基于底抽巷的上向水力壓裂增透試驗(yàn)研究

朱修亮

(淮河能源控股集團(tuán)煤業(yè)分公司 朱集東煤礦，安徽 淮南 232087)

隨著煤礦淺部資源開采殆盡，大多數(shù)煤礦進(jìn)入深部開采水平，煤層所受的地應(yīng)力以及煤層內(nèi)瓦斯壓力不斷升高，煤層滲透率逐漸降低，瓦斯抽采率低，抽采時(shí)間長，對(duì)礦井的正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。因此，必須采取措施提高煤層的透氣性，從而提高瓦斯抽采率。常用的增透方法主要有CO2預(yù)裂爆破、炸藥深孔控制預(yù)裂爆破、水力壓裂、水力沖孔等措施，每種方法都有一定的適應(yīng)性。本文根據(jù)淮南潘三煤礦11-2煤及1232(1)底抽巷的地質(zhì)條件，選取水力壓裂的方法進(jìn)行增透，開展基于底抽巷的上向水力壓裂增透試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)區(qū)域概況

淮南潘三煤礦11-2煤直接頂為泥巖，均厚2.5 m，灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，植化發(fā)育，巖石性脆；老頂為粉細(xì)砂巖，均厚3.6 m，淺灰色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，主要礦物成份石英，巖石致密堅(jiān)硬；偽底為炭質(zhì)泥巖，均厚0.1 m，直接底板為泥巖，均厚7.8 m，灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。11-2煤黑色，塊狀為主，片狀次之，以暗煤為主，底部有一層、兩層局部夾亮、鏡煤條帶，屬半暗半亮型煤，煤厚2.04～4.73 m，均厚2.7 m，煤層產(chǎn)狀約140～160°∠3～8°。根據(jù)礦井煤層瓦斯基礎(chǔ)資料，瓦斯壓力約為2 MPa，瓦斯含量約為9 m3/t。

1232(1)底抽巷外錯(cuò)煤巷35 m，穿層掩護(hù)鉆孔按照5 m×5 m方式布置，每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)10個(gè)鉆孔，分為2組交錯(cuò)布置施工，按照30～50 m間距布置鉆場(chǎng)。為防止壓裂時(shí)圍巖裂隙漏水，對(duì)水力壓裂地點(diǎn)及其前后50 m范圍進(jìn)行噴注漿加固措施。

2 基于底抽巷的上向水力壓裂方案

根據(jù)11-2煤層和1232(1)底抽巷的地質(zhì)特點(diǎn)和層位關(guān)系，在借鑒相鄰煤層水力壓裂的基礎(chǔ)上，制定了基于1232(1)底抽巷上向水力壓裂試驗(yàn)及瓦斯抽采效果考察方案。

2.1 鉆孔布置

根據(jù)煤巖地質(zhì)條件，壓裂鉆孔布置在鉆場(chǎng)中間位置，鉆孔不穿過11-2煤層，距頂板0.8 m時(shí)即可起鉆，終孔點(diǎn)位于煤巷巷中位置。鉆孔按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工，并詳細(xì)記錄見煤巖情況。根據(jù)1232(1)底抽巷掘進(jìn)情況，按照設(shè)計(jì)已壓裂8個(gè)壓裂孔，分別位于底板巷12號(hào)、19號(hào)、23號(hào)、25號(hào)、27號(hào)、30號(hào)、33號(hào)和37號(hào)鉆場(chǎng)，鉆孔布置示意如圖1所示，壓裂鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 壓裂鉆孔布置示意

孔號(hào)方位/(°)仰角/(°)孔深/m壓1號(hào)9079.455.6壓2號(hào)2705562.4壓3號(hào)904977壓4號(hào)048.636壓5號(hào)9029.576壓6號(hào)-37.876.254.2壓7號(hào)-9076.251.75壓8號(hào)-142.276.254.2

2.2 壓裂孔封孔

2.2.1 封孔管加工

壓裂鉆孔需送入D25 mm內(nèi)徑的壓裂管，壓裂管每根長1 m，采用特制接頭連接，壓裂煤層底板以上至終孔位置采用篩管。

壓裂鉆孔孔口段10 m送入D25 mm內(nèi)徑的超高壓無縫綱管，每根無縫鋼管長2 m，采用絲扣連接；孔外的一根無縫鋼管尾端焊接D25 mm高壓直通快速接頭，確保能正常與兩根D19 mm內(nèi)徑高壓纏繞鋼編管連接。由于送入孔內(nèi)鋼管重量重，為確保鋼管不從孔內(nèi)向下滑，在最后一根鋼管孔外段加工支撐塊。

2.2.2 壓裂孔的封孔工藝

壓裂鉆孔全孔段直徑為D94 mm，確保D15 mm注漿管能正常送入孔內(nèi)；本次水力壓裂鉆孔采用多次封孔工藝。在進(jìn)行多次封孔前，首先按照設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)施工鉆孔至煤層底板，然后使用水泥進(jìn)行注漿；待注漿凝固后再按照壓裂孔設(shè)計(jì)參數(shù)施工壓裂孔至煤層頂板，不穿透煤層，鉆孔施工完成后進(jìn)行壓裂孔封孔。

2.3 水力壓裂過程及分析

此次壓裂在1232(1)底抽巷19號(hào)鉆場(chǎng)進(jìn)行，以2號(hào)孔壓裂為例，壓裂控制箱和監(jiān)控柜布置于距離壓裂地點(diǎn)150 m的14號(hào)鉆場(chǎng)位置，水箱和高壓泵布置于距離壓裂地點(diǎn)120 m的15號(hào)鉆場(chǎng)位置。

2號(hào)水力壓裂孔準(zhǔn)備工作完成后開始進(jìn)行注水壓裂，壓裂泵的泵壓保護(hù)上限為30 MPa。首先試壓壓力為22.58 MPa，水量2 t，未出現(xiàn)異常后繼續(xù)注水加壓，當(dāng)孔口壓力達(dá)到27.6 MPa后，停止壓裂但保壓3 h，此時(shí)注水量約為59 t，巷道頂板及壓裂孔附近無異常現(xiàn)象；隨后繼續(xù)壓裂，孔口壓力穩(wěn)定約在26 MPa，4 h后壓裂孔口出現(xiàn)滴水，附近周邊錨桿錨索出現(xiàn)少許陰濕，距離壓裂孔60 m的17號(hào)鉆場(chǎng)的40號(hào)和45號(hào)鉆孔出現(xiàn)少量高溫水，水中有少量煤渣；保壓6 h后停止壓裂，總注水量約為129 t。壓裂注水結(jié)束后，壓裂孔內(nèi)高壓水不卸壓，關(guān)閉孔口閘閥保壓一周。

3 水力壓裂效果考察

3.1 考察鉆孔布置

對(duì)壓裂孔區(qū)域水力壓裂后進(jìn)行效果考察，壓裂效果考察鉆孔布置如圖2所示。

圖2 壓裂孔考察鉆孔布置示意

3.2 壓裂后抽采效果考察

抽采效果考察以19號(hào)鉆場(chǎng)2號(hào)水力壓裂孔為例進(jìn)行分析，施工結(jié)束后進(jìn)行瓦斯抽采。2號(hào)水力壓裂孔影響區(qū)域評(píng)價(jià)單元全部抽采鉆孔施工結(jié)束后進(jìn)行合并抽采， 60 d的平均抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)59%，與未進(jìn)行水力壓裂煤層區(qū)域的抽采瓦斯?jié)舛?5%相比，提高了1.36倍；百米抽采瓦斯純量最高達(dá)1.25 m3/min，平均百米抽采瓦斯純量為0.68m3/min，與未進(jìn)行水力壓裂煤層區(qū)域百米抽采瓦斯量0.32m3/min相比，提高了1.12倍；抽采85d后濃度和抽采量逐漸降至未壓裂煤層抽采數(shù)據(jù)水平，抽采90d時(shí)瓦斯含量和壓力達(dá)到了《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，相比于未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域抽采時(shí)間減少了約1個(gè)月，抽采濃度及抽采量變化曲線見圖3和圖4。

圖3 壓裂抽采濃度變化曲線

圖4 壓裂百米抽采量對(duì)比曲線

4 結(jié) 語

基于底抽巷的上向水力壓裂增透試驗(yàn)取得了明顯的增透效果，相比于未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域，抽采瓦斯?jié)舛群桶倜壮椴赏咚沽棵黠@提高，減少了瓦斯抽采時(shí)間，保證了礦井的采掘平衡。