煤礦瓦斯治理中水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用

趙春

摘要：針對煤礦瓦斯治理中水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，介紹了煤炭瓦斯治理中，水力壓裂技術(shù)，同時還分析了該技術(shù)的應(yīng)用原理，探討了水利壓裂技術(shù)在煤層瓦斯治理中的應(yīng)用，內(nèi)容有：提升煤層的透氣性、消除煤層瓦斯突出危險性、改善煤體強度、平衡地應(yīng)力等。最后結(jié)合實際案例，闡述了在煤層使用水力壓裂技術(shù)所達(dá)到的效果。希望通過對這些內(nèi)容的分析，能夠為煤礦瓦斯治理中水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用提供一定幫助。

Abstract： This paper analyzes the application of hydraulic fracturing technology in coal mine gas control， introduces the hydraulic fracturing technology in coal gas control， and also analyzes the application principle of the technology， and discusses the hydraulic fracturing technology in coal seam gas control. Applications include： improving the permeability of coal seams， eliminating the risk of coal seam gas outburst， improving coal body strength， and balancing ground stress. Finally， combined with the actual case， the effect achieved by using hydraulic fracturing technology in coal seams is expounded. It is hoped that through the analysis of these contents， it can provide some help for the application of hydraulic fracturing technology in coal mine gas control.

關(guān)鍵詞：煤礦瓦斯治理；水力壓裂技術(shù)；媒體強度；煤層透氣性

Key words： coal mine gas control；hydraulic fracturing technology；media strength；coal seam permeability

中圖分類號：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0204-02

0 引言

瓦斯事故煤礦事故中所占比例較大，一旦發(fā)生，人員傷亡嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失巨大。為了避免煤礦瓦斯事故發(fā)生，需對瓦斯進(jìn)行抽取。使用水力壓裂技術(shù)，能夠有效提高煤層的透氣性，能夠提升瓦斯的抽取效率，因此值得廣泛應(yīng)用。

1 煤炭瓦斯治理中，水力壓裂技術(shù)概述

通常情況下，不同大煤礦在針對突出的煤層進(jìn)行具體的采集過程中，均會借助一定的方法針對突出的煤層進(jìn)行預(yù)防，避免發(fā)生事故。在我國，存在大部煤礦瓦斯突出的煤層的透氣性均相對較差，在這種情況下就導(dǎo)致煤層的瓦斯抽采受到不良影響，出現(xiàn)諸多技術(shù)上的問題。因此，一定要對煤層進(jìn)行減壓和具體的增壓透氣性處理，其內(nèi)容主要有：對煤層進(jìn)行注水，針對煤層的保護(hù)層進(jìn)行開采，同時對深孔進(jìn)行爆破，對這些方式和技術(shù)進(jìn)行具體應(yīng)用，在進(jìn)行具體的煤層開采過程中雖然起到一定的效果，打那是還是存在一系列的問題。

例如，對煤層保護(hù)層進(jìn)行開采過程中，即便煤層群減壓效果相對較好，但是針對較為單一的、透氣性比較差的煤層而言，起到的作用并不是很大。進(jìn)行多種試驗發(fā)現(xiàn)，對水利壓裂技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，能夠有效解決上述問題[1]。

2 水利壓裂技術(shù)的應(yīng)用原理

對于水力壓裂技術(shù)來說，主要是將大批量含有砂子的高壓水或者其他一些液體灌輸?shù)矫簩赢?dāng)中，從而促使煤層產(chǎn)生一定的裂痕，當(dāng)其中產(chǎn)生孔隙之后，砂子會停留在這些孔隙之中，這些砂子起到一定的支撐作用，能夠避免孔隙被再次封堵，能夠在一定程度上提高煤層的透氣性，這就為瓦斯的抽采提供了一定的方便。

當(dāng)煤產(chǎn)生過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)比較多的裂縫和孔隙，但是地質(zhì)情況和煤的質(zhì)變情況，促使孔隙之間的暢通情況存在不一致現(xiàn)象，這就對煤層的透氣效果產(chǎn)生一定影響。技術(shù)人員采用煤層打鉆的方式，針對含有砂子的高壓水或者其他液體實施相應(yīng)的水利壓裂，這些高壓水在煤層當(dāng)中持續(xù)的流淌。水是無法進(jìn)行壓縮的，這些高壓水逐漸增強，促使煤層的內(nèi)部產(chǎn)生一定的高壓支撐力。這種情況下，就會促使煤層的弱面在裂縫中產(chǎn)生，通過這種方式，能夠有效避免裂縫再次愈合。通過這一系列的操作，會促使煤層之間的縫隙足夠暢通[2]。

3 水利壓裂技術(shù)在煤層瓦斯治理中的應(yīng)用

3.1 提升煤層的透氣性

將煤層作為對象，開展相應(yīng)的水力壓裂操作，通過這種方式，能夠為煤層制造出更多的裂隙，這種情況下，還可以促使煤層的裂隙長度得到大幅度提升，并且為煤層提供較為理想的透氣性。

3.2 消除煤層瓦斯突出危險性

可以在煤層當(dāng)中注入適量的水，這樣便可以在基質(zhì)塊當(dāng)中儲存的瓦斯進(jìn)行封閉處理，對瓦斯?fàn)顟B(tài)進(jìn)行改變，從容促使其從吸附狀態(tài)改變?yōu)橛坞x狀態(tài)，這就意味著煤層當(dāng)中的瓦斯殘留量得到大幅度增加，進(jìn)一步對瓦斯涌出量進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档停⑶疫M(jìn)行有效控制。例如在煤礦當(dāng)中使用水力壓裂技術(shù)之后，實施相應(yīng)的采煤作業(yè)過程中，能夠有效降低瓦斯涌出量，占據(jù)直接使用采煤方式的45.3%。與此同時，還進(jìn)一步實現(xiàn)了對瓦斯放散初中速度的有效降低，總而言之在一定程度上促使煤層瓦斯突出的危險性被有效消除[3]。

3.3 改善煤體強度

如果煤體層在原生結(jié)構(gòu)位置，這時煤體的強度一般相對較硬，對其采用水壓裂技術(shù)進(jìn)行處理，可以促使煤層之中的含水飽和度得到進(jìn)一步提高，并且能夠不斷降低煤體單軸的抗壓強度以及抗拉強度等，這種情況下，就能夠為煤層的實際開采提供較大的方便。

3.4 平衡地應(yīng)力

在對煤礦進(jìn)行具體開采過程中，借助水利壓裂技術(shù)可以促使煤層所對應(yīng)的應(yīng)力場得到明顯的強化，相應(yīng)區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)均一化效果，以避免在某一個點或者某一個方向上出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而有效平衡應(yīng)力，對于瓦斯突出現(xiàn)象來說，具有較大的幫助。

3.5 降低瓦斯壓力

在煤層當(dāng)中，瓦斯壓力場多呈現(xiàn)出非均勻狀態(tài)分布的，在相鄰的煤層之間，瓦斯壓力場有可能存在較為顯著的差異，而瓦斯的能量過度集中，如果被無意的揭露，其能量則會在較為短暫的時間內(nèi)向外劇烈釋放，進(jìn)而引發(fā)比較嚴(yán)重的安全事故。借助水力壓裂技術(shù)后，所形成的裂隙有可能會讓瓦斯在煤層當(dāng)中從高壓區(qū)逐漸向低壓區(qū)傳輸，最后促使瓦斯壓力效果被降低。

3.6 降塵

在煤層當(dāng)中使用水利壓裂技術(shù)，因為煤層當(dāng)中裂隙的存在以及不斷延伸，這種情況下的水會逐漸向其中流入，這樣在煤炭的具體采掘過程中，在相應(yīng)的巷到內(nèi)煤塵的濃度會得到大大降低，這種情況下能夠改善一線礦工作業(yè)環(huán)境，也可以有效減少職業(yè)病的產(chǎn)生，還可以避免出現(xiàn)井下煤塵爆炸的事故發(fā)生。這種情況下，能夠確保煤礦安全生產(chǎn)，并且具備較為積極的現(xiàn)實意義。

4 煤礦瓦斯治理中水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用

4.1 “三軟”煤層水力壓裂應(yīng)用實例

以某煤礦集團(tuán)為例，該礦井為瓦斯突出礦井，其中媒體的堅固性系數(shù)在0.15-0.30逐漸，而煤層透氣性相對較差，因此該煤礦屬于瓦斯比較難抽放的“三軟”煤層。

在2015年在該煤礦的A 工作面底抽巷為其實施12孔次壓裂施工，在其中注入44-86m3/次的水量，技術(shù)人員將施工壓力控制在17-30MPa之間。而在4#鉆場壓裂之后，與其相隔60m的0#鉆場瓦斯抽采情況得到好轉(zhuǎn)，也在一定程度上提升了抽采效率，由此可見，壓裂能夠?qū)?0m開外的抽采孔產(chǎn)生影響。在對其進(jìn)行壓裂之前，瓦斯的抽采數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)分析可得，該煤礦未壓裂區(qū)每個月的平均掘進(jìn)進(jìn)度為42.9m，當(dāng)進(jìn)入到壓裂影響區(qū)域之后，每個月的平均掘進(jìn)進(jìn)度為56.5m，由此可見，平均掘進(jìn)進(jìn)度得到明顯提升。機(jī)巷未壓裂區(qū)域，每個月的掘進(jìn)度可達(dá)48.1m，該地的掘進(jìn)進(jìn)度高了29.6%。由此可見，采用水利壓裂技術(shù)，對于煤礦瓦斯抽采、掘進(jìn)進(jìn)度的提升起到極大的促進(jìn)作用。

4.2 在區(qū)域消突中的應(yīng)用

以某煤礦為例，從2014年以后，在B機(jī)巷和C機(jī)巷分別進(jìn)行了10次的水利壓裂施工，進(jìn)行壓裂之后，促使瓦斯抽采以及消突的效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。其中壓裂所影響的半徑達(dá)到30m之多，而在B機(jī)巷當(dāng)中，抽采的半徑從原有的2m提高到現(xiàn)在的3m以上。瓦斯的平均抽采其從原有的30d以內(nèi)，提高到了當(dāng)前的110d以上（抽采瓦斯的濃度在30%以上）。

在C中巷當(dāng)中，進(jìn)行壓裂之后，鉆場的抽采總量一共增加了5倍以上，而B機(jī)巷的壓裂區(qū)域中所殘留的瓦斯含量和壓力均順利下降到了安全安全值以下，比原有瓦斯壓力和瓦斯含量低，在相同抽采時間內(nèi)抽采總量和原來相比，提高了2-5倍，抽采效率也得到了顯著提升，比原來提高了50%以上。

在B機(jī)巷當(dāng)中，掘進(jìn)工作面壓裂之后，在預(yù)抽期的10d 以上縮短到現(xiàn)在的7d，其抽采量同比增加，區(qū)域瓦斯的預(yù)抽率在50%，在具體的掘進(jìn)過程中，沒有進(jìn)行超限、區(qū)域瓦斯的濃度得到進(jìn)一步降低，防突效檢指標(biāo)沒有超標(biāo)，促使掘進(jìn)的實踐得到有效延長，促使掘進(jìn)進(jìn)度得到大大提升。

在C中巷，壓裂之后的媒體得到充分卸壓，而壓裂的單孔卸煤6t，在C中巷當(dāng)中的2#壓裂孔一共壓出細(xì)粒煤粉3t多，而在4#壓裂孔一共壓出細(xì)粒煤粉6t多。相應(yīng)技術(shù)人員進(jìn)行詳細(xì)計算之后，發(fā)現(xiàn)控制區(qū)域內(nèi)的煤體卸壓率為4.8%，比保護(hù)層開采卸壓率3‰的要求打，相應(yīng)區(qū)域瓦斯抽采量為以前的2倍以上，最終達(dá)到區(qū)域消突目的。

5 結(jié)束語

對水利壓裂技術(shù)和相關(guān)壓裂工藝進(jìn)行應(yīng)用，能夠在一定程度上增加煤層的透氣性，同時還能夠有效提高瓦斯的抽采率，起到煤層瓦斯卸壓以及抽采瓦斯等的作用，最終實現(xiàn)預(yù)防突出、避免沖擊地壓、解除局部應(yīng)力集中、增加煤體水分、降低粉塵濃度等目的。對該技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，還可以在一定程度上改善井下作業(yè)環(huán)境，有效降低礦工出現(xiàn)職業(yè)病，確保煤礦能夠安全生產(chǎn)，進(jìn)一步提升煤礦綜合經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]李陽，郭立穩(wěn)，張嘉勇.水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（10）：174-175.

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