高瓦斯低透氣性煤層水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用研究

黨磊

（霍州煤電集團(tuán) 騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

0 引 言

隨著礦井采掘深度的不斷增加，煤層的開采逐步向著埋藏較深、賦存復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移。瓦斯是煤層中含有的災(zāi)害性氣體，瓦斯抽采不合理或抽采不完全會(huì)影響礦井的安全生產(chǎn)。鑒于煤層低滲透性、高瓦斯和瓦斯壓力大等造成瓦斯極難自由排出，因此提出水力壓裂增透技術(shù)，水力壓裂增透技術(shù)是對(duì)煤層進(jìn)行壓裂，提升瓦斯抽采效果。本文以騰暉礦2-202 工作面為研究對(duì)象，研究低滲透煤層水力壓裂瓦斯抽采規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)低滲透煤層瓦斯抽采提供一定的指導(dǎo)及借鑒[1-2]。

1 礦井概況

騰暉礦位于山西鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)店溝村，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力120 萬t。根據(jù)該礦的實(shí)際地質(zhì)情況，選定二采區(qū)2-202 工作面的皮帶巷和行人巷作為此次水力壓裂的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。皮帶巷主要用于采區(qū)的通風(fēng)和運(yùn)輸?shù)龋锏李A(yù)計(jì)服務(wù)年限11 a。該巷煤層為山西組中下部2 號(hào)煤，煤層厚度5.23 ～7.06 m，煤層平均厚度為5.93 m。煤層頂?shù)装宓膸r性主要為細(xì)砂巖和砂巖，煤層底板標(biāo)高為+471—+440 m，水力壓裂實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的埋深為480 m。

2 水力壓裂增透技術(shù)原理

水力壓裂增透技術(shù)是在地應(yīng)力的加載下，將高壓水注入至低滲透煤層，在高壓水的作用下，煤層出現(xiàn)壓裂裂縫，裂縫起裂后根據(jù)地應(yīng)力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改變煤層力學(xué)特性。壓裂后的煤層人工裂隙發(fā)育較好，達(dá)到瓦斯增透效果[3]。

3 水力壓裂鉆孔布置及封孔

水力壓裂系統(tǒng)主要由注液泵、壓力表、封孔器及水箱等組成，煤層水力壓裂系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 煤層水力壓裂系統(tǒng)示意Fig.1 Hydraulic fracturing system of coal seam

在進(jìn)行水力壓裂前對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行測試孔的瓦斯抽采實(shí)驗(yàn)，預(yù)先打好測試孔，隨后將測試孔進(jìn)行封堵，抽采瓦斯并記錄抽采數(shù)據(jù)。完成測試孔的抽采后進(jìn)行壓裂孔1 的壓裂，打好鉆孔后對(duì)壓裂孔1 封堵壓裂，壓裂完成后進(jìn)行瓦斯抽采，記錄瓦斯抽采數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與測試孔抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，重復(fù)上述步驟進(jìn)行壓裂孔2 的施工與抽采，記錄數(shù)據(jù)[4]。壓裂孔水力壓裂過程如下。

在進(jìn)行鉆孔施工后對(duì)鉆孔進(jìn)行高壓注水。在進(jìn)行注高壓水前需要對(duì)初始階段的水壓進(jìn)行設(shè)置，給定水壓后打開注水泵進(jìn)行壓裂，壓裂過程中安排人員監(jiān)測壓力表的數(shù)據(jù)并記錄。緩慢提升注液壓力，將注液壓力控制在1 ～10 MPa，直至注液壓力達(dá)到煤層的破裂壓力，當(dāng)水壓保持穩(wěn)定后，關(guān)閉注水泵，卸壓壓裂完成[5]。

壓裂鉆孔的施工需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把控，封堵效果較差極易造成壓裂效果不佳。為了保證鉆孔的質(zhì)量，在鉆孔過程中，保證鉆機(jī)的穩(wěn)定性，壓裂鉆孔1 打在距離36 采區(qū)皮帶巷30 m 的位置，鉆孔2 布置在采區(qū)行人巷15 m 的方位，測試鉆孔1 位于壓裂鉆孔1 左側(cè)位置，距離15 m，鉆孔的埋深均為80 m，鉆孔直徑為113 mm，開孔的高度為1.6 m，鉆孔的方位角為90°，鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 壓裂鉆孔布置Fig.2 Layout of fracturing drilling holes

4 試驗(yàn)效果分析

在進(jìn)行壓裂時(shí)對(duì)測試鉆孔進(jìn)行監(jiān)測，水力壓裂過程需要對(duì)瓦斯流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，每個(gè)工作日監(jiān)測3 次，共監(jiān)測14 d。在壓裂完成后對(duì)每個(gè)壓裂鉆孔打2 個(gè)鉆孔監(jiān)測孔，進(jìn)行瓦斯流量監(jiān)測[6]。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測孔、壓裂孔及測試孔的瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.3 Gas concentration change curves of monitoring hole,cracking hole and test hole

由圖3 可以看出，在整個(gè)監(jiān)測過程中（14 d），測試孔的瓦斯?jié)舛让黠@高于水力壓裂鉆孔瓦斯?jié)舛?。測試孔的濃度由于未經(jīng)過水力壓裂增透，使得其瓦斯?jié)舛却笾路植荚?0%～60%。在監(jiān)測的前4 d，瓦斯?jié)舛雀哂?0%，而在4 d 之后瓦斯?jié)舛纫话闾幱?0%附近。觀察觀測孔的瓦斯?jié)舛群靠梢钥闯觯? 個(gè)觀測孔的瓦斯?jié)舛纫恢狈植荚?0%附近，且隨著監(jiān)測時(shí)間的增加瓦斯的濃度幾乎不發(fā)生變化。觀察水力壓裂鉆孔可以看出，在監(jiān)測4 d 前瓦斯?jié)舛瓤焖傧陆?，下降的趨勢較為明顯，在進(jìn)行瓦斯抽采過后瓦斯?jié)舛认陆抵?0%左右，低于測試孔的瓦斯?jié)舛?，這是由于在經(jīng)過水力壓裂后，煤層內(nèi)部發(fā)育眾多人工裂縫，巷道內(nèi)部的空氣與煤層的接觸面積增大，此時(shí)鉆孔內(nèi)部的瓦斯?jié)舛葧?huì)低于測試孔的瓦斯?jié)舛?。同時(shí)無論水力壓裂鉆孔、測試孔或者觀測孔的瓦斯?jié)舛入S著測試時(shí)間的增長逐步呈現(xiàn)下降的趨勢，這是由于隨著瓦斯與巷道空氣的接觸時(shí)間的增大，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)下降的趨勢，在監(jiān)測5 d 前瓦斯?jié)舛瓤焖傧陆?，在瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測8 d 后瓦斯?jié)舛鹊南陆第厔轀p緩后保持穩(wěn)定。所以水力壓裂增透技術(shù)可以較好的提升瓦斯抽采效果。同時(shí)觀察壓裂鉆孔與測試鉆孔瓦斯?jié)舛冗_(dá)到平穩(wěn)的時(shí)間?？梢钥闯?，經(jīng)過水力壓裂增透技術(shù)后，鉆孔內(nèi)部瓦斯?jié)舛认陆邓俣让黠@增大，降低了瓦斯抽采的天數(shù)[7]。

對(duì)測試孔、水力壓裂鉆孔及觀察孔內(nèi)瓦斯流量進(jìn)行監(jiān)測，隨著監(jiān)測時(shí)間的增大監(jiān)測孔、壓裂孔及測試孔的瓦斯流量逐步降低，在整個(gè)瓦斯流量監(jiān)測過程中，監(jiān)測孔的流量最低，這是由于未經(jīng)過水力壓裂增透鉆孔內(nèi)部瓦斯的抽采效果較差，只有少量瓦斯被抽采出。觀測鉆孔內(nèi)部的瓦斯流量與觀測鉆孔距離水力壓裂鉆孔的距離有關(guān)，當(dāng)距離壓裂鉆孔越近，觀測孔內(nèi)瓦斯流量越大，可以看出水力壓裂增透技術(shù)可以有效的提升鉆孔瓦斯流量，增加瓦斯的抽采效果[8-9]。同時(shí)觀察各個(gè)鉆孔，無論測試孔還是壓裂鉆孔，鉆孔內(nèi)部的瓦斯流量呈現(xiàn)快速下降的趨勢，下降的趨勢類似于指數(shù)函數(shù)變化趨勢，在監(jiān)測第5 d 內(nèi)，鉆孔內(nèi)部的瓦斯流量快速下降，當(dāng)抽采時(shí)間達(dá)到5 d 時(shí)，此時(shí)鉆孔內(nèi)部的瓦斯流量區(qū)域穩(wěn)定，瓦斯流量幾乎保持不變。所以鉆孔水力壓裂后，通過瓦斯抽排，降低了煤層瓦斯含量，可以在一定程度上降低或消除突出隱患。同時(shí)經(jīng)過水力壓裂，由于煤層中含水量增加，在一定程度上降低了采掘工作面的粉塵，改善了工作面環(huán)境[10]。

5 結(jié) 論

（1） 增大了瓦斯抽采流量，大幅提高了煤層透氣性和鉆孔瓦斯抽采效果，縮短了抽采周期。

（2） 鉆孔水力壓裂后，通過瓦斯抽排，降低了其影響范圍內(nèi)的煤層瓦斯含量、瓦斯壓力，改變了煤體內(nèi)部應(yīng)力分布，可以在一定程度上降低或消除突出隱患。壓裂后煤體內(nèi)水分增加，可以降低采掘過程中的煤塵產(chǎn)生量，改善井下作業(yè)環(huán)境。