水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的效果分析與應用

劉凱

摘 要：為實現(xiàn)對煤礦瓦斯的有效治理，越來越多的煤礦開始研究水力壓裂技術，并在實踐應用中取得了比較理想的應用效果。本文基于水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的效果進行分析，先概述了水力壓裂技術，然后介紹了水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的作用，最后結合實例加以探討，以期為煤礦的安全、高效生產提供有益參考。

關鍵詞：水力壓裂技術；瓦斯治理；效果；應用

對國內煤礦進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)煤礦煤層的透氣性不理想，除此之外，瓦斯含量也比較高，正因如此，瓦斯事故在所有礦難事故之中占有較大比例，與此同時，還會導致嚴重的人員傷亡和難以估量的經(jīng)濟損失[1]。隨著煤層開采深度的不斷加深，突出煤層也相應增多，這對煤礦的生產安全埋下了嚴重的隱患。在傳統(tǒng)煤礦瓦斯治理工作中，缺乏效果顯著的治理措施，而伴隨著水力壓裂技術的不斷成熟，能夠比較理想地增加煤層的透氣性，與此同時，還能夠明顯降低煤層之中瓦斯的實際含量，表現(xiàn)出了良好的應用效果。

1 水力壓裂技術概述

水力壓裂是應用于地面煤層氣開發(fā)利用的一項現(xiàn)代技術，大多應用于具有原生結構的煤層，其工作原理是將水作為動力，使煤體出現(xiàn)裂隙，施加超過地層濾失速率的排量和超過地層耐破上限的壓力，讓煤層之中不同等級的弱面內通過對弱面面壁形成流體壓力，導致空間上的一定膨脹，以此推動這一弱面不斷地進行擴張以及延伸，到一定程度之后破裂產生裂縫，并彼此連通，形成相互聯(lián)系的網(wǎng)絡，最終提升煤層以及抽采管路之間的聯(lián)通能力。

水力壓裂技術的一般工藝流程如下：供水管→水箱→連接管→注水泵→高壓水管→專用封孔器→鉆孔→煤體[2]。

2 水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中作用

（1）增加煤層透氣性。以煤層為對象進行水力壓裂操作，可以為煤層制造出更多的裂隙，不僅如此，還能夠大幅增加煤層裂隙的長度，賦予煤層間更為理想的透氣性。

（2）消除煤層的瓦斯突出危險性。向煤層注入一定的水，能夠對基質塊中儲存的瓦斯做“封閉”處理，提升瓦斯由吸附態(tài)轉變成游離態(tài)的難度系數(shù)，即意味著大幅增加了煤層之中瓦斯的殘留量，從而實現(xiàn)對瓦斯涌出量的有效減少和控制。如某煤礦采用水力壓裂技術之后，其采煤作業(yè)過程中的相對瓦斯涌出量大幅減少，僅僅是直接采煤方式的45.3%，不僅如此，還實現(xiàn)了對瓦斯放散初速度的有效降低[3]?？傊谝欢ǔ潭壬舷嗣簩油咚雇怀龅奈ｋU性。

（3）改變煤體強度。當煤層處于原生結構時，其煤體強度通常相對較硬，采用水力壓裂技術進行處理之后，能夠不斷增加煤層之中含水飽和度，同時不斷降低煤體單軸抗壓強度以及抗拉強度等，如此一來，給煤層的實際開采工作提供了極大的便利。

（4）平衡地應力。在煤礦開采工作中，采用水力壓裂技術能夠明顯強化煤層所對應的地應力場，在相應區(qū)域內實現(xiàn)均一化的效果，防止在某點或者某方向上產生過大的應力集中問題，從而有效平衡地應力，這對于防范瓦斯突出而言具有相當積極的現(xiàn)實意義。

（5）降低瓦斯壓力。煤層瓦斯壓力場通常屬于非均勻狀態(tài)分布，相鄰煤層之間的瓦斯壓力場可能存在顯著差異，瓦斯能量過于集中，若被無意揭露，能量便會在短時間內劇烈釋放，導致非常嚴重的安全事故。而通過水力壓裂技術形成的裂隙可以讓瓦斯在煤層中由高壓區(qū)不斷傳輸?shù)降蛪簠^(qū)，最終實現(xiàn)降低瓦斯壓力的效果[4]。

（6）降塵。在對煤層采用水力壓裂技術之后，煤層中由于裂隙的存在和延伸，水便會不斷流入其中，如此一來，在煤炭采掘過程中巷道內便不會出現(xiàn)大量煤塵，可以大幅降低井下采掘作業(yè)地點巷道內的煤塵濃度，從而改善一線礦工的作業(yè)環(huán)境，降低其罹患相關職業(yè)病的可能，同時還能夠有效預防井下煤塵爆炸事故，這對于保障煤礦安全生產而言，具有相當積極的現(xiàn)實意義[5]。

3 水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的應用實例

某礦井屬于比較典型的煤與瓦斯突出礦井，其煤體對應的堅固性系數(shù)在0.15-0.30之間，煤層透氣性不理想，利用傳統(tǒng)瓦斯抽放方法效果不理想。

2015年5月，以1414（3）工作面底板巷為對象，先后進行了12孔次的水力壓裂作業(yè)，每次注水量控制在100-230m3之間，作業(yè)壓力控制在17-35MPa之間。對4#鉆場進行水力壓裂作業(yè)之后，其60m之外的0#鉆場所對應的瓦斯抽采情況獲得了顯著改善，實際抽采效率大幅提升，可見水力壓裂作業(yè)竟然可以影響到60 m之外的抽采孔。其水力壓裂作業(yè)前后各自對應的瓦斯抽采數(shù)據(jù)詳見表1。由表1中的數(shù)據(jù)可知，水力壓裂作業(yè)能夠顯著提升煤礦瓦斯的抽采速度，實現(xiàn)快速消突，這對于煤礦瓦斯治理來說起到了安全高效的作用。

4 結束語

總而言之，隨著水力壓裂技術的不斷成熟，其在煤礦瓦斯治理中發(fā)揮出了越來越重要的作用，包括增加煤層透氣性、消除煤層瓦斯突出危險性、改變煤體強度、平衡地應力、降低瓦斯壓力、降塵等，為煤礦企業(yè)帶來了更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]曲曉明.基于水力壓裂技術的地面鉆井排放瓦斯效果分析[J]. 內蒙古煤炭經(jīng)濟，2013（07）：174-175.

[2]呂有廠.水力壓裂技術在高瓦斯低透氣性礦井中的應用[J].重慶大學學報，2010（07）：102-107.

[3]王國鴻，徐贊.水力壓裂技術提高低透氣性煤層瓦斯抽放量淺析[J].煤礦安全，2010（08）：120-121.

[4]孫炳興，王兆豐，伍厚榮.水力壓裂增透技術在瓦斯抽采中的應用[J].煤炭科學技術，2010（11）：78-80.

[5]代志旭.高壓水力壓裂技術在瓦斯綜合治理中的研究與應用[J]. 煤炭工程，2010（12）：82-84.endprint