水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用研究

易國(guó)晶（貴州盤(pán)江精煤股份有限公司，貴州 六盤(pán)水553000）

我國(guó)煤炭資源豐富，但是大多數(shù)礦產(chǎn)深埋于地底，開(kāi)采條件復(fù)雜且艱苦，常伴隨著斷層、瓦斯等災(zāi)害，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大，開(kāi)采事故頻發(fā)。當(dāng)前，煤礦開(kāi)采事故已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，為了保障開(kāi)采人員的安全，打造一個(gè)安全的作業(yè)環(huán)境，煤礦開(kāi)采單位應(yīng)做好煤礦作業(yè)安全防護(hù)措施，引進(jìn)現(xiàn)代化煤礦安全防護(hù)技術(shù)，比如說(shuō)針對(duì)瓦斯這一高危因素，可引進(jìn)水力壓裂技術(shù)，提升不同煤層間的透氣性，令瓦斯壓力與地應(yīng)力達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)變煤礦整體強(qiáng)度，獲取滿(mǎn)意的瓦斯治理效果，創(chuàng)造安全、穩(wěn)定煤礦作業(yè)環(huán)境。

1 水力壓裂技術(shù)概述

在我國(guó)，煤礦所處的位置通常都在地下幾十米乃至幾百米，這些區(qū)域透氣性極差，瓦斯無(wú)法有效排除，如若在瓦斯沒(méi)有充分排放干凈的情況下，作業(yè)人員進(jìn)入礦井中，將發(fā)生瓦斯中毒問(wèn)題，而且，瓦斯是易燃易爆炸氣體，在有氧條件下達(dá)到燃點(diǎn)將引起爆炸。瓦斯治理一直是煤礦作業(yè)安全管理的重要內(nèi)容，當(dāng)前，常用的瓦斯治理技術(shù)多種多樣，而水力壓裂技術(shù)正是其中一種。

水力壓裂技術(shù)是一種新型瓦斯治理技術(shù)，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，如若探測(cè)到開(kāi)采區(qū)域瓦斯?jié)舛容^高，可以在作業(yè)區(qū)域內(nèi)打孔，并將混有沙子的高壓水等液體注入孔隙內(nèi)，加壓直至孔隙破裂，液體會(huì)自然地向煤層孔隙滲透流動(dòng)，高壓水中的沙子會(huì)填充到孔隙中，在煤層間構(gòu)建一個(gè)孔隙網(wǎng)絡(luò)，這樣煤層的透氣性有效提升，瓦斯也能夠沿著孔隙網(wǎng)絡(luò)向外排出[1]。不過(guò)，要想使用這一技術(shù)，首先得知道煤礦開(kāi)采區(qū)域的地質(zhì)情況，測(cè)定區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛?，從而?jì)算出壓泵壓力、排量等技術(shù)參數(shù)，制定科學(xué)合理的瓦斯治理方案，加以貫徹落實(shí)，事后檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，確保瓦斯含量下降到安全范圍后，方可開(kāi)采。

在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐后，水力壓裂技術(shù)的瓦斯治理效果得到了驗(yàn)證，具體來(lái)說(shuō)，其技術(shù)作用在于：①提升煤層透氣性，加快瓦斯消散速率。應(yīng)用水力壓裂技術(shù)后，不透氣的煤層中會(huì)出現(xiàn)大量裂縫、孔隙，與外界空氣聯(lián)通，煤層透氣性提升，而且，瓦斯還能夠從這些細(xì)小的裂隙中滲出，相較于突發(fā)性的大量瓦斯排放，其安全性更高；②改變煤層的強(qiáng)度。在水力壓裂技術(shù)作用下，煤層含水飽和度提升，整體煤礦的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，煤層之間的抗拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度降低，開(kāi)采起來(lái)更為簡(jiǎn)單，煤礦作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)也明顯下降；③降低瓦斯作用力。由于煤層之間透氣性較差，瓦斯無(wú)法在煤層間流通，不同煤層間瓦斯含量存在巨大差異，開(kāi)采時(shí)，如若不同煤層間突然連通，將導(dǎo)致高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域瓦斯大量涌出，影響到煤層穩(wěn)定性，甚至引發(fā)瓦斯爆炸事故，風(fēng)險(xiǎn)極高，而水力壓裂技術(shù)制造了一個(gè)大型孔隙網(wǎng)絡(luò)，在煤礦之間、煤礦與外界之間制造了大量的細(xì)微通道，讓瓦斯能從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域少量多次流動(dòng)，降低了瓦斯作用力，切實(shí)保障了煤層的穩(wěn)定性與開(kāi)采作業(yè)的安全性；④降塵作用。煤礦作業(yè)中揚(yáng)塵問(wèn)題普遍而嚴(yán)重，應(yīng)用水力壓裂技術(shù)后，煤體含水量提升，揚(yáng)塵減少，能夠有效降低塵肺病的發(fā)生，同時(shí)規(guī)避煤礦開(kāi)采對(duì)于外界環(huán)境造成的不利影響，效益顯著[2]。

2 水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用分析

在應(yīng)用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行煤礦瓦斯治理前，首先應(yīng)該進(jìn)行全面細(xì)致的地質(zhì)勘測(cè)，調(diào)查目標(biāo)區(qū)域地質(zhì)情況，應(yīng)用紅外氣體吸收型檢測(cè)儀器測(cè)定瓦斯?jié)舛龋缓?，再?yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行水力壓裂數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，確定壓裂參數(shù)，為技術(shù)方案制定提供參考信息。

2.1 選取技術(shù)設(shè)備

以某煤礦工程項(xiàng)目為例，由于采空區(qū)抽采管可調(diào)控裝置在使用過(guò)程中，若抽采負(fù)壓較大、抽采管內(nèi)積水時(shí)，會(huì)將翻板吸上來(lái)堵住抽采管，影響抽采效果，導(dǎo)致工作面瓦斯增加；與此同時(shí)，采空區(qū)抽采管可調(diào)控裝置雖然操作方便，但體積加大，配件較多，安裝期間沒(méi)有以前留管三通便捷。為了使這些不足之處得到有效處理，并提高煤礦瓦斯治理效果，白擬有必要選擇合理科學(xué)的技術(shù)設(shè)備，比如水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用，便具備一定的參考價(jià)值。

在煤礦瓦斯治理中，應(yīng)用水力壓裂技術(shù)，需要用到的技術(shù)設(shè)備有高壓壓裂系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制水箱、電控柜、封隔器、孔口錨固器等，前三者是最為重要的，需根據(jù)技術(shù)要求精心挑選，通常情況下，高壓壓裂系統(tǒng)會(huì)選用高壓壓裂泵，這一裝置能夠讓壓裂液、支撐劑等在高壓作用下深入煤層，形成孔隙，管路系統(tǒng)通常會(huì)選用無(wú)縫鋼管及耐壓膠管，發(fā)揮傳輸作用，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)則由計(jì)算機(jī)、顯示器、采集設(shè)備等組成，能夠?qū)⑷祟?lèi)無(wú)法看到的井下現(xiàn)場(chǎng)壓裂過(guò)程顯示在顯示屏上，實(shí)現(xiàn)對(duì)于技術(shù)應(yīng)用過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

2.2 布置壓裂孔

在煤層地質(zhì)勘測(cè)工作中，會(huì)獲取煤層位、物理性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等信息，在選取了技術(shù)設(shè)備后，即可開(kāi)始布置壓裂孔。在確定壓裂孔布置方案時(shí)，首先應(yīng)該根據(jù)煤層結(jié)構(gòu)，及預(yù)設(shè)的壓裂位置，來(lái)確定鉆孔深度，然后再結(jié)合煤礦井下巷道布置圖及當(dāng)前采掘進(jìn)度，確定合理的鉆孔位置，原則上，鉆孔位置越靠近電源暢通、材料充足、運(yùn)輸方便的位置越方便操作。

2.3 制備壓裂液與封孔材料

壓裂液是由多種添加劑按照一定比例配制而成的非均質(zhì)不穩(wěn)定混合物，在應(yīng)用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行煤礦瓦斯治理時(shí)所用的工作液。在實(shí)踐中，一般會(huì)將陶?；蚴⑸芭c水按照一定比例混合制成攜沙劑，完成壓裂，當(dāng)壓裂液注入壓裂孔后，需進(jìn)行封孔處理，以防跑漿、竄漿或漏漿。封孔是決定水力壓裂成功與否的關(guān)鍵性操作，一般來(lái)說(shuō)，會(huì)使用水泥輔以一定量膨脹劑、減水劑制成封孔材料，其余兩端會(huì)應(yīng)用到聚氨酯等材料。

2.4 實(shí)施注漿及封孔

在制備好壓裂液與封孔材料后，即可開(kāi)始施工，采取分段式注漿方法，按照孔深，以1：2：3的比例將其分為三段，第一段以30L/min的速度注漿，注漿量為1/6，注漿壓力為3MPa，凝膠時(shí)間為1min；第二段以50L/min的速度注漿，注漿量為1/3，注漿壓力為2.5MPa，凝膠時(shí)間為1.5min，注漿后灌入膨脹水泥；第三段以100L/min的速度注漿，注漿量為1/2，注漿壓力為2MPa，凝膠時(shí)間為3min，注漿結(jié)束后用聚氨酯封頂[4]。

2.5 檢驗(yàn)壓裂效果

壓裂作業(yè)完成后，觀測(cè)壓裂效果，用便攜式紅外線(xiàn)光譜氣體分析儀探測(cè)各點(diǎn)瓦斯?jié)舛?，探測(cè)其是否下降到瓦斯?jié)舛葒?guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，排查安全隱患，做好設(shè)備工作記錄。

3 結(jié)語(yǔ)

煤礦按照埋藏位置分為淺部煤礦和深部煤礦兩種，前者接近地表，可露天開(kāi)采，而后者深埋地下，需地下開(kāi)采，我國(guó)大部分礦產(chǎn)都是深部煤礦，開(kāi)采量大，但是其風(fēng)險(xiǎn)較高，煤礦安全事故頻發(fā)，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。在煤礦作業(yè)中，威脅最大的，莫過(guò)于瓦斯，如何高效合理的抽取、排放瓦斯，是保障煤礦開(kāi)采安全的關(guān)鍵，水力壓裂技術(shù)是一種安全可靠的煤礦瓦斯治理技術(shù)，能夠破壞煤層封閉性，提升瓦斯流動(dòng)性，安全排放瓦斯，在煤礦作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。