水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用

李陽 郭立穩(wěn) 張嘉勇

摘 要：水力壓裂技術(shù)改善了煤礦瓦斯治理的環(huán)境，平衡了瓦斯治理的過程。水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中起到了關(guān)鍵的作用，獲取了優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用效果，保障煤礦瓦斯治理的安全性。水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用越來越廣泛，全面提高煤礦瓦斯治理的效益。文章主要以煤礦瓦斯治理為研究項目，探討水力壓裂技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水力壓裂技術(shù)；煤礦；瓦斯；治理

中圖分類號：TD713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0174-02

Abstract： Hydraulic fracturing technology has improved the environment of coal mine gas treatment and balanced the process of gas treatment. Hydraulic fracturing technology plays a key role in the gas control of coal mine， obtains the high quality application effect， and ensures the safety of gas control in coal mine. Hydraulic fracturing technology is more and more widely used in coal mine gas treatment， which can improve the efficiency of coal mine gas treatment. This paper mainly discusses the practical application of hydraulic fracturing technology with coal mine gas treatment as the research project.

Keywords： hydraulic fracturing technology； coal mine； gas； control

我國煤礦開采的過程中煤層容易受到透氣性影響，當(dāng)煤礦煤層透氣性達(dá)不到理想效果時就會增加瓦斯的含量，導(dǎo)致煤礦開采過程中存在較高的安全風(fēng)險。煤層深度越大瓦斯含量越高，此時煤層開采的風(fēng)險也越高。為了降低煤礦開采中的瓦斯事故率，在煤礦開采中積極推行水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用，積極預(yù)防瓦斯事故，確保煤礦開采工作的順利進(jìn)行。

1 煤礦瓦斯治理中的水力壓裂技術(shù)分析

煤礦瓦斯治理中，水力壓裂技術(shù)是一類常見的技術(shù)方法。煤礦煤層開采期間應(yīng)該注重安全防護(hù)，專門治理煤礦開采過程中的瓦斯問題。水利壓裂技術(shù)用在透氣性差的煤層中，治理煤層中漏出的瓦斯，減少煤層瓦斯事故的發(fā)生機(jī)率。水力壓裂技術(shù)在治理煤層瓦斯的同時可以增加煤層開采的透氣性[1]。水力壓裂是煤層瓦斯治理中的常規(guī)方法，經(jīng)常用于原生態(tài)的煤層結(jié)構(gòu)中，主要以水力作為動力源，促使媒體裂縫之間能夠通暢。水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中，運(yùn)用高于地層濾失速率的排量，再加上高于地層破裂的實(shí)際壓力值，保障煤層開采時的每個級別弱面上都可以產(chǎn)生一定程度的流體壓力，完成煤層空間上的膨脹作用，同時促使煤層弱面具有繼續(xù)延伸、擴(kuò)展的條件，待煤層破裂出縫隙后就可以互相連通，縫隙轉(zhuǎn)化成貫通式的網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)化煤礦瓦斯儲層的同時，提高抽采井之間的連通性。煤礦瓦斯治理中如果選擇水力壓裂技術(shù)就要保證煤礦具有實(shí)施水力壓裂的條件，第一是具備達(dá)到壓力與排量標(biāo)準(zhǔn)的壓裂泵；第二規(guī)劃出水力壓裂的泵注程序；第三煤礦煤層中含有可用的封孔條件并配置封孔技術(shù)；第四水力壓裂技術(shù)具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩雷o(hù)措施。

2 水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的作用

2.1 減少瓦斯事故發(fā)生

瓦斯事故對煤層開采的影響非常大，也會影響煤礦作業(yè)人員的安全性。煤層中采用水力壓裂技術(shù)可以減少瓦斯事故的發(fā)生[2]。水力壓裂技術(shù)封閉了煤層中存儲的瓦斯，促使瓦斯能夠大量囤積在煤層中，把原本吸附態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化成了游離態(tài)，此時瓦斯不會涌出，而且在很大程度上會減少瓦斯的涌出量，有助于放散瓦斯。

2.2 提高煤礦煤層的透氣性

水力壓裂技術(shù)在煤層中可以制造出大量的裂縫，裂縫可以為煤礦煤層提供足夠的透氣性，保障煤礦瓦斯能夠有效散失，而不出現(xiàn)突然涌出的情況。

2.3 改變煤體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度

水力壓裂技術(shù)改變了媒體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在水力壓裂技術(shù)處理完成后增加了煤層中含水飽和度，有效降低了煤層單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，簡化了煤層開采的難度，同時保障煤層開采的安全性。

2.4 輔助平衡地應(yīng)力

煤礦瓦斯治理時水力壓裂技術(shù)可以加強(qiáng)煤層結(jié)構(gòu)的地應(yīng)力場，促使煤層結(jié)構(gòu)達(dá)到一定程度的平衡狀態(tài)，避免某個煤層結(jié)構(gòu)位置出現(xiàn)應(yīng)力過大的情況，平衡地應(yīng)力在預(yù)防瓦斯突出方面有著較高的作用力。

2.5 降低瓦斯作用壓力

煤層內(nèi)的瓦斯經(jīng)常會表現(xiàn)出不均勻的分布狀態(tài)，導(dǎo)致不同煤層之間瓦斯含量差異明顯，瓦斯過度集中時涌出的機(jī)率較大危險性也越高，瓦斯能量會在煤層中形成爆炸，誘發(fā)安全事故。水力壓裂技術(shù)作用下的裂縫促使煤層中的瓦斯從高壓區(qū)傳向低壓區(qū)，具有降低瓦斯作用壓力的條件。

2.6 降塵

水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的降塵作用，其可抑制煤礦開采時的揚(yáng)塵操作，最大程度的營造安全的開采環(huán)境。煤礦開采的過程中巷道內(nèi)有煤灰會危害周圍的環(huán)境，嚴(yán)重時還會威脅工作人員的健康，水力壓裂技術(shù)改善了煤礦開采的環(huán)境，一方面預(yù)防瓦斯爆炸，另一方面提高環(huán)境的優(yōu)質(zhì)性，表明水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的作用。

3 水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用

根據(jù)水利壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的發(fā)展，分析水利壓裂技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，具體分析如下：

（1）原理分析。水力壓裂技術(shù)治理煤礦瓦斯時需要使用高壓水，高壓水中要混合大量的砂子材料，形成混合液體后灌入到煤層縫隙內(nèi)，促使煤層產(chǎn)生更大的裂縫，混合液進(jìn)入到空隙后，砂子會遺留到孔隙內(nèi)，砂子具有支撐的作用，支撐煤層縫隙的過程中防止縫隙重新閉合到一起，提升煤礦的透氣性能，促使瓦斯能夠快速從煤層中抽離。煤礦開采的過程中會產(chǎn)生大量的裂縫，考慮到地質(zhì)以及煤層地質(zhì)的變化影響，不同煤礦煤層的通暢性有著明顯的差異，此時就要采用水力壓裂技術(shù)來提升煤層的透氣性，輔助瓦斯抽離。水力壓力技術(shù)在煤礦瓦斯治理中采用打鉆的方法向煤層中注入高壓水，高壓作用下水體可以深入流進(jìn)到煤層地質(zhì)中，高壓作用越大水力壓力越大，煤層內(nèi)部就會在水力作用下形成較大的支撐。（2）整體優(yōu)化。水力壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)核心是單井壓裂技術(shù)，在我國很多個煤礦瓦斯治理中已經(jīng)落實(shí)了水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用，由此是大型煤礦油田。水力壓裂技術(shù)的整體優(yōu)化作用非常明顯，確保此項技術(shù)在整個煤礦中能夠發(fā)揮出優(yōu)質(zhì)的作用[3]。水力壓裂技術(shù)整體優(yōu)化時，需要把煤層分割成若干個單位，覆蓋煤層開采過程中的所有參數(shù)，在此基礎(chǔ)上觀察煤層縫隙的指標(biāo)變化，如長度指標(biāo)、深度指標(biāo)等，按照煤層縫隙的尺寸和導(dǎo)流參數(shù)設(shè)計水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用。水力壓裂技術(shù)整體優(yōu)化時要在煤礦瓦斯治理的現(xiàn)場安排研究工作，致力于站在整體優(yōu)化的角度上完善水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用。水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場可以采用裂縫模擬、試井研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等方法，提高水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的效果。（3）方位布井。煤礦瓦斯治理時的水力壓裂技術(shù)需要采用方位布井的方法，此類方法比整體優(yōu)化的技術(shù)效益高，兩種技術(shù)存在相似的原理。水力壓裂技術(shù)中方位布井的應(yīng)用比較注重井網(wǎng)的規(guī)劃，提前設(shè)計好就地流體的方向同時研究煤層之間水力縫隙的關(guān)系，挖掘煤層水力縫隙的牽制，最主要的是明確水力壓裂技術(shù)的實(shí)施目標(biāo)，以便提高瓦斯治理的效果。方位布井中首先要合理采集煤層信息，為瓦斯治理提供合理的水力壓裂技術(shù)條件，現(xiàn)場布置好稀井網(wǎng)之后接下來要分析瓦斯儲層的地應(yīng)力場，重點(diǎn)分析瓦斯儲層的最大主應(yīng)力方向。因?yàn)槊簩涌p隙的方向變化比較大，所以很容易影響水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的效果，必須以煤層瓦斯縫隙的實(shí)際情況設(shè)計水力壓裂技術(shù)的方位布井，掌握水力縫隙與方位布井之間的關(guān)系，保障水力縫隙與方位布井關(guān)系匹配后才能實(shí)現(xiàn)水力壓裂技術(shù)對煤礦瓦斯的治理效果。（4）水力壓裂。水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中需要采用重復(fù)性的技術(shù)方法，保障煤礦瓦斯治理的有效性。針對煤礦瓦斯治理中的水力壓裂技術(shù)提出重復(fù)性操作的要求，如：a. 水力壓裂技術(shù)中的選層選井技術(shù)，需要按照模糊邏輯理論進(jìn)行綜合考慮，安排重復(fù)性的水力壓裂技術(shù)實(shí)施，可以在煤礦現(xiàn)場安排選層選井模型，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況制定出水力壓裂技術(shù)的實(shí)施方案；b. 重復(fù)使用水力壓裂技術(shù)時要預(yù)測地應(yīng)力場變化，一般情況下可以使用模型研究，模型中可以輸入多個煤礦的地應(yīng)力場變化，預(yù)測出準(zhǔn)確的結(jié)果后明確就地應(yīng)力場中的礦井間距、水力壓裂時間以及原水平主應(yīng)力差等，當(dāng)就地應(yīng)力方向有明顯的變化規(guī)律時而且變化越來越明顯就可以安排重復(fù)性的水力壓裂技術(shù)，治理煤礦縫隙中的瓦斯風(fēng)險。

4 水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用案例

水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的作用明顯，而且水力壓裂技術(shù)成為煤礦瓦斯治理時的一項重要技術(shù)。本文主要以案例的方式分析水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的有效應(yīng)用。（1）項目背景。該煤礦結(jié)構(gòu)中煤資源的含量比較多，同時瓦斯?jié)舛纫脖容^高，屬于典型的煤與瓦斯突出的案例。該案例中煤層堅固系數(shù)的范圍是0.15～0.30，前期檢測發(fā)現(xiàn)煤層透氣性比較差，無法達(dá)到安全的標(biāo)準(zhǔn)，采用了傳統(tǒng)的瓦斯抽放方法也沒有解決瓦斯的風(fēng)險問題，該案例改用水力壓裂技術(shù)，先從某個巷道的工作面上安排水力壓裂技術(shù)，確保水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中有明顯的效果后再推行到整個煤礦中。（2）技術(shù)實(shí)施。該案例在底板巷中安排了重復(fù)性水力壓裂技術(shù)12次，水力壓裂作業(yè)時每次注入的水量均在100～230m3之間，壓力范圍是17～35MPa，經(jīng)過水力壓裂技術(shù)的處理后改善了瓦斯抽采的現(xiàn)狀，從根本上提高了瓦斯抽采率。（3）技術(shù)效益。水力壓裂技術(shù)實(shí)施前，煤礦單孔瓦斯的濃度是4.5C，壓裂以后的單孔瓦斯?jié)舛仁?6.1C，提高了21.4倍，單孔瓦斯流量在壓裂以前是0.005m3/min，壓裂后是0.076m3/min，提高了15.2倍，壓裂之前抽采瓦斯總量是238.8，壓裂之后是1405.5，提高了5.9倍。

5 結(jié)束語

水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用范圍逐漸拓寬，再加上煤礦開采的規(guī)模越來越大，水力壓裂技術(shù)表現(xiàn)出了重要的作用，專門解決煤礦瓦斯中的安全問題，減少礦難的發(fā)生機(jī)率。煤礦作業(yè)的安全性是比較重要的，尤其是瓦斯治理中，由此一定要落實(shí)水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用，防止發(fā)生安全問題。

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