水力壓裂綜合增透技術(shù)研究與實踐

宣加文

（淮南礦業(yè)集團(tuán)潘北項目部，安徽 淮南232087）

1 工程概況

礦井深部開采抽采鉆孔圍巖應(yīng)力狀態(tài)日趨惡化，它制約著礦井瓦斯治理的效果以及采掘工作面的高產(chǎn)、高效，同時給礦井安全生產(chǎn)帶來很大威脅。

1131（3）煤層瓦斯含量高，煤層透氣性差（透氣性系數(shù)9.16×10－4m2／（MPa2·d），流量衰減系數(shù)0.050 9d－1）；施工抽放鉆孔數(shù)量多會影響生產(chǎn)成本，鉆孔數(shù)量少達(dá)不到瓦斯治理效果；為了解決煤層透氣性差，抽放效果不好的問題，與安徽理工大學(xué)合作開展提高煤層抽放低透氣性研究。

在1131（3）底抽巷采取先壓裂后沖孔增透技術(shù)后，單元平均抽采濃度75%、百孔抽采純量1.12m3／min，考察單元的抽采濃度、純量均大幅提高。

1131（3）底抽巷上距C13－1煤底板最小法距15.2m、最大法距31.0m，下距11－2煤頂板最小法距43m、最大法距83m，12煤發(fā)育不穩(wěn)定、局部缺失。1131（3）下順槽標(biāo)高－650m，平均煤厚5.0m，煤層傾角21°～35°，原始瓦斯含量5.86m3／t，瓦斯壓力1.8MPa。

2 先壓裂、后沖孔增透技術(shù)

2.1 壓裂鉆孔設(shè)計

1131（3）底抽巷實驗段長270 m，里段135m 受斷層影響，穿層鉆孔按5m×5m 布置，外段135m 按10m×5m 布置，共設(shè)計鉆孔340個。里段受方位角為190°，斷層面傾角75°，落差為2.8m 的F3x－1及斷層和傾角為45°，落差為3～8.6m 斷層影響，前后60 m 范圍內(nèi)不布置壓裂孔；外段布置4個壓裂孔，設(shè)計壓裂影響半徑為15～20m，終孔位于1131（3）下順槽上輪廓線外5m 位置，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 1131（3）底抽巷水力壓裂鉆孔及穿層鉆孔布置平面圖

2.2 壓裂后沖孔增透

采用BZW－200／56 型乳化泵分別對1＃、2＃、3＃、4＃孔進(jìn)行了壓裂，注水壓力為25～31 MPa，壓注水量分別為218 m3、370 m3、311m3、223m3，總計1 122m3。壓裂鉆孔保水10d后，施工抽采鉆孔。鉆孔施工至終孔點后，先將鉆桿退至C13－1煤層內(nèi)，在過煤段減慢鉆進(jìn)速度，利用礦井靜壓水（壓力6.5MPa）進(jìn)行反復(fù)進(jìn)退、沖洗，直到孔內(nèi)返清水為止。

3 水力壓裂前后有效影響半徑考察

3.1 沖孔段抽采半徑

圖2 沖孔段瓦斯抽采半徑測試孔（G 組）終孔位置示意圖

在里段第28組位置施工G組鉆孔，考察沖孔段抽采半徑，G1、G2、G3、G4、G5 孔布置如圖2所示。采用SF6示蹤氣體法測定沖孔段抽采半徑。根據(jù)實驗結(jié)果，在第5和第6 小時后，在G2和G3 孔內(nèi)測到示蹤氣體，在第5 天從G4孔內(nèi)測到微量示蹤氣體，故沖孔段抽采半徑為2.5m。

3.2 水力壓裂影響半徑

保水10d后，考察壓裂后傾向影響半徑和走向影響半徑。在壓裂孔軸線方向施工T3、T4組檢驗孔，在巷道走向方向上施工T15、T25、T35、T45、T54和T65檢驗孔，取樣測定含水率、瓦斯放散初速度、煤層堅固性系數(shù)、煤層孔隙率和瓦斯含量，檢驗孔布置如圖3所示。

圖3 水力壓裂半徑考察鉆孔設(shè)計圖

根據(jù)圖3檢驗鉆孔煤樣含水率測試結(jié)果繪制含水量等值線圖，如圖4所示。根據(jù)含水率測試結(jié)果，水力壓裂有效影響半徑為20m。

圖4 含水率等值線圖

3.3 壓裂后抽采半徑

選擇T45、T53、T54、T55和T65孔作為抽采半徑考察孔，采用示蹤法對各抽采孔進(jìn)行SF6采樣和考察，考察抽采孔SF6濃度變化趨勢實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 考察抽采孔SF6濃度變化趨勢

T53孔在第34 小時檢測到了SF6，隨后可以穩(wěn)定抽采到注入孔的SF6，T53孔在有效抽采范圍內(nèi)；但T45孔和T65孔僅在第98小時和第94小時檢測到了SF6，且含量極低，這兩個孔不在有效抽采范圍內(nèi)。通過實驗可知，實驗地點壓裂區(qū)域內(nèi)有效抽采半徑為6m。

4 沖孔段與壓沖段抽采效果考察

鉆孔里段采用水力沖孔增透措施，鉆孔外段采用壓沖增透措施，選取里段第34、32、30組為沖孔段考察單元，外段T1～T3組為壓沖段考察單元，主要對抽采濃度、抽采純量、單元抽采達(dá)標(biāo)時間進(jìn)行考察。

4.1 抽采濃度考察

抽采7d后，沖孔段單孔平均瓦斯抽采濃度為48%，壓沖段單孔平均瓦斯抽采濃度為88%；壓沖段鉆孔瓦斯抽采濃度衰減緩慢，能夠保持較長時間，截止3月31日，單孔平均瓦斯抽采濃度仍保持75%以上，沖孔段和壓沖段鉆孔瓦斯抽采濃度衰減對比曲線圖如圖6所示。

圖6 沖孔段和壓沖段鉆孔瓦斯抽采濃度衰減對比曲線圖

4.2 抽采純量考察

抽采趨于穩(wěn)定后，沖孔段平均單孔抽采純量為0.005 2 m3／min，百孔抽采量為0.52 m3／min；壓沖段平 均 單 孔 抽 采 純 量為0.011 2 m3／min，百 孔 抽 采 量 為1.12 m3／min；壓沖段是沖孔段的2.15倍，具體數(shù)據(jù)見表1、表2，抽采純量對比曲線如圖7所示。

表1 沖孔段鉆孔瓦斯抽采量考察表

表2 壓沖段鉆孔瓦斯抽采量考察表

圖7 沖孔和先壓后沖單孔抽采流量對比曲線圖

5 結(jié)論

預(yù)抽達(dá)標(biāo)時間按煤巷條帶預(yù)抽率25%計算，沖孔段抽采達(dá)標(biāo)需31d，壓沖段抽采達(dá)標(biāo)需19d，同比縮短了39%。通過水力壓裂，有效抽采半徑由2.5m 上升至6m，提高了2.4倍；壓沖段平均單孔濃度同比提高了83%，為沖孔段的1.83倍，且能夠保持長時間的高濃度。

壓沖段百孔平均抽采純量同比提高了115%，是沖孔段的2.16倍。通過以上對比分析可以明顯地看出，采取先壓后沖增透技術(shù)后，提高了抽采效果，縮短預(yù)抽達(dá)標(biāo)時間，減少了鉆孔量，節(jié)省了材料成本，實現(xiàn)了瓦斯治理經(jīng)濟(jì)技術(shù)一體化。

［1］袁亮.深井巷道圍巖控制理論及淮南礦區(qū)工程實踐［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

［2］張農(nóng).巷道滯后注漿圍巖控制理論與實踐［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版2004.

［3］高延法，張慶松.礦山巖石力學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［4］孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.

［5］趙奎.礦山巖石力學(xué)若干測試技術(shù)及其分析方法［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［6］雷洪波，周政林，王榮超.松軟突出煤層順層抽放鉆孔施工及封孔技術(shù)研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2009（S1）：136－138.

［7］程平遠(yuǎn)，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2009，26（2）：5－17.

［8］程平遠(yuǎn)，俞啟香，袁亮，等.煤與遠(yuǎn)程卸壓瓦斯安全高效共采試驗研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33（2）：8－12.