屯蘭煤礦水力壓裂增透技術(shù)研究

潘錦晶

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西 長(zhǎng)治 046000）

隨著煤炭開采強(qiáng)度的增大和逐步向深部延伸，煤層的瓦斯壓力及瓦斯含量隨煤礦開采深度增加呈線性增大，瓦斯治理難度也隨之增大，特別是松軟煤層，具有透氣性差、強(qiáng)度低和施鉆難以成孔等特點(diǎn)，屬于難抽煤層，導(dǎo)致本煤層瓦斯抽采時(shí)間過長(zhǎng)，效率過低，嚴(yán)重制約礦井生產(chǎn)接替。

屯蘭煤礦12511工作面主采的2#煤層普氏硬度f=1，為松軟煤層，煤層的原始瓦斯含量為9.21 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為3.44～7.37 m2/MPa2·d，透氣性差，瓦斯壓力1.5MPa。常規(guī)的抽采治理措施效果并不明顯，為解決瓦斯治理難題，研究提出在12511工作面底抽巷對(duì)松軟煤體進(jìn)行水力壓裂增透試驗(yàn)。

1 地質(zhì)概況

山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭煤礦位于山西省太原市古交市木瓜會(huì)村，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為400萬t/a，主采2#、3#、8#煤層，為煤與瓦斯突出礦井。12511工作面位于南五盤區(qū)左翼，東鄰12509工作面，兩工作面設(shè)有保護(hù)煤柱25m，西為12513工作面，南鄰?fù)恋販蠑鄬臃浪褐编從衔灞P區(qū)大巷。工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)1455 m，傾向?qū)?27.5 m。工作面開采2#煤層，煤層平均采厚1.57 m，傾角平均5°。2#煤與3#煤層間距小于5 m，兩層煤均具有突出危險(xiǎn)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為20 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為20 m3/t，瓦斯原始含量為9.21 m3/t，殘余瓦斯含量為5.71 m3/t，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤的自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層。

煤體瓦斯含量高，瓦斯壓力大，煤層透氣性差，為提高瓦斯治理效果，在12511工作面試驗(yàn)松軟煤層底抽巷條帶水力壓裂增透試驗(yàn)。根據(jù)松軟煤層微縫網(wǎng)循環(huán)延展塑性固化水力壓裂增透機(jī)理，通過煤礦井下專用高壓力、大流量注水泵，向煤層壓入高壓水，從而使煤層形成微縫網(wǎng)，打通瓦斯流動(dòng)通道，提高瓦斯抽采率，達(dá)到消突的目的。

2 水力壓裂增透試驗(yàn)

根據(jù)屯蘭煤礦12511工作面實(shí)際地質(zhì)條件及井下生產(chǎn)情況，選擇在12511工作面軌道順槽底抽巷進(jìn)行試驗(yàn)。底抽巷距離本次試驗(yàn)的目標(biāo)煤層垂直平均間距為26 m，分為兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)域，試驗(yàn)區(qū)域1為無穿層壓裂區(qū)域，試驗(yàn)區(qū)域2為穿層壓裂區(qū)域，如圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域鉆孔布置圖

工作面底抽巷試驗(yàn)區(qū)域1布置15個(gè)效果檢驗(yàn)抽采鉆孔，鉆孔間距為3 m，試驗(yàn)區(qū)域1為非壓裂區(qū)域；試驗(yàn)區(qū)域2布置1個(gè)壓裂鉆孔，壓裂結(jié)束后施工11個(gè)效果檢驗(yàn)抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采效果考察。壓裂孔Φ95 mm，終孔層位位于煤層頂板0.5 m處，具體參數(shù)見表1。

表1 壓裂鉆孔施工參數(shù)

2.1 煤體起裂壓力

煤體內(nèi)起裂壓力計(jì)算公式：

式中：Pk為煤體起裂壓力，MPa；σh為最小主應(yīng)力，MPa；σH為最大主應(yīng)力，MPa；σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；P0為孔隙壓力，MPa。

根據(jù)屯蘭煤礦地質(zhì)報(bào)告，該礦的地應(yīng)力場(chǎng)屬于水平應(yīng)力場(chǎng)，地應(yīng)力是以水平壓應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力為29.37 MPa，最小主應(yīng)力為17.2 MPa，煤體抗拉強(qiáng)度為1.3 MPa，煤體孔隙壓力為0.45 MPa。將數(shù)據(jù)代入可得煤體起裂壓力為23.08 MPa。

實(shí)際水力壓裂過程中，由于克服沿程阻力、位能、接頭漏水、管路變徑以及多處拐彎等因素影響，實(shí)際注水壓裂要大于煤體起裂壓力，將鉆孔最終注水壓力設(shè)計(jì)為30 MPa。

2.2 注水量計(jì)算

壓裂注水量主要跟壓裂半徑、壓裂孔徑、煤厚及孔隙率有關(guān)，根據(jù)需要壓裂的預(yù)定影響范圍及煤巖層影響體孔隙率計(jì)算出單孔壓裂壓入水量。壓裂注水量按下列式計(jì)算：

V=π（R-r）2Hφ（2）

式中：R為預(yù)計(jì)壓裂半徑，m；r為孔眼半徑，m；H為煤層厚度，m；φ為孔隙率，%。

本次設(shè)計(jì)壓裂半徑15 m，孔徑為94 mm，煤層平均厚1.57 m，煤層孔隙率為4.93%。將數(shù)據(jù)帶入上式計(jì)算得出水力壓裂每個(gè)鉆孔注水量為54.37 m3，實(shí)際按70～90 m3進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 水力壓裂試驗(yàn)

依據(jù)鉆孔布置方式以及布置參數(shù)進(jìn)行壓裂鉆孔施工，壓裂設(shè)備使用BYW315/55型煤礦井下壓裂泵。根據(jù)前述計(jì)算，泵注壓力在24～30 MPa之間波動(dòng)，注水量90 t左右時(shí)，停止水力壓裂，整個(gè)壓裂過程共持續(xù)6 h。壓力曲線如圖2。

圖2 壓裂孔壓裂過程中壓力曲線

由圖2可知，水力壓裂過程中的最高壓力值為30 MPa。壓裂曲線部分段表現(xiàn)為鋸齒狀，表明整個(gè)過程中產(chǎn)生了許多的微型裂縫，其將會(huì)增大煤層的透氣性。

3 水力壓裂效果分析

水力壓裂保壓以及排水結(jié)束后，分別在試驗(yàn)區(qū)域1和試驗(yàn)區(qū)域2按照鉆孔布置方式，施工試驗(yàn)區(qū)域1的15個(gè)效果檢驗(yàn)抽采孔，鉆孔間距為3 m×3 m；試驗(yàn)區(qū)域2施工11個(gè)效果檢驗(yàn)抽采孔，1個(gè)壓裂孔。

3.1 瓦斯含量分析

通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)域2施工效果檢驗(yàn)抽采孔對(duì)60 d單孔瓦斯抽采濃度及純量進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，并與未壓裂的試驗(yàn)區(qū)域1進(jìn)行效果檢驗(yàn)抽采鉆孔抽采數(shù)據(jù)作對(duì)比分析。

通過對(duì)檢驗(yàn)孔1#和2#鉆孔的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)域經(jīng)過水力壓裂后，距離壓裂孔50 m位置處煤層瓦斯含量提高了約1.5 m3/t，但壓裂孔40 m范圍內(nèi)煤層瓦斯含量降低了3.0 m3/t，可判定高壓水力壓裂影響范圍達(dá)到40 m。因此水力壓裂影響范圍內(nèi)由壓裂孔口向外煤層瓦斯含量升高，證明高壓水力壓裂對(duì)煤層瓦斯具有驅(qū)替作用。

3.2 抽采效果分析

將未水力壓裂試驗(yàn)區(qū)域1與水力壓裂區(qū)域2在60 d內(nèi)的抽采濃度和單孔抽采量進(jìn)行對(duì)比分析，選取試驗(yàn)區(qū)域1的7#和9#效果檢驗(yàn)抽采孔、試驗(yàn)區(qū)域2的2#和4#效果檢驗(yàn)抽采孔進(jìn)行抽采數(shù)據(jù)分析如圖3。

圖3 未壓裂試驗(yàn)區(qū)域1與壓裂試驗(yàn)區(qū)域2抽采效果對(duì)比

經(jīng)以上數(shù)據(jù)分析，接抽60 d內(nèi)，未進(jìn)行壓裂的試驗(yàn)區(qū)域1的效果檢驗(yàn)抽采孔7#和9#鉆孔瓦斯抽采平均濃度為3.2%、3%，經(jīng)過水力壓裂措施之后，試驗(yàn)區(qū)域2的效果檢驗(yàn)抽采孔2#和4#鉆孔瓦斯抽采平均濃度為26%、29%。水力壓裂措施后的瓦斯抽采濃度是原始區(qū)域煤層瓦斯抽采濃度的8.1倍、9.7倍。接抽60 d內(nèi)，經(jīng)過水力壓裂措施之后，試驗(yàn)區(qū)域2的效果檢驗(yàn)抽采孔2#和4#鉆孔瓦斯抽采平均抽采純量為0.018 5 m3/min、0.017 8 m3/min，而未進(jìn)行壓裂的試驗(yàn)區(qū)域1的效果檢驗(yàn)抽采孔7#和9#鉆孔瓦斯抽采純量平均僅為0.002 8m3/min、0.002 1 m3/min。水力壓裂后的單孔瓦斯抽采純量是未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域單孔瓦斯抽采純量的6.6倍、8.5倍，抽采效果提升明顯，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間大幅度縮短。壓裂區(qū)域煤巷掘進(jìn)速度為140 m/月，未壓裂區(qū)域煤巷掘進(jìn)速度為52 m/月，壓裂后掘進(jìn)速度提高2.69倍。

4 結(jié)語

通過對(duì)屯蘭煤礦12511工作面地質(zhì)情況分析，計(jì)算出煤體起裂壓力23.08 MPa，設(shè)計(jì)水力壓裂每個(gè)鉆孔注水量為54.37 m3，壓裂注水量范圍為70～90 m3。在該礦成功實(shí)施水力壓裂后，單孔瓦斯抽采濃度提高了約8～10倍，抽采純量提高了約6.5～8.5倍?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，水力壓裂技術(shù)能夠顯著提高煤層透氣性，增加瓦斯抽采量以及抽采效果，有效減少事故的發(fā)生和保障安全生產(chǎn)。