突出煤層地面直井壓裂抽采瓦斯技術(shù)探析

曹 陽(yáng)

（陽(yáng)泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

煤與瓦斯突出問(wèn)題是制約我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的技術(shù)難題，在我國(guó)諸多存在煤與瓦斯突出隱患的區(qū)域內(nèi)，以陽(yáng)泉礦區(qū)為顯著代表。陽(yáng)泉礦區(qū)是我國(guó)煤與瓦斯突出嚴(yán)重地區(qū)，礦區(qū)范圍煤層質(zhì)地松軟，透氣性差，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，噸煤瓦斯平均含量在15～25 m3/t 之間，個(gè)別區(qū)域甚至高達(dá)45 m3/t，平均瓦斯壓力在2～4 MPa 之間，是典型的高瓦斯、低滲透、難抽采煤層，煤與瓦斯嚴(yán)重突出問(wèn)題已成為影響該礦區(qū)快速掘進(jìn)以及安全生產(chǎn)的重大問(wèn)題。多年以來(lái)，陽(yáng)煤礦區(qū)一直致力于礦井瓦斯抽排科研技術(shù)攻關(guān)，提出通過(guò)施工密集鉆孔、水力切縫、水力沖孔、深孔松動(dòng)爆破等多項(xiàng)技術(shù)工藝控制煤與瓦斯突出現(xiàn)象，在一定程度上降低了瓦斯突出事故的頻率與強(qiáng)度，但未能從根本上遏制瓦斯突出的發(fā)生。特別是隨著煤層開(kāi)采程度的增加，傳統(tǒng)技術(shù)工藝弊端日顯，難以滿足礦區(qū)安全開(kāi)采的需求[1-3]。因此，探索科學(xué)、具有針對(duì)性的煤層增透消突技術(shù)，提高礦井開(kāi)采效率與安全系數(shù)，是當(dāng)前陽(yáng)泉礦區(qū)煤礦安全生產(chǎn)工作的重中之重。

1 工程概況

陽(yáng)煤新景礦位于山西省陽(yáng)泉境內(nèi)，井田煤層屬石炭-二疊紀(jì)含煤地層，煤層分布范圍較廣，厚度穩(wěn)定，區(qū)域可采煤組為太原組、山西組，地層總厚度約為177.2 m，可采煤層共16 層，總厚度為15.86 m，其中，山西組平均總厚度為62.55 m，含煤總厚度為4.53 m，太原組總厚度為114.65 m，含煤總厚度為11.07 m。井田區(qū)域3#、15#煤為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，8#、9#煤為大部分可采的較穩(wěn)定煤層，6#、8上#、12#、13#煤為局部可采的不穩(wěn)定煤層，其余均為極不穩(wěn)定的不可采煤層。新景礦井田總體呈一走向北西、傾向南西的區(qū)域性單斜構(gòu)造，次級(jí)構(gòu)造以波幅不大的褶皺為主，巖溶陷落柱較為發(fā)育。井田含煤巖系宏觀巖性組合以偏塑性為主導(dǎo)，斷層不發(fā)育，主要以落差小于5 m 的層間小斷層為主，陽(yáng)煤新景礦3#煤層煤化程度偏高，透氣性差，瓦斯壓力大，噸煤瓦斯平均含量≧15 m3/t，最大高達(dá)22.74 m3/t，煤層破裂壓力為13.07 MPa，閉合壓力為12.68 MPa，屬典型的高瓦斯、低滲透、難抽采煤層。

2 地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯技術(shù)

地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯立體防突技術(shù)體系主要由地面直井、壓裂區(qū)與水平定向鉆孔三部分構(gòu)成。其中，壓裂區(qū)是聯(lián)結(jié)地面直井與水平定向鉆孔的“橋梁樞紐”[4]，通過(guò)地面立井對(duì)目標(biāo)煤層進(jìn)行氣相壓裂處理，從而在煤層中形成一定范圍的壓裂破碎區(qū)，令壓裂產(chǎn)生的裂隙與水平打設(shè)的定向鉆孔相互貫通，形成一個(gè)有效的瓦斯釋放體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯氣體的整體抽排[5]。礦井地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯立體防突體系如圖1。

圖1 礦井地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯立體防突體系圖

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地面立井采用二級(jí)井身結(jié)構(gòu)，其中，一開(kāi)選用規(guī)格為Φ311.1 mm 的鑲齒鉆頭，同時(shí)配備鋼級(jí)為J55、規(guī)格為Φ244.5 mm×8.94 mm 套管作為表層套管，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度為42 m，鉆進(jìn)至第四系風(fēng)化層以下5 m 左右，固井水泥返至地面；二開(kāi)選用規(guī)格為Φ215.9 mm 的鑲齒鉆頭，同時(shí)配備鋼級(jí)為J55、規(guī)格為Φ139.7 mm×7.72 mm 套管，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度為480 m，鉆至3#煤層頂部位置時(shí)，將低固相或無(wú)固相鉆井液體換做清水繼續(xù)對(duì)目標(biāo)煤層鉆進(jìn)至3#煤層底板以下35 m 位置處，固井水泥返至地面。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意如圖2。

表1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖2 井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 壓裂施工

地面立井固井施工完成后，采用水力壓裂法對(duì)鉆井進(jìn)行壓裂試驗(yàn)，通過(guò)活性水循環(huán)主壓車，令循環(huán)液返回至大罐，地面高壓管井及口試壓50 MPa，測(cè)試穩(wěn)壓3 min，施工作業(yè)限壓45 MPa。

鉆井壓裂設(shè)計(jì)施工參數(shù)見(jiàn)表2。射孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 鉆井壓裂設(shè)計(jì)施工參數(shù)表

表3 射孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.3 井下水平鉆孔施工

為確保陽(yáng)煤新景礦地面直井壓裂形成的裂隙能夠與水平鉆孔有效貫通，保證瓦斯抽采效率，擬在井下施工氣相壓裂鉆孔與定向鉆孔。計(jì)劃選用80 m循環(huán)雙孔對(duì)目標(biāo)煤層進(jìn)行壓裂，即沿煤巖體掘進(jìn)巷道前方施工2 個(gè)壓裂鉆孔與9 個(gè)瓦斯定向抽采鉆孔，分別編號(hào)為1#～11#。其中，2#、4#鉆孔為壓裂鉆孔，其余鉆孔為輔助抽采鉆孔。鉆孔參數(shù)及氣相壓裂參數(shù)見(jiàn)表4，鉆孔布置示意如圖3。面安全施工。

表4 新景礦鉆孔及氣相壓裂鉆孔參數(shù)表

圖3 鉆孔布置示意圖

表5 新景礦采掘情況、瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)表

3 實(shí)踐效果

在陽(yáng)煤新景礦實(shí)施地面直井與井下定向鉆孔抽采瓦斯綜合技術(shù)期間，對(duì)2019 年12 月9 日—2019年12 月26 日為期18 d 的采掘情況、瓦斯涌出量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，考察情況見(jiàn)表5。

新景礦采用傳統(tǒng)瓦斯抽放技術(shù)工藝期間，工作面日均進(jìn)尺3.42 m，單頭月進(jìn)尺45.74 m。施工地面直井與井下定向鉆孔抽采瓦斯綜合技術(shù)期間，工作面日均進(jìn)尺5.81 m，實(shí)現(xiàn)單頭月進(jìn)尺平均123.5 m，較之于傳統(tǒng)工藝，進(jìn)尺效率提高近1.7 倍。割煤期間，煤頭平均絕對(duì)瓦斯涌出量為2.30 m3/min，回風(fēng)平均相對(duì)瓦斯涌出量為1.51 m3/t，各地點(diǎn)各循環(huán)抽采期間各項(xiàng)抽采參數(shù)均有所升高，總體抽采期間的單孔平均濃度為44.12%，全部并網(wǎng)后平均抽采純量為0.490 m3/min，日均抽采量705.71 m3，瓦斯抽放取得了良好效果。

為檢測(cè)施工工藝對(duì)礦井瓦斯治理效果，新景礦巷道掘進(jìn)期間，對(duì)工作面前方共進(jìn)行了963 次鉆屑解吸指標(biāo)K1 值測(cè)定，得到14 445 個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)。其中，鉆屑解吸指標(biāo)K1 值＞0.4 的次數(shù)有23 次，K1 值超標(biāo)率為2.39%，未出現(xiàn)明顯的突出動(dòng)力現(xiàn)象。整體上，降低了工作面突出危險(xiǎn)性，有效地確保了掘進(jìn)工作

4 結(jié)語(yǔ)

為解決陽(yáng)煤新景礦區(qū)構(gòu)造區(qū)瓦斯治理難題，消除瓦斯突出危險(xiǎn)隱患，提高施工安全性，提出地面直井與井下鉆孔抽采瓦斯綜合立體防突治理技術(shù)。通過(guò)在地面建立立井，利用水力壓裂煤層的方法，對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行壓裂預(yù)抽，同時(shí)對(duì)復(fù)雜構(gòu)造帶以外的煤層進(jìn)行打設(shè)鉆孔，通過(guò)氣相壓裂的方式對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，從而形成井上、下立體綜合防突技術(shù)體系。實(shí)踐表明，該技術(shù)工藝能夠有效提高施工效率與安全，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域瓦斯積聚的有效治理。