基于礦井開采的水利壓裂治理技術(shù)研究

（云南省一九八煤田地質(zhì)勘探隊，云南 昆明 650000）

我國能源開采行業(yè)的開采條件十分艱苦，井下易燃?xì)怏w含量也很高，在工人的開采過程中，極其容易發(fā)生爆炸事故，嚴(yán)重影響工程的開采進(jìn)度，甚至?xí)砣藛T傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。與此同時，井下開采深度在不斷增大，開采范圍也越來越廣，礦層數(shù)量的增多不僅增加了礦層縫隙，對于開采工人的安全性也帶來一定的隱患，對于井下易燃?xì)怏w的治理，勢必要采取有效的方案和措施[1]。應(yīng)用水力壓裂技術(shù)能夠提高礦層的透氣性，降低易燃?xì)怏w含量，可起到預(yù)防事故的作用，提高我國礦山開采的安全性。

1 水力壓裂技術(shù)概述及原理

水力壓裂技術(shù)是井下開采隱患治理的常見技術(shù)之一，這項技術(shù)能夠有改善井下開采環(huán)境，降低易燃?xì)怏w的濃度，在開采過程中形成一個較為安全的環(huán)境，從而降低事故的發(fā)生概率。

這項技術(shù)主要是用于治理礦山開采中出現(xiàn)的爆炸事故，在煤礦的開采過程中，由于其深度的原因，會導(dǎo)整個開采環(huán)境相對閉塞，透氣性極差，這時候需要將氣體充分排出，以便于開采人員進(jìn)行作業(yè)，否則當(dāng)開采人員進(jìn)入到礦井中時，會吸入大量的有害氣體，導(dǎo)致中毒的情況，甚至?xí)鸨?。而水利壓裂技術(shù)則能夠?qū)π孤兜挠卸練怏w起到治理作用，夠降其含量，使得開采人員在進(jìn)行作業(yè)時得到安全的保障，減少安全事故的發(fā)生；其次，水力壓裂技術(shù)還能增加礦層的透氣性，在存有礦物質(zhì)的區(qū)域打孔，并在孔隙中注入含砂的液體，通過液體的流向滲透礦層，使整個礦層間形成縫隙，從而使整個開采環(huán)境起到流暢、透氣的作用，能夠有效預(yù)防中毒問題，現(xiàn)階段這項技術(shù)主要被運(yùn)用在原生態(tài)結(jié)構(gòu)礦區(qū)的安全隱患治理中。

不過在運(yùn)用這項技術(shù)時，有一點(diǎn)是需要特別注意的，在實際應(yīng)用時，要保證井下環(huán)境能夠滿足水力壓裂工作時的條件，需要嚴(yán)格按照礦山開采的設(shè)計方案來執(zhí)行；其次是要了解開采礦區(qū)的地質(zhì)情況，以及易燃?xì)怏w的濃度等等，確定其參數(shù)值等；最后是校驗應(yīng)用的質(zhì)量，保證易燃?xì)怏w的濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。符合以上條件時，再來應(yīng)用水力壓裂技術(shù)處理安全隱患問題。

2 水力壓裂技術(shù)在應(yīng)用中的重要性

2.1 對開采礦的礦層起到增透作用

在前面水力壓裂技術(shù)的原理中有提到，這項技術(shù)能夠增加礦層之間的縫隙，從而達(dá)到釋放有害氣體的效果，這便是水力壓裂技術(shù)的增透效應(yīng)，通過水力壓裂技術(shù)，確保礦層裂縫之間出現(xiàn)良好的增壓效果，并且能夠助于這些裂縫長度的延伸，讓整個開采環(huán)境的增透效應(yīng)達(dá)到顯著提升[2]。隨著礦山開采工作的不斷深入，對于開采深度也在隨之增加，而井下開采環(huán)境也開始越來越惡劣，井下的透氣性和易燃?xì)怏w的釋放問題成了現(xiàn)目前能源開采行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題，而水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用則能夠有效解決這樣的問題，使用該項技術(shù)將礦層之間的縫隙增加，從而對開采工程起到增透作用。

2.2 改善開采環(huán)境，降低事故發(fā)生

在礦山開采工程中應(yīng)用到水力壓裂技術(shù)，還能夠在一定程度上改善開采環(huán)境，降低安全事故的發(fā)生，其主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。第一，在礦井開采工作中，為了減少事故的發(fā)生，需要對礦層中的易燃?xì)怏w進(jìn)行封鎖，確保氣體不會溢出，這個時候原本吸附的易燃?xì)怏w會變成游離狀態(tài)，利用水力壓裂技術(shù)，能夠?qū)⒁兹細(xì)怏w進(jìn)行更好釋放，避免造成中毒的危害；第二，這項技術(shù)能夠在一定程度上改變礦層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，增加礦層的含水飽和度，有效降低礦層抗壓抗拉的強(qiáng)度，使開采難度下降的同時提升整體的安全和質(zhì)量；第三，井下開采環(huán)境中，易燃?xì)怏w和其他物質(zhì)會經(jīng)常處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在長久的積壓過程中，易燃?xì)怏w出現(xiàn)過于集中的情況則容易發(fā)生氣體大量涌出的情況，最終引起爆炸，而水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用，能夠使礦層中的易燃?xì)怏w含量壓力值降低；第四，水利開裂技術(shù)還能有效改善開采環(huán)境，起到抑制灰塵的作用，由于井下開采環(huán)境復(fù)雜且惡劣，對開采人員來說，受環(huán)境影響，也會導(dǎo)致工作效率的降低，并且在長期作業(yè)中，對身體健康也有一定的影響，而水力壓裂技術(shù)能夠?qū)Νh(huán)境中的灰塵起到抑制作用，有效改善開采環(huán)境，從而提升開采工作的安全與質(zhì)量[3]。

2.3 延長抽采時間，提高開采量

在礦層中，易燃?xì)怏w的分布常處于不均勻、不平衡的狀態(tài)，在相鄰的兩個礦層之間，易燃?xì)怏w的壓力也有所不同。在應(yīng)用水力壓裂技術(shù)之后，易燃?xì)怏w含量相比之前會有所減少，加上抽采孔也發(fā)生了一定的變化，原本需要花費(fèi)一周時間開采，經(jīng)過水力壓裂技術(shù)之后，時間可能會延長到一個月甚至更久，時間的延長增加了井下抽采量。同時，水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用增加了礦層之間的含水量和飽和度，為礦層的開采降低了難度，有效提高了其抽采量。

2.4 降低井下易燃?xì)怏w的壓力

井下的礦層之間原本是處于封閉的狀態(tài)，但運(yùn)用了水力壓裂技術(shù)之后，礦層之間則會產(chǎn)生風(fēng)縫隙，而縫隙之間又會起到相互連通的作用，這樣一來就增加了礦層之間氣體的流通，不僅疏散了礦層間的其他氣體，也降低了井下易燃?xì)怏w的壓力，從而使得易燃?xì)怏w壓力的分散變得更均衡，不僅利于開采人員作業(yè)，也保障了開采工作的安全性。

3 水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用步驟

3.1 水力壓裂技術(shù)支撐礦層裂縫

前面已經(jīng)提到了關(guān)于水力壓裂技術(shù)的工作原理，其原理在發(fā)生作用時，需要滿足必要的條件才能進(jìn)行作業(yè)。礦山開采中，高壓水需要砂子材料等多種混合液體進(jìn)入礦層縫隙，隨著多種混合液體的進(jìn)入，會使礦層中的縫隙更大，而液體在高壓作用下，進(jìn)入礦層裂縫后，砂子便會留在裂縫中，起到一定的支撐作用，在這個過程中，由于砂子支撐了縫隙，使得礦層避免縫合在一起，起到了良好的透氣性，易燃?xì)怏w通過這些縫隙，也可以均勻的排出，避免突然涌現(xiàn)的情況[4]。在開采過程中，由于外力條件的作用，也會產(chǎn)生裂縫，但是裂縫無法保證其安全性，所以需要利用水力壓裂技術(shù)來保證煤層透氣性，在高壓的條件下，通過打鉆的方式在礦層中注入高壓水，水體不斷進(jìn)入煤層中，在高壓的作用下，對礦層中的裂縫起到支撐作用，這樣一來，也保證了開采的安全性。

3.2 對水力壓裂技術(shù)進(jìn)行模擬實驗

在水力壓裂技術(shù)中，單井壓裂技術(shù)又是其中的核心所在，現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用到能源開采領(lǐng)域中，尤其是大型礦田，運(yùn)用單井壓裂技術(shù)能夠?qū)乱兹細(xì)怏w起到整體的治理作用，充分發(fā)揮出其技術(shù)效果[5]。在整體優(yōu)化的過程中，需要先對礦層進(jìn)行分割處理，使其他參數(shù)發(fā)生變化，在根據(jù)礦層縫隙的大小及倒流的參數(shù)合理實施水力壓裂技術(shù)。在進(jìn)行現(xiàn)場開采工作前，可以提前對高壓水進(jìn)入礦層的現(xiàn)象做一個模擬實驗，在模擬實驗中發(fā)現(xiàn)技術(shù)中不足的地方，并及時加以改善，從而有效提升水力壓裂技術(shù)在井下易燃?xì)怏w治理中的效果。

3.3 對開采礦進(jìn)行方位步井

在利用水力壓裂技術(shù)對井下易燃?xì)怏w進(jìn)行治理時，首先要對開采的礦井進(jìn)行一系列規(guī)劃，研究礦層水力縫隙之間的關(guān)系，明確該技術(shù)所針對的目標(biāo)，從而提治理的效果，這一操作在開采中也叫做方位步井。在進(jìn)行方位步井時，需要提前掌握現(xiàn)場的信息，布置好現(xiàn)場稀井網(wǎng)之后，分析易燃?xì)怏w在礦層中的應(yīng)力方向。以上步驟是因為礦層中所產(chǎn)生的裂縫方向變化很大，并且裂縫的大小不一，要想保證水力壓裂技術(shù)的治理效果，就需要根據(jù)實際的裂縫大小來設(shè)計方位步井，設(shè)計好之后確保水力縫隙與方位步井的關(guān)系，以保證壓裂技術(shù)達(dá)到更好的效果。

3.4 重復(fù)性水力壓裂技術(shù)

水力壓裂技術(shù)在對易燃?xì)怏w進(jìn)行治理時，還具有重復(fù)性這一特點(diǎn)，重復(fù)水力壓裂技術(shù)能夠使治理更有效，并且能提升治理的效率和質(zhì)量。在水力壓裂技術(shù)中，其選層選井的技術(shù)需要結(jié)合一定的邏輯理論來進(jìn)行綜合考量，重復(fù)性水力壓裂技術(shù)能夠在現(xiàn)場選擇礦層和礦井的模型，結(jié)合開采礦現(xiàn)場的情況進(jìn)行水力壓裂技術(shù)的實施方案，通過重復(fù)操作，能夠預(yù)測到礦井中應(yīng)力場的變化，并且能夠在模型中輸入多個礦山應(yīng)力場，預(yù)測出來的結(jié)果可以作為依據(jù)，設(shè)置出礦井的距離、水平主應(yīng)力差、水力壓裂時間等參數(shù)，然后根據(jù)其變化規(guī)律，安排水力壓裂技術(shù)，從變化規(guī)律的強(qiáng)度判斷，使用重復(fù)性水力壓裂技術(shù)來降低易燃?xì)怏w發(fā)生爆炸的風(fēng)險。

4 結(jié)語

礦井開采的安全問題一直以來是社會民眾關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來，礦山開采的事故頻發(fā)，除了塌方造成的人員傷亡之外，易燃?xì)怏w的泄露和爆炸也成了井下開采工作中的重大威脅，安全隱患問題沒有得到有效解決，對礦山開采帶來重大損失，在這種情況下，進(jìn)行水力壓裂技術(shù)的治理就顯得異常重要。