水力壓裂技術在嚴重突出煤層的應用

徐鐵托

摘要：文章研究了高位瓦斯抽采巷采用水力壓裂技術掩護煤巷掘進的主要技術原理，闡述了水力壓裂措施的實施效果，著重總結了水力壓裂技術的要點。研究表明，在嚴重煤與瓦斯突出的礦井，平煤神馬集團十二礦區(qū)采用水力壓裂技術后，通過瓦斯抽放，有效地降低了突出煤層的瓦斯含量，釋放了巷道煤巖的彈性能，達到了防治煤與瓦斯突出的效果，使突出煤層巷道掘進速度提高了兩倍左右。

關鍵詞：水力壓裂；突出煤層；防突措施

中圖分類號：TS713文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）22-0121-031概述

十二礦位于平頂山礦區(qū)東部，從1989年至今共發(fā)生煤與瓦斯突出27次。隨著開采深度的增加，地應力、瓦斯壓力、瓦斯涌出量都不斷增加，各種動力災害變得比以往更為復雜和嚴重，煤與瓦斯突出危險直接威脅著礦井的安全生產。結合多種防突措施的局限性，針對目前開采的己15煤層的特點研究出有針對性的防突措施，對于礦井安全生產有著重要的指導意義。

2水力壓裂技術的作用機理

水力壓裂作用于煤體是一個逐漸濕潤煤體、壓裂破碎煤體的過程。在水力壓裂的前期，注水壓力和注水流量呈線性升高；隨后，注水壓力與流量反向變化，并呈波浪狀。這直觀反映出了在注水初期，具有一定壓力和流速的壓力水通過鉆孔進入煤體裂隙，克服裂隙阻力運動；隨后，當壓裂液充滿現有裂隙后，水流動受到阻礙，由于煤體滲透性較低，水流量降低，壓力增高而積蓄勢能；當積蓄的勢能足以破裂煤體形成新的裂隙時，勢能轉化為動能，壓力降低，水流速增加；當壓力水攜帶煤泥堵塞裂隙時，煤體滲透性降低，水難以流動，使流量下降，壓力上升。己15－17200進風巷采用水力壓裂作為區(qū)域瓦斯防突主要技術，通過施工穿層水力壓裂鉆孔，實施高壓注水可以濕潤煤體，增加煤層硬度，增加煤層透氣性，提高瓦斯抽放濃度，改變煤層結構和應力分布，對水力壓裂影響區(qū)域進行卸壓，以解決己15煤層掘進期間的煤與瓦斯突出問題，從而達到安全生產的目的。

3工作面概況

己15-17200進風巷位于己7采區(qū)中部，該巷道設計總工程量984.5m，沿己15煤層頂板掘進。己15

－17200進風巷標高－567～－551m，對應地面標高190～230m，垂深741～797m之間。己15煤層產狀105°∠8～20°，煤厚3～3.7m，瓦斯壓力2.1MPa，原始煤層瓦斯含量24.35m3/t。己15

－17200進風巷位于己14－17200進風巷上部30m，己14－17200進風巷與己15－17200進風巷層間距為12～14m，兩巷內錯布置。

4區(qū)域瓦斯治理方案

己15-17200進風巷區(qū)域瓦斯治理采用配套技術措施，使用穿層水力壓裂和穿層抽放鉆孔相結合治理瓦斯。從己14－17200進風巷向己15－17200進風巷實施穿層預抽孔、壓裂以及重復壓裂等區(qū)域防突

措施。

4.1穿層水力壓裂孔

結合己15-17200工作面區(qū)域自身煤層埋藏深、地應力大、瓦斯壓力高等特點，確定水力壓裂影響半徑為10m。設計從己14－17200進風巷向己15

－17200進風巷施工穿層水力壓裂鉆孔，鉆孔設計孔徑75mm，孔間距為20m，開孔高度距巷道底板0.4m，布置在相鄰兩組抽放鉆孔的中間位置，終孔以進入己15煤層底板0.5m為準。

4.2穿層抽放鉆孔

通過瓦斯抽放，可以有效地降低己15煤層的瓦斯含量，釋放煤巖的彈性能，達到防治煤與瓦斯突出的效果。設計從己14－17200進風巷向己15－17200進風巷施工穿層抽放鉆孔，在巷幫上每5m設計1組穿層抽放鉆孔，每組7個鉆孔，分別控制巷道輪廓線外15m、10m、5m及巷道中心位置，穿層抽放鉆孔設計孔徑75mm，孔深以進入己15煤層底板0.5m

為準。

5水力壓裂技術要點

5.1水力壓裂設備及選型

水力壓裂注水系統(tǒng)由注水泵、水箱、壓力表等部分組成。注水泵選用無錫威順煤礦機械有限公司產額定壓力為31.5MPa、額定流量為400L的BRW400/31.5-37X4A型煤礦用乳化液泵。為便于操作和控制，注水泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，水箱容積2m3。高壓供水管路選用直徑51mm、壓力31.5MPa的高壓油管。水力壓裂孔孔內封孔段采用直徑32mm的無縫鋼管，提前將快速接頭四周棱角打磨平滑，無縫鋼管兩端焊接中間接頭，無縫鋼管管路之間用快速接頭進行連接，孔口用快速接頭將無縫鋼管和高壓油管連接起來。

5.2封孔深度和工藝

壓裂孔里面封孔深度為煤巖結合處。施工完水力壓裂孔后，使用高壓風將孔內粉塵和碎渣排凈，用無縫鋼管對該鉆孔進行順通，確定無阻礙物后方可開始進行孔內注漿段的封堵，在無縫鋼管前端5m左右處用毛巾包裹封孔藥進行鉆孔的前端封堵。待封孔藥發(fā)效并將鉆孔封堵嚴實后，用注漿泵將稀釋濃度為50%的水泥漿注入穿層壓裂鉆孔內；凝固48小時后，進行水力壓裂。壓裂結束孔內壓力穩(wěn)定后，聯(lián)網進行抽放并測定瓦斯流量和濃度。

5.3注水壓力

注水壓力是所有水力化措施中的重要參數。若注水壓力過低，不能壓裂煤體，煤層結構不會發(fā)生明顯的變化，相當于低壓注水濕潤措施，短時間內注水起不到卸壓防突的作用；若注水壓力過高，導致煤體在地應力和水壓綜合作用下迅速變形，形成突出。合理的注水壓力能夠快速、有效破裂松動煤體，進而改變煤體孔隙和裂隙的容積及煤體結構，排放煤體瓦斯，達到消突的目的。起始壓力初步設定在15MPa以下，每5min升壓2MPa，泵壓穩(wěn)定一段時間后，壓力迅速下降，持續(xù)加壓時壓力無明顯上升，或者觀測孔附近瓦斯?jié)舛让黠@升高時，即說明壓裂孔已經完成壓裂，此時即可停泵，關閉卸壓閥，壓裂程序結束。

5.4水力壓裂時間

壓裂時間與注水壓力、注水量等參數密切相關，注水壓力、流速不同，相同條件下達到同樣效果的注水時間也不同。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，高壓水在已溝通的裂隙間流動，注水壓力及注水流量等參數不斷發(fā)生著變化，注水時間可根據注水過程中壓力及流量的變化來確定；采用動壓注水，從開始注水到水力壓裂措施結束大約需要120min時間，水力壓裂全過程一般需要3～5小時。

6水力壓裂效果分析

6.1水力壓裂情況

己14-17200進風巷設計施工穿層壓裂鉆孔49個，孔間距20m，孔深37～45m，封孔深度要求在20m以上。在壓裂過程中，部分鉆孔有巷道幫跑水和滲水現象。經過補孔施工，累計施工鉆孔65個，壓裂成功49個（達到設計標準），成功率為89.1%。累計組織壓裂72次，合計壓入水量1621.9m?，平均單孔壓入水量33.1m?。單孔最大壓水量75m?。

6.2瓦斯抽放

普通穿層抽放鉆孔，穩(wěn)定抽放一個月后瓦斯?jié)舛葹?%～20%，壓裂鉆孔聯(lián)網后初始瓦斯?jié)舛冗_到65%～86%，穩(wěn)定抽放一個月后瓦斯?jié)舛葹?8～60%。普通穿層抽放鉆孔單孔瓦斯純流量平均為0.009m3/min，壓裂鉆孔單孔瓦斯純流量平均為0.0212m3/min，抽放濃度穩(wěn)定，大大延長了瓦斯抽放周期。

普通穿層鉆孔7天平均瓦斯抽放量為90.72m3/min，壓裂鉆孔7天平均瓦斯抽放量為245m3/min，壓裂鉆孔瓦斯抽放量是普通抽放鉆孔的2.7倍。

6.3巷道異常情況

進行水力壓裂后，以壓裂孔為中心20米范圍內巷道頂板平均下沉0.05～0.4ｍ，兩幫有明顯的位移，巷道底板有0.03～0.1ｍ的裂痕，頂板有斷錨索和錨桿現象，煤壁及頂板有淋水現象。

7結語

根據壓裂后煤層、瓦斯變化，可以降低煤體中的瓦斯含量和瓦斯壓力，改變煤體內部應力分布，在一定范圍內起到消突的作用，確保安全生產。使瓦斯抽放濃度和抽放量有較大提高，達到利用條件。同時，壓裂后煤體內水含量增加，減少了在開采過程中的粉塵產生量，改善職工作業(yè)環(huán)境。