高壓水力壓裂在急傾斜低透氣性三軟煤層中應(yīng)用研究

王小朋 蔣精華 周俊杰 許達(dá)

摘 ? 要：為提高低透氣性，急傾斜低透氣性“三軟”突出煤層的瓦斯抽采量， 實(shí)現(xiàn)抽采消突的目的， 在李子埡南二井實(shí)施高壓水力壓裂技術(shù)， 并對(duì)水力壓裂的應(yīng)用效果進(jìn)行了考察。結(jié)果表明：實(shí)施高壓水壓預(yù)裂后，單孔平均抽采純量提高了97～115倍，單孔及支管路的抽采濃度分別由40%提高到65%，壓裂鉆孔抽采半徑超過30m，是現(xiàn)有抽放方式的10倍以上，對(duì)于解決當(dāng)前抽放區(qū)域存在的盲區(qū)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以為提高抽采效果提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：高壓水力壓裂 ?急傾斜三軟突出煤層 ?低透氣性 ?抽采半徑

中圖分類號(hào)：TD712.62 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0044-02

大量資料和數(shù)據(jù)結(jié)果表明，隨著開采深度的增加，煤層的透氣性系數(shù)夜隨之減小，地應(yīng)力和瓦斯壓力以及含量隨之上漲。鉆孔施工越發(fā)困難，瓦斯治理難度呈幾何系數(shù)增加，在很大程度上影響了礦井的正常接替。在這種情況之下，如使用增加鉆孔密度、延長抽采時(shí)間等常規(guī)手段已無法完全達(dá)到消突和抽采達(dá)標(biāo)的目的了，特別是李子埡煤礦南二井的急傾斜低透氣性三軟突出煤層在這一方面反應(yīng)特別明顯。在這種情況之下，只有采取煤層增透措施，增大煤體裂隙密度和范圍， 提高煤層透氣性， 最終達(dá)到提高煤層瓦斯抽采效果的目的。根據(jù)國內(nèi)外試驗(yàn)研究情況， 現(xiàn)階段主要煤層增透的技術(shù)方法有：水力壓裂增透、 高壓水射流擴(kuò)孔增透水力割縫增透、深孔控制預(yù)裂爆破增透等。

1 ?礦井概況

李子埡煤礦南二井位于華鎣山煤田中段礦區(qū)的南部，構(gòu)造單元屬龍王洞背斜東翼。井田地質(zhì)較為復(fù)雜，煤層位于龍?zhí)督MK1煤層中，煤層走向38°、傾向128°、傾角47°-51°平均傾角48.7°，平均厚度為2.24m，厚度變化較大，硬度3～6;基本頂為深灰色石灰?guī)r，厚度22.86m，硬度3～10。直接底為灰黑色泥巖夾粘土巖，遇水易泥化，厚度2.20m，硬度2～4;基本底為灰色細(xì)砂巖，透水性較強(qiáng)，厚度3.0m，硬度4～6。

2 ?水力增透技術(shù)原理

水力增透技術(shù)是以水作為介質(zhì)，通過高壓水泵產(chǎn)生高壓水作用于煤體，使煤體內(nèi)部原生裂隙張開、延伸并產(chǎn)生新的裂縫，在一定空間內(nèi)形成相互交織的多裂隙連通網(wǎng)絡(luò)，從而改善煤層內(nèi)部瓦斯流動(dòng)狀況，提高瓦斯抽采效果。水力增透技術(shù)包括水力壓裂增透技術(shù)、水力割縫增透技術(shù)、高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫增透技術(shù)。

根據(jù)李子埡煤礦南二井的實(shí)際情況選取水力壓裂作為煤層增透的技術(shù)措施。

3 ?水力壓裂實(shí)施方案

3.1 力壓裂鉆孔施工設(shè)計(jì)

在+405m南底板抽采巷向3202運(yùn)輸巷掘進(jìn)條帶施工水壓預(yù)裂鉆孔，壓裂孔開孔間距為60m，鉆孔方位為127°，鉆孔傾角為30°～49°，鉆孔設(shè)計(jì)終孔位置為3202運(yùn)輸巷巷道輪廓線上方5m處，共設(shè)計(jì)13個(gè)鉆孔，設(shè)計(jì)工程量249.1m。

項(xiàng)目實(shí)施時(shí)只選取4#至10#鉆孔施工和進(jìn)行高壓水壓預(yù)裂。

3.2 鉆孔封孔技術(shù)要求

（1）壓裂孔施工前，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定鉆孔位置。（2）鉆孔在施工至軟巖時(shí)，切換為壓風(fēng)排渣，防止軟巖遇水發(fā)脹塌孔。（3）將鉆孔施工至煤層，然后將見煤長度數(shù)據(jù)記錄清楚，并根據(jù)收集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備壓裂無縫鋼管的數(shù)量。煤層段必須上有篩孔的無縫鋼管，無縫鋼管組前端必須使用堵頭進(jìn)行封堵，防止煤矸堵塞無縫鋼管。（4）待穿過全煤層后，使用壓風(fēng)對(duì)鉆孔進(jìn)行再次清洗，將鉆孔內(nèi)和孔壁遺留的鉆渣清洗干凈，防止孔內(nèi)鉆渣影響鉆孔封孔效果。（5）凡是鉆孔深度超過25m的，必須分兩次注漿封孔，孔深在超過60m的鉆孔，必須分三次注漿封孔，以減少水泥收縮度的影響。（6）鉆孔封孔必須全巖段封孔，防止巖層裂隙影響壓裂效果。（7）鉆孔封孔后，必須留有20d養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

4 ?水力壓裂實(shí)施效果

4.1 抽采流量對(duì)比

根據(jù)抽采參數(shù)檢測(cè)結(jié)果顯示，實(shí)施了水力壓裂的鉆孔瓦斯抽采濃度和流量均呈上升趨勢(shì)，呈現(xiàn)穩(wěn)定的抽采曲線，其單孔控制面積為3600m2，單孔平均流量為0.1943m3/min左右，每平米瓦斯抽放流量略為0.054L/min，濃度在65%左右。而沒有實(shí)施水力壓裂的鉆孔單孔抽采標(biāo)準(zhǔn)純流量為0.0017m3/min～0.0020m3/min。即實(shí)施水力壓裂后單孔孔流量提高了97～115倍;單孔及支管路的抽采濃度分別由40%提高到65%，由38%提高50%以上;壓裂鉆孔抽采半徑超過30m，是現(xiàn)有抽放方式的10倍以上。

4.2 工程量對(duì)比

⑴水壓預(yù)裂施工的工程量。

①鉆孔個(gè)數(shù)：7個(gè);②鉆孔進(jìn)尺：185.7m;③鉆孔控制范圍：3202運(yùn)輸巷走向420m，斜長60m，控制面積25200m2，每萬平米控制面積鉆孔量僅為73.7m，考慮到回采區(qū)域核心部位鉆孔長度將大幅度增加，預(yù)計(jì)每萬平米控制面積鉆孔量為150m左右。

⑵現(xiàn)有方式施工穿層瓦斯抽采鉆孔的工程量。

該次施工水壓預(yù)裂鉆孔共計(jì)控制3202運(yùn)輸巷掘進(jìn)條帶420m，根據(jù)現(xiàn)有的區(qū)域防突措施，按4.4×5m（鉆場(chǎng)間距×鉆孔終孔間距）布置穿層鉆孔，該區(qū)段需施工約96個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)11個(gè)鉆孔，共計(jì)1056個(gè)鉆孔，預(yù)計(jì)每個(gè)鉆場(chǎng)約350m進(jìn)尺，預(yù)計(jì)總進(jìn)尺為33600m。

⑶工程量比較。

高壓水力預(yù)裂方式每萬平米控制面積鉆孔量為150m左右，現(xiàn)有抽采方式每萬平方米需要布置鉆孔量為14643m，兩者比較為1：98。

4.3 施工工期對(duì)比

控制走向420m，斜長60m，面積25200m2水力壓裂工期1.6個(gè)月;相同面積情況下現(xiàn)有抽放方式鉆孔施工工期為單臺(tái)9.3個(gè)月，兩臺(tái)4.7個(gè)月，兩者的工期對(duì)比為1∶5.8，前者單臺(tái)，后者兩臺(tái)鉆機(jī)期對(duì)比為1∶2.9。

4.4 施工費(fèi)用對(duì)比

本次高壓水壓預(yù)裂控制面積25200m2，材料費(fèi)用為50198元，人工費(fèi)用約為80000元，高壓水力裝備折舊費(fèi)用51507元，共計(jì)181705元，每萬平方米控制面積費(fèi)用為7.21萬元;如按現(xiàn)有方式施工穿層鉆孔，控制面積18900m2，其每米穿層鉆孔所需費(fèi)用約為52元（含人工費(fèi)用），即施工該區(qū)段需費(fèi)用約1747200元，每萬平方米其費(fèi)用92.44萬元，兩者費(fèi)用對(duì)比為1∶12.82，每萬平方米控制面積可節(jié)約85.23萬元，噸煤治災(zāi)（僅指鉆孔施工與封孔等工程費(fèi)用）費(fèi)用將由原來的28元下降至2.18元。

5 ?結(jié)語

⑴通過實(shí)施高壓水壓預(yù)裂，穿層單孔平均抽采純量由0.0017～0.002m3/min提高到0.1943m3/min，提高了97～115倍;單孔及支管路的抽采濃度分別由40%提高到65%，由38%提高到50%以上;壓裂鉆孔抽采半徑超過30m，是現(xiàn)有抽放方式的10倍以上，對(duì)于解決當(dāng)前抽放區(qū)域存在的盲區(qū)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

⑵通過高壓水力預(yù)裂，穿層鉆孔工程量大幅度減少，鉆孔工程施工與封孔等費(fèi)用由噸煤28元下降至2.18元。

⑶回采工作面抽放時(shí)間的成倍增長，使回采區(qū)域的安全保障度進(jìn)一步得到提高。

參考文獻(xiàn)

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