水力壓裂技術(shù)在煤礦井下瓦斯防治領(lǐng)域的應(yīng)用

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054）

當前國內(nèi)多數(shù)煤礦已經(jīng)進入到深部開采階段，相對于傳統(tǒng)淺部煤炭開采，出現(xiàn)了較大的變化，特別是深部煤炭資源變質(zhì)程度較高，瓦斯含量也更大，同時，隨著煤礦埋深的不斷增加，煤礦通風難度也在持續(xù)增加，進一步增加了煤礦瓦斯防治難度，因此，加強水力壓裂技術(shù)在礦井瓦斯防治中的應(yīng)用分析具有重要的意義。

1 水力壓裂技術(shù)在礦井瓦斯防治中的應(yīng)用原理及作用

1.1 應(yīng)用原理

水力壓裂技術(shù)就是以水為動力，將煤層內(nèi)裂隙暢通，從而方便瓦斯從煤層中排出。其注水系統(tǒng)如圖1 所示，在具體使用過程即通過鉆孔將高壓水壓入到煤層中，隨著注水壓力的增加，當壓入速度超過了煤層自然吸水能力時，由于流動阻力逐漸增加，進入到煤層內(nèi)部的液體壓力就會不斷升高，當超過了煤層上方巖石的壓力時，煤層內(nèi)部原本閉合的裂縫就會被貫通，從而形成全新的流通網(wǎng)絡(luò)，煤層整體的滲透壓力就會明顯增加[1]。煤層內(nèi)包括較多的原生裂隙，這些裂隙屬于各向異性，在高壓水的作用下，通常不會產(chǎn)生新裂隙，而是將這些原有的裂隙貫通，從而更好地進行瓦斯抽采。

1.2 主要作用

1.2.1 能夠有效降低煤體強度

將水體注入到煤體內(nèi)部后，煤體內(nèi)含水量將明顯增加，隨著煤體內(nèi)水分的增加，煤體整體的抗壓與抗拉能力將會逐漸下降，隨著這些參數(shù)的下降，在一定程度上也會降低煤炭資源開采的難度，煤炭資源的采出率也會明顯增加。

1.2.2 可取得較好的除塵效果

在水體進入到煤體內(nèi)部后，煤體內(nèi)部的含水量會明顯增加，煤炭資源的分散能力則會顯著下降，這樣煤炭粉塵的數(shù)量則會明顯下降，施工人員的施工環(huán)境會得到較好的改善，施工過程對于員工的身體帶來的負面影響會更低。

1.2.3 煤炭資源內(nèi)瓦斯壓力下降較為明顯

選擇使用水力壓裂技術(shù)后，煤體內(nèi)部的裂隙會有效貫通，瓦斯整體的流動性會增加較大，局部出現(xiàn)瓦斯壓力過大的情況明顯下降，瓦斯壓力在煤體內(nèi)部將呈現(xiàn)出均質(zhì)化，這對于煤炭資源的開采安全程度來講是非常有利的，由于瓦斯而導致的各種類型地質(zhì)災(zāi)害將會明顯降低。

1.2.4 有助于實現(xiàn)對地應(yīng)力的有效平衡

通過選擇使用水力壓裂技術(shù)，如果煤炭資源內(nèi)存在瓦斯突出的危險，該技術(shù)對于地應(yīng)力、瓦斯壓力降低作用是非常明顯的。

1.2.5 將瓦斯突出的危險性有效降低

通過向煤體內(nèi)注入一定量的水，對于基質(zhì)狀煤體內(nèi)瓦斯可以實現(xiàn)封閉處理，有效地改變瓦斯的實際狀態(tài)，在多數(shù)情況下，可以將瓦斯從吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，煤層內(nèi)殘留瓦斯量將增加，瓦斯的實際涌出量將明顯下降，從而有效地降低瓦斯突出的危險性。

圖1 注水系統(tǒng)布置圖

2 水力壓裂技術(shù)在礦井瓦斯防治領(lǐng)域中的具體應(yīng)用

煤礦生產(chǎn)能力為120 萬t/a，屬于突出礦井，通過現(xiàn)場實測，瓦斯壓力在3.6 MPa 左右，含量在20 m3/t 左右，煤層透氣性較差，瓦斯抽采難度較大。從該煤礦的生產(chǎn)實際來看，礦井突出較為嚴重，鉆孔噴孔率超過了1/3，從建井以來，瓦斯突出事故發(fā)生了多次。因此，結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際，擬選擇使用水力壓裂技術(shù)，實現(xiàn)對礦井瓦斯的有效防治。具體應(yīng)用情況如下所述。

2.1 水力壓裂鉆孔布置

結(jié)合煤礦開采實際，在煤礦21605 底抽巷2 號鉆場處施工了水力壓裂測試鉆孔。方位角設(shè)計為150°，使得巷道和壓裂鉆孔之間形成垂直關(guān)系，在具體布置時，每排共設(shè)置6 個鉆孔。

2.2 水力壓裂鉆孔封孔

在具體封孔時，選擇使用馬離散化學藥劑，并配合使用石膏與水泥，選擇使用機械的方式進行封孔，該次封孔的長度在16 m 左右。具體的施工方法為：在距離鉆孔孔口較近的位置，選擇使用馬麗散進行封裝，封裝的長度在1.6 m 左右，同時，根據(jù)鉆孔的實際長度，將所需的石膏、水泥的數(shù)量計算出來，最后使用專用的封孔機器將預(yù)先配置好的石膏水泥通過注漿管道全部注入鉆孔中，在封孔之后的1 d 內(nèi)，將煤氣觀測表安裝到指定的鉆孔位置，測量瓦斯的排出量。然后開始對水利壓裂測試鉆孔進行注水壓裂，在注水過程中，對注水情況進行嚴格的控制，特別是對于出現(xiàn)的滴水情況進行嚴格檢測，在出現(xiàn)了滴水情況后，根據(jù)現(xiàn)場情況，將注水壓力降低到7 MPa，然后將閘閥全部關(guān)閉，完成注水。從該次的注水情況來看，其最高的壓力在20 MPa，注水的時間在72 h 左右，注入水量在900 m3上下。但是在具體施工的過程中，出現(xiàn)了一定的供水不足的問題，導致注水過程出現(xiàn)了幾次中止的情況。

注水壓力和壓裂時間及注水量等參數(shù)有較為直接的關(guān)系。在注水的過程中，煤體隨著水壓力的增加，逐漸被壓裂破壞，各種類型的裂隙被貫通，水體在已經(jīng)完全的溝通裂隙中相互流動，注水量、注水壓力等參數(shù)也在持續(xù)變化。在注水穩(wěn)定一定時間后，隨著壓力的不斷下降，或者在檢驗孔附近的瓦斯?jié)舛仍诔掷m(xù)增加，這說明檢驗孔與壓裂孔之間已經(jīng)達到完全裂開的狀態(tài)，這時就能夠?qū)⑺猛Ｖ埂?/p>

2.3 水力壓裂效果

在對煤礦21605 工作面底板巷進行12 孔次水力壓裂作業(yè)，單次注水量控制在120 m3～220 m3，其注水壓力控制在18 MPa～35 MPa。在對4#鉆場實施水力壓裂后，距離其60 m 以外的0#鉆場其瓦斯抽采效果有明顯改善，抽采效率得到了大幅度提高，因此可知，水力壓裂的實施可以影響到60 m 以外的抽采孔。通過對水力壓裂作業(yè)實施前后的抽采數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后，通過表1 可知，水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中應(yīng)用可以有效提高瓦斯抽采的速率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速消突的目的，這對于高瓦斯礦井的有效治理具有安全高效的重大作用[3]。

表1 水力壓裂應(yīng)用前后瓦斯抽采量對比

3 提升礦井瓦斯防治領(lǐng)域的應(yīng)用效果與對策

3.1 加強對水力壓裂技術(shù)應(yīng)用人員的培訓

從當前水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯防治中的應(yīng)用情況來看，總體的應(yīng)用效果并沒有達到應(yīng)有的水平，導致這種情況出現(xiàn)的原因與水力壓裂技術(shù)實際應(yīng)用人員的總體技術(shù)水平偏低有較為直接的關(guān)系。因此，這就需要煤與瓦斯突出嚴重的企業(yè)，全面認識到水力壓裂技術(shù)對于瓦斯防治工作的重要性，從當前的瓦斯防治工作情況來看，采取針對性的措施，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用到具體的培訓中。同時，在培訓過程中，需要針對性地開展對水力壓裂技術(shù)的專項培訓，使用理論培訓和實踐培訓相結(jié)合的方式，全面提升培訓實效，特別是在理論培訓中，需要將當前應(yīng)用效果較好的座談會、專題匯報等應(yīng)用到具體培訓中。在實踐培訓過程中，應(yīng)該讓技術(shù)人員深入使用水力壓裂技術(shù)較好的煤炭生產(chǎn)一線，確保技術(shù)人員能夠掌握水力壓裂技術(shù)實際操控要點。

3.2 加大對水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研發(fā)力度

從當前水力壓裂技術(shù)應(yīng)用情況來看，這個技術(shù)在具體應(yīng)用過程中定性使用的問題較為明顯，并沒有從定量的角度對相關(guān)的環(huán)節(jié)進行把控，特別是對于具體的注水壓力、注水時間等方面多數(shù)情況下對于操作技術(shù)人員的經(jīng)驗等方面還有明顯的依賴，很多環(huán)節(jié)并沒有一個具體的公式供實際操作人員使用，影響了水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用效果[4]。

3.3 加大對水力壓裂技術(shù)相關(guān)技術(shù)裝備的研發(fā)應(yīng)用力度

結(jié)合水力壓裂技術(shù)實際應(yīng)用情況來看，水力壓裂技術(shù)裝備在實際使用的過程中，智能化、自動化程度相對偏低，操控人員的勞動強度相對偏大，因此，這就需要持續(xù)加大對技術(shù)裝備的研發(fā)和投入力度，更好地發(fā)揮出水力壓裂技術(shù)的實際應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

綜上所述，在煤礦瓦斯防治過程中，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用到其中對于提升瓦斯防治效果有明顯的作用。同時，從當前煤礦瓦斯防治工作開展實際來看，瓦斯防治工作還有較大的提升空間，因此，這就需要煤礦企業(yè)全面深入研究自身所面臨的瓦斯防治實際，充分結(jié)合煤礦瓦斯防治工作實際，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用到具體防治工作中，全面提升瓦斯防治工作實效。