yīng)用在高瓦斯、高應(yīng)力及低透氣性煤層中的煤與瓦斯突出防治方面，并確定了穿層水力壓裂的形式：即從己14煤層高位巷道施工下行孔，穿過(guò)己15－31010機(jī)風(fēng)巷上部至己16、己17煤層底部，進(jìn)行穿層壓裂;壓裂后，布置實(shí)施抽采孔，接入瓦斯抽放系統(tǒng)，對(duì)下部煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。

4)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明：實(shí)施穿層水力壓裂技術(shù)前后，各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)明顯變化，增強(qiáng)了防突措施的有效性，縮短了防突措施執(zhí)行時(shí)間，達(dá)到了良好的卸壓增透效果，達(dá)到了防治煤與瓦斯突出的目的;軟化了硬巖頂板，改善了生產(chǎn)過(guò)程中的頂板管理;煤體內(nèi)部含水量大幅增加，提高了降塵率，改善了工作面作業(yè)環(huán)境;有效阻止了煤層的自燃發(fā)火，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)及綜合治理起到了顯著作用。

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