謝橋礦1351（3）工作面水力壓裂增透卸壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)

欒玥琪

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232000）

0 引言

我國(guó)作為一個(gè)“富煤、貧煤、少氣”的國(guó)家，其能源生產(chǎn)的發(fā)展前景很大程度上依賴(lài)煤炭工業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展。我國(guó)各項(xiàng)工業(yè)資源的儲(chǔ)存情況決定了煤炭資源在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都是占據(jù)我國(guó)支配地位的主要能源，我國(guó)煤礦多為高瓦斯低透氣性礦井，隨著煤層開(kāi)采深度增加，地質(zhì)情況愈加復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害趨于嚴(yán)重，煤與瓦斯突出已經(jīng)成為威脅煤礦安全開(kāi)采的主要問(wèn)題之一[1-5]。煤與瓦斯突出是一種極為復(fù)雜的煤礦自然災(zāi)害，受諸多自然因素和人為干預(yù)的影響，它是煤礦井下含瓦斯的煤巖體多以碎粉狀向采掘部位急劇運(yùn)動(dòng)并伴隨著大量瓦斯噴出的一種強(qiáng)烈動(dòng)力過(guò)程，突出過(guò)程中噴出的煤-瓦斯兩相流可推進(jìn)幾百米，瓦斯流則可逆向推進(jìn)數(shù)千米，嚴(yán)重危害了礦井生產(chǎn)和人員人身安全[6]。

煤層瓦斯抽采的關(guān)鍵在于煤層滲透率的提高，結(jié)合施工安全和應(yīng)用效果，水力壓裂技術(shù)可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題[7]。水力壓裂作為一種防治煤與瓦斯突出技術(shù)，其工作原理為通過(guò)將高壓水注入煤層，使得煤層中的原生裂隙發(fā)展成為網(wǎng)狀，這會(huì)增加瓦斯流動(dòng)通道，進(jìn)而提高煤層透氣性[8]。本試驗(yàn)對(duì)謝橋礦1351（3）工作面使用水力壓裂技術(shù)，測(cè)得抽采半徑、單孔抽采量、抽采純度等參數(shù)，為水力壓裂技術(shù)在謝橋礦煤層中的推廣提供了一種可靠思路。

1 工作面概況

謝橋礦1351（3）工作面走向長(zhǎng)度1070m，傾斜寬240m，設(shè)計(jì)標(biāo)高-600m～-654.5m，處于突出煤層突出危險(xiǎn)區(qū)，鄰近工作面1341（3）工作面均已回采完畢。本煤層采用上下順槽順層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽，其中上順槽每50m施工一個(gè)鉆場(chǎng)，下順槽位于巷幫施工平行鉆孔，排內(nèi)間距10m，上下順槽鉆孔壓茬5m。設(shè)計(jì)1351（3）底抽巷為1351（3）工作面瓦斯治理專(zhuān)用巷道，內(nèi)錯(cuò)1351（3）下順槽30m，巷道斷面設(shè)計(jì)為4.0m×3.0m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道底板標(biāo)高-667.1～-670.5m，距13-1煤底板法距18～23m，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1118m。巷道巖性為砂質(zhì)泥巖，頂板至13-1煤層底板巖性依次為砂質(zhì)泥巖（10.1m）、花斑泥巖（3.6m）、砂質(zhì)泥巖（0.6m）、炭質(zhì)泥巖（3.0m）、泥巖、12煤（0.7m）、砂質(zhì)泥巖（4.5m），巷道底板為砂質(zhì)泥巖。

1.1 瓦斯儲(chǔ)存情況

13-1煤為突出煤層，-610m以下為突出危險(xiǎn)區(qū)。該區(qū)域煤層原始瓦斯壓力1.12MPa，原始瓦斯含量5.4 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.00136m2/(MPa2·d)，原始含水率2%。

1.2 地質(zhì)情況

13-1煤呈黑色，形狀以塊狀為主、少量為片狀及粉末狀，呈玻璃～油脂光澤，屬半亮型煤。煤層下部普遍發(fā)育一層夾矸，夾矸為泥巖或炭質(zhì)泥巖，均厚0.4m。煤層結(jié)構(gòu)為3.6（0.4）1.0，賦存穩(wěn)定，煤層總厚1.0～6.7m，平均厚度5m。其中煤層產(chǎn)狀為：185°～205°，∠10°～15°，平均傾角13.5°。

2 水力壓裂設(shè)備及壓裂孔設(shè)計(jì)

水力壓裂設(shè)備：1351（3）工作面水力壓裂選用額定壓力56MPa、額定流量200L/min的BZW200/56型乳化泵，注水管路選用兩路∮19.0mm高壓膠管，封孔管采用∮42mm高壓無(wú)縫鋼管。

壓裂鉆孔設(shè)計(jì)：壓裂鉆孔的設(shè)計(jì)為沿工作面走向，每隔100m布置一個(gè)，孔徑為∮113mm，終孔位置在于工作面的正中偏下方，距下順槽118m，距上順槽122m。

水力壓裂進(jìn)展情況：共完成1#、2#、3#、5#共計(jì)4個(gè)鉆孔水力壓裂，其中1#、2#、3#鉆孔單孔注水量依次為407m3、352m3、190m3，總量逐漸降低，注水壓力分別為23.9MPa、38.2MPa、34.0MPa，并無(wú)明顯規(guī)律；5#鉆孔注水量為710m3，較1～3鉆孔明顯增加，注水壓力22.0MPa，為4個(gè)鉆孔壓力中最小。經(jīng)分析可知，此現(xiàn)象是由底抽巷撥門(mén)口及1#鉆場(chǎng)鉆孔因出水較大而停止壓裂所造成的。

3 壓裂效果考察

3.1 水力壓裂影響半徑考察

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)在1351（3）底抽巷施工穿層孔，在1351（3）上、下順槽順層鉆孔取樣測(cè)定煤層瓦斯含量及含水率，其中1351（3）底抽巷在底抽巷施工3個(gè)走向壓裂考察鉆孔（K3、K2、K1），設(shè)計(jì)考察走向半徑分別為70m、60m、50m，有遠(yuǎn)至近進(jìn)行施工；1351（3）上順槽利用2#鉆場(chǎng)3#、4#抽采鉆孔，設(shè)計(jì)考察傾向（上向）半徑分別為70m、60m、50m；1351（3）下順槽利用22#～28#順層抽采鉆孔，設(shè)計(jì)考察傾向（下向）半徑分別為70m、60m、50m、40m。

從實(shí)際施工情況可知，下順槽在施工至孔深50～70m時(shí)，孔口返出煤粉潮濕，70～100m孔內(nèi)開(kāi)始出水，鉆進(jìn)困難。上順槽施工至孔深40～60m時(shí)煤層潮濕，易造成跨孔埋鉆。2號(hào)鉆場(chǎng)的1#孔因煤層潮濕，導(dǎo)致鉆進(jìn)困難無(wú)法排渣，故停止鉆進(jìn)。

3.2 壓裂后抽采效果考察

1351（3 ）上順槽第一單元抽采考察：選擇上順槽走向200m為第一考察單元，鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔扇形布置，孔間距10m，雙排三花布置。現(xiàn)已施工完畢2個(gè)鉆場(chǎng)，1#鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)鉆孔17個(gè)， 2#鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)鉆孔18個(gè)。1351（3）下順槽第一單元抽采考察：選擇1#壓裂鉆孔東側(cè)60m范圍作為第一單元，設(shè)計(jì)順層抽采考察鉆孔15個(gè)，平行工作面布置，排內(nèi)間距10m，雙排三花布置。

抽采效果考察結(jié)果分析：（1）下順槽第一單元最大抽采純量0.66 m3/min，單孔最大抽采純量0.03 m3/min。單元平均抽采濃度37.6%，平均抽采混量1.33 m3/min，平均抽采純量0.50m3/min，單孔平均抽采純量0.027 m3/min，相比上順槽第一單元抽采瓦斯純量增加了2.6倍。（2）上順槽施工鉆孔35個(gè)，鉆孔量4003m；下順槽施工鉆孔21個(gè)，鉆孔量2410m，相比上順槽第一單元，下順槽單位面積鉆孔量減少40%，鉆孔單位面積抽采純量增加45%。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）隨著壓裂注水量及壓力的增加，壓裂范圍不斷擴(kuò)展至原煤巷穿層條帶預(yù)抽區(qū)域，鉆孔出水后停止壓裂。自底抽巷由外向里按順序進(jìn)行壓裂過(guò)程中，1、2、3號(hào)壓裂孔單孔注水總量逐漸下降。經(jīng)分析后認(rèn)為，這一現(xiàn)象是由前一輪壓裂影響范圍與后一輪壓裂影響范圍之間相互交叉、后一輪壓裂注水量達(dá)不到前一輪壓裂注水量（即達(dá)到注水壓裂效果）所產(chǎn)生，即是實(shí)際壓裂影響半徑超過(guò)設(shè)計(jì)影響半徑（設(shè)計(jì)壓裂半徑50m）。5號(hào)壓裂孔的單孔總注水量達(dá)710m3，注水壓力始終保持在22MPa，注水量保持在0.4m3/min；當(dāng)壓裂進(jìn)入第4天，距離壓裂孔712m處（底抽巷撥門(mén)口）的錨桿出現(xiàn)明顯淋水現(xiàn)象，此時(shí)底抽巷內(nèi)其他地點(diǎn)無(wú)淋水現(xiàn)象，且底抽巷內(nèi)距離壓裂孔最近的實(shí)見(jiàn)斷層FG1（h=2m,距離壓裂孔最近處48m）也未出水。對(duì)于這一現(xiàn)象，經(jīng)分析后認(rèn)為與下列因素有關(guān)：（1）5#壓裂孔終孔深度75m，理論計(jì)算封孔水泥12袋，實(shí)際注漿14袋，封孔效果好；（2）壓裂水沒(méi)有進(jìn)入斷層帶內(nèi)；（3）壓裂水是在距離壓裂孔一定距離外（至少48m）通過(guò)煤層裂隙進(jìn)入煤層底板，并通過(guò)沿底板的層間裂隙向外流動(dòng)；（4）可能存在一條或多條貫通東西走向的裂隙通道。為進(jìn)一步驗(yàn)證出水來(lái)源與壓裂水的關(guān)系，停止壓裂后，出水點(diǎn)水量逐漸減小，7天后出水終止。

（2）工作面順層鉆孔取樣測(cè)定煤層最高水分為4.1%，測(cè)定值偏低。造成這一結(jié)果的主要原因?yàn)轫槍鱼@孔煤層傾角較?。ㄗ畲?3°），排渣不夠徹底，鉆進(jìn)過(guò)程中各煤層段煤粉相互混合；特別是下向順層鉆孔，在取樣深度較長(zhǎng)、孔內(nèi)潮濕的情況下，鉆孔深部的煤粉很難排出孔外，即使孔口取到煤樣也不能準(zhǔn)確反映出目標(biāo)位置的真實(shí)數(shù)據(jù)。

（3）從順層鉆孔含量測(cè)定結(jié)果來(lái)看，距離壓裂孔下方58m處測(cè)得瓦斯含量5.35 m3/t，與原始含量（5.4 m3/t）基本一致；壓裂孔附近的瓦斯含量低于原始含量值，并從壓裂孔向外逐漸增加至原始值；距離壓裂孔上方76m，處于壓裂影響范圍以外，且煤層埋深相對(duì)較淺，測(cè)定值接近原始含量值。

（4）從順層鉆孔抽采效果來(lái)看，下順槽單孔平均抽采純量較上順槽增加260%，單位面積抽采純量（m3/ m2.d)增加45%。按壓裂影響半徑60m計(jì)算，下順槽鉆孔控制范圍60%位于壓裂影響區(qū)域內(nèi)，上順槽僅占9%，壓裂區(qū)域內(nèi)煤層裂隙擴(kuò)展延增強(qiáng)煤層的透氣性，是影響抽采效果的主要原因。此外，上下順槽原始瓦斯含量相差接近1m3/t，也起到了影響抽采的作用。

5 結(jié)論

謝橋礦1351（3）底抽巷對(duì)應(yīng)工作面13-1煤層實(shí)施水力壓裂后，由于煤層透氣性改善，抽采半徑增加，距離有效影響區(qū)域越近的1351（3）下順槽第一單元與1351（3）上順槽第一單元對(duì)比，單孔抽采量增加了260%，下順槽單位面積抽采純量增加了45%，鉆孔量減少40%，鉆孔抽采效率明顯提高。現(xiàn)場(chǎng)研究表明，水力壓裂技術(shù)能顯著提高煤層的透氣性，為存在煤與瓦斯突出問(wèn)題的施工現(xiàn)場(chǎng)的人員財(cái)產(chǎn)安全提供有力保障。

[1]何學(xué)秋.含瓦斯煤巖流變動(dòng)力學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[2]呂有廠.水力壓裂技術(shù)在高瓦斯低透氣性礦井中的應(yīng)用[D].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(07):102-107.

[3]劉俊杰,喬德清.對(duì)我國(guó)煤礦瓦斯事故的思考[J].煤炭學(xué)報(bào),2006,31(07):58-62.

[4]閆江偉,張小兵,張子敏.煤與瓦斯突出地質(zhì)控制機(jī)理探討[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(07):1174-1178.

[5]杜春志,茅獻(xiàn)彪,卜萬(wàn)奎.水力壓裂時(shí)煤層縫裂的擴(kuò)展分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008,25(02):231-235,238.

[6]孫東玲,胡千庭,苗法田.煤與瓦斯突出過(guò)程中煤-瓦斯兩相流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(03):452-458.

[7]覃道雄,朱紅青,張民波等.煤層水力壓裂增透技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(05):79-81,85.

[8]王志磊,王凱,梁安民.“三軟”突出煤層穿層鉆孔水力壓裂增透抽采瓦斯技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù),2014,33(05):34-36.