水力壓裂技術在煤層瓦斯抽采中的應用與研究

程林

摘 要：隨著煤層開采深度的增加以及地質結構復雜，造成了煤層高瓦斯透氣性差，嚴重影響煤炭開采速度及安全，水力壓裂技術可有效提高煤層透氣性，增大瓦斯抽取率，為煤礦的安全生產提供了保障。文章從水力壓裂技術原理、鉆孔、封孔技術以及實施效果等方面進行詳細對比和分析。

關鍵詞：水力壓裂技術；瓦斯抽采；煤炭生產

0 前言

我國煤層80%以上是高瓦斯低透氣性煤層，且具有微孔隙、低滲透率、高吸附的特性，具有以上特性的煤層開采時往往伴隨大量瓦斯涌出，尤其是煤炭生產高集約化和開采深度的增加，促使瓦斯爆炸和瓦斯突出的危險愈發(fā)嚴重。開采深度的增加、地質構造復雜、煤層透氣性差、瓦斯抽采率低、鉆孔施工量大等問題的出現(xiàn)嚴重影響了工作面回采速度及安全生產，傳統(tǒng)的防治煤與瓦斯的技術裝備已不能滿足實際生產的需要。水力壓裂增透技術通過水力壓裂，增大煤層透氣性，擴大鉆孔影響半徑，可有效提高鉆孔瓦斯抽采率，促進煤炭的安全生產。石壕煤礦為煤與瓦斯突出礦井，煤質松軟、瓦斯含量大，透氣性低的問題同樣存在，瓦斯治理已成為制約礦井發(fā)展的關鍵因素，因此，在前期水治瓦斯治理成果的基礎上，繼續(xù)推廣水治瓦斯增透技術很有必要。

1 水力壓裂技術分析

（一）原理分析

井下水力壓裂技術是利用高壓、大流量的注水泵將水壓入到煤層，促使煤層產生裂隙，各個裂隙之間相互影響，在壓裂區(qū)域的煤層內原來的閉合裂隙被壓開形成新的流通網(wǎng)絡，煤層滲透性就會增加，而當壓入的水被排除時，壓開的裂隙就為煤層瓦斯的流動創(chuàng)造了良好條件，煤層透氣性系數(shù)隨之增大。相對于實驗室中單軸壓縮條件下對煤層的結構破壞，水力壓裂技術對提高煤層透氣性更具優(yōu)勢。單軸壓縮作用給煤層的破壞力來自于外力作用，而水力壓裂技術則通過高壓水的作用力對煤層支撐較弱的壁面產生破壞，促使弱面張開、擴展、延伸，形成對煤層的內部分割，這種分割作用增大了裂隙的空間體積和連通，從而提高煤層透氣性。

（二）水力壓裂鉆孔、封孔技術分析

（1）水力壓裂鉆孔封孔

井組水力壓裂鉆孔設計位置應選擇在巷道圍巖較好段內，布置多個壓裂鉆孔聯(lián)合組成壓裂區(qū)域。石壕煤礦根據(jù)井下條件，改進水力壓裂孔封孔技術后，實現(xiàn)了水力壓裂--接抽一體化封孔工藝，鉆孔封孔成功率100%。

（2）孔內套管總成及連接方式

孔內套管采用鋼管加工，主要由3部分構成：孔底篩管（長度2m/根，壁厚5.5mm，1根）、中間煤巖層段過渡管（長度1.5m/根，壁厚5.5mm，若干）、孔口加強管（長度1.5m/根，壁厚8.5mm，6根，最后一根焊接Φ25mm快速接頭）套管采用螺紋連接。套管采用鉆機送入孔內，注漿用Φ20mm聚乙烯管與套管采用扎帶連接，時送入孔底。采用聚乙烯管替代注漿鋼管大大降低了勞動強度，提高了送管效率。

（3）多次注漿封孔技術

由于水泥漿凝固后體積收縮，采用一次注漿的方法難以一次性封孔至水力壓裂煤層底板，水力壓裂過程中水大量濾失進入其他煤層，水力壓裂壓力難以提升，最終導致水力壓裂失敗。在前期試驗的基礎上，通過增加注漿次數(shù)改進封孔技術，試驗證明當注漿次數(shù)達到三次時，可有效提高封孔成功率。封孔采用BFK-12/2.4型高壓封孔機。套管及注漿管送入鉆孔設計層位后，孔口采用木塞及棉紗封堵后，開始首次注漿，注漿水泥用量3包，用于固定管道，首次注漿后打開注漿管控制閥，放出水泥漿液；間隔12小時后，二次注漿至孔底水力壓裂篩管返漿為止，放出注漿管內水泥漿液；間隔12小時后第三次注漿至設計封孔位置，凝固48小時后可進行水力壓裂。該工藝目前封孔成功率100%，解決了水力壓裂封孔這一關鍵環(huán)節(jié)。

2 水力壓裂技術實施及效果

（1）+290m總回風巷井組壓裂孔施工參數(shù)

+290m總回風巷井組壓裂區(qū)域上方對應南四區(qū)軌道進風上山揭煤區(qū)域，在+290m總回風巷內針對南四區(qū)軌道進風上山揭M8煤層設計3個鉆場5個壓裂孔，鉆場間距30m，中心四角方式布置，中間一個鉆場布置1個壓裂孔在揭煤中心位置，其余4個呈四方形布置在4個角上，5個壓裂孔均施工至M8煤層頂板0.5m位置，封孔至M8煤層底板位置。

（2）+290m總回風巷井組壓裂施工工序

壓裂前，必須先將未實施壓裂的4個鉆孔上好截止閥；壓裂時，先打開未實施壓裂的4個鉆孔中的一個鉆孔截止閥，直至該孔壓出水為止；以此類推，對其余的壓裂鉆孔關閉其中三個壓裂孔的截止閥，打開一個，直至該孔壓出水為止；按上述壓裂順序，對剩余4個壓裂鉆孔分別輪流進行壓裂，直至其余的壓裂鉆孔壓出水為止。

3 結論

井組水力壓裂技術使各個壓裂孔之間相互作用，在壓裂區(qū)域的煤層內原來的閉合裂隙被壓開形成新的流通網(wǎng)絡，煤層滲透性就會增加，而當壓入的水被排除時，壓開的裂隙就為煤層瓦斯的流動創(chuàng)造了良好條件。實踐證明，井組壓裂技術在封孔質量提升的基礎上，與未實施井組壓裂的礦點相比，瓦斯初抽濃度、平均濃度以及總量均有大幅度提升。

參考文獻：

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