低滲透煤層掘進(jìn)工作面氣相壓裂技術(shù)應(yīng)用研究

靳儉強(qiáng)

（潞安集團(tuán)常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102）

瓦斯作為煤礦井下五大災(zāi)害之一，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)有著十分重要的影響[1-3]。隨著煤炭資源逐漸轉(zhuǎn)向深部開采，瓦斯問題也變得尤為突出。治理瓦斯的常用技術(shù)為瓦斯抽采，而在滲透性較低的煤層，抽采難度大，效率低。氣相壓裂具有壓裂范圍大、工藝簡(jiǎn)單、效果顯著等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)越來(lái)越多的應(yīng)用于煤礦井下[4-5]。

1 工程概況

該礦地面整體地勢(shì)北東高，南西低，地面標(biāo)高865～957m，8406掘進(jìn)工作面標(biāo)高380～450m。開采15#煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，一般含矸2～4層，巖性為泥巖，煤巖類型為半亮型～光亮型。該煤層滲透性差，瓦斯含量高，掘進(jìn)過程中具有突出危險(xiǎn)。

2 氣相壓裂抽采增透技術(shù)方案及優(yōu)化

2.1 氣相壓裂技術(shù)基本原理

氣相壓裂技術(shù)是治理井下瓦斯問題的有效技術(shù)之一，它是利用液態(tài)的CO2在加熱條件下瞬間膨脹為高壓（壓力高達(dá)250MPa）氣體的特性，對(duì)煤層做功，使煤層產(chǎn)生裂隙，實(shí)現(xiàn)煤層增透，提高煤層瓦斯抽采效率。與傳統(tǒng)技術(shù)相比其主要特點(diǎn)為：氣相壓裂技術(shù)易形成擴(kuò)散狀的裂縫，影響范圍較大；氣相壓裂屬于干式壓裂，不會(huì)污染煤儲(chǔ)層；能量可控，不需要大型壓裂設(shè)備和其他輔助設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，施工作業(yè)方便，工期較短；氣相壓裂的壓力上升時(shí)間在毫秒級(jí)，能量可以準(zhǔn)確控制，壓力峰值處于炸藥爆破技術(shù)和水力壓裂技術(shù)中間，易形成多條擴(kuò)散狀復(fù)雜的裂縫網(wǎng)。氣相壓裂裂隙擴(kuò)展模型如圖1所示。

圖1 煤層內(nèi)深孔氣相壓裂裂隙擴(kuò)展模型

2.2 回采面氣相壓裂抽采增透技術(shù)方案

為消除8406掘進(jìn)工作面的瓦斯危害，在8406掘進(jìn)工作面選擇250m處作為氣相壓裂施工區(qū)域布置鉆孔。每隔5m布置一個(gè)壓裂鉆孔，每?jī)蓚€(gè)壓裂孔中間為兩個(gè)本煤層條帶預(yù)抽鉆孔，預(yù)抽鉆孔水平間距為2.5m，與壓裂孔間距為1.25m。10個(gè)抽采孔為一組抽采單元，壓裂區(qū)所在抽采單元從第14組到目前第5組，每組約15個(gè)抽采孔（含壓裂孔）。壓裂鉆孔參數(shù)見表1，鉆孔方案設(shè)計(jì)見圖2、圖3。

表1 8406掘進(jìn)工作面氣相壓裂參數(shù)

（1）壓裂鉆孔參數(shù)

① 鉆孔編號(hào)：壓裂孔1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47、49；

② 鉆孔直徑：Φ113mm；

③ 鉆孔深度：100～120m；

④ 壓裂孔方位：方位角沿巷道回采工作面方向，傾角：根據(jù)工作面煤層傾向確定；

⑤ 壓裂管：25～40 根 /孔；

⑥ 壓裂時(shí)封孔器封孔深度：20m；

⑦ 壓裂段：20～100m。

（2）抽采鉆孔參數(shù)

① 鉆孔編號(hào)：2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50；

② 鉆孔直徑：Φ113mm；

③ 抽采鉆孔角度：根據(jù)工作面煤層傾向確定；

④ 抽采鉆孔兩堵一注膨脹水泥封孔長(zhǎng)度15～18m，全程下篩管，如果由于客觀原因，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)封孔深度，效果考察時(shí)不予考察。

圖2 8406掘進(jìn)工作面布孔方式圖

2.3 回采面抽采方案優(yōu)化

為對(duì)抽采鉆孔間距進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更為經(jīng)濟(jì)有效的抽采技術(shù)參數(shù)，對(duì)8406掘進(jìn)工作面采用氣相壓裂技術(shù)后抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，選擇更合適的抽采鉆孔間距，詳情如下：

6m區(qū)域內(nèi)：壓裂孔最大濃度31.2%，平均濃度12.1%，平均百米抽放量131.7m3/d，日均抽放量100.5m3；測(cè)試孔最大濃度44.3%，平均濃度18.4%，平均百米抽放量19.2m3/d，日均抽放量23.7m3。

圖3 8406掘進(jìn)工作面氣相壓裂方案

9m區(qū)域內(nèi)：壓裂孔最大濃度36.8%，平均濃度29.3%，平均百米抽放量112.2m3/d，日均抽放量90.2m3；測(cè)試孔最大濃度38.7%，平均濃度22.7%，平均百米抽放量42.7m3/d，日均抽放量58.37m3。

12m區(qū)域由于擴(kuò)幫造成鉆孔全部損壞。選取可用的有效數(shù)據(jù)分析可知，壓裂孔濃度14.3%，平均濃度7.8%，平均百米抽放量87.9m3/d，日均抽放量140.7m3；測(cè)試孔濃度6%，平均百米抽放量48.2m3/d，日均抽放量62.5m3。

表2 不同區(qū)域預(yù)裂鉆孔抽采效果

表3 不同區(qū)域測(cè)試鉆孔抽采效果

三個(gè)不同間距的壓裂區(qū)域內(nèi)鉆孔百米抽放量分別為 131.7m3/d、112.2m3/d、87.9m3/d，所以確定6m間距壓裂為最佳方案，即選定在8406掘進(jìn)工作面布置間隔為6m的氣相壓裂鉆孔，輔助進(jìn)行抽采。

3 抽采效果考察

為分析氣相壓裂技術(shù)在8406掘進(jìn)工作面的應(yīng)用效果，對(duì)8406掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采流量進(jìn)行測(cè)試。本次測(cè)試流量每組抽采孔每隔一個(gè)小時(shí)測(cè)試一次，每組抽采孔共測(cè)試三次取平均值，測(cè)試結(jié)果見表4、表5、表6。由表可以看出，壓裂區(qū)段單孔平均抽采量是非壓裂區(qū)段的1.6倍，單組平均流量是非壓裂區(qū)段的1.75倍，看出壓裂后區(qū)域的整體抽采數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，其中單孔平均流量在0.0176m3/min，較非壓裂區(qū)段提高了247%，壓裂區(qū)域單組鉆孔瓦斯平均純流量為0.196m3/min，較非壓裂區(qū)段提高了220%。

表4 壓裂區(qū)域抽采單元

4 結(jié)論

（1）根據(jù)8406掘進(jìn)工作面地質(zhì)情況對(duì)壓裂鉆孔參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，每隔5m布置一個(gè)壓裂鉆孔，每?jī)蓚€(gè)壓裂孔中間為兩個(gè)本煤層條帶預(yù)抽鉆孔；對(duì)抽采鉆孔間距進(jìn)行了優(yōu)化分析，選取6m間距壓裂為最佳方案，即為在工作面布置間隔為6m的氣相壓裂鉆孔，輔助進(jìn)行抽采。

（2）對(duì)8406掘進(jìn)工作面瓦斯抽采流量進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，壓裂區(qū)段不管是并網(wǎng)后單組鉆孔瓦斯抽采流量還是單孔流量均較非壓裂段有較大幅度的提高。

表5 非壓裂區(qū)域抽采單元

表6 流量對(duì)比