水力壓裂技術在煤礦井下瓦斯防治領域的應用

毛新華

(山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030006)

水力壓裂技術最先應用于石油工業(yè)，后又被引入煤礦井下瓦斯防治領域?，F(xiàn)階段，隨著國內煤礦挖掘深度平均水平的增長，深部開采已經(jīng)逐漸成為新的趨勢。這種趨勢存在兩方面明顯的變化：一方面，井下通風難度增加；另一方面，深部煤炭資源具有較高的變質可能性，瓦斯防治難度逐漸增加。

1 水力壓裂技術防治煤礦瓦斯的基本原理

1.1 傳統(tǒng)壓裂技術防治原理

由于甲烷(CH4)是瓦斯的主要成分，一般的地質環(huán)境下，難溶于水。因此，瓦斯有可能被高壓液體擠壓出煤層縫隙[1]。在高壓的驅動下，水箱中的水被壓入煤層，將煤層內裂隙暢通，并擠占原瓦斯所在空間(圖1)。

圖1 設備及管路連接示意圖

煤層上方一般由巖石覆蓋，在內部存在各項異性的原生縫隙。煤層上方的巖石受到自下而上的液體壓力作用。隨著壓力的持續(xù)增加，煤層原本閉合的裂縫發(fā)生形變，整體的滲透壓力顯著上升，最終貫通閉合的裂縫，并形成全新的瓦斯流通網(wǎng)絡[2]?；诖耍瑥亩鴮崿F(xiàn)水力壓裂技術防治煤礦瓦斯的基本原理(見圖2)。

圖2 注水系統(tǒng)布置圖

1.2 重復壓裂技術防治原理

傳統(tǒng)的水利壓裂技術屬于一次壓裂。對于特殊煤層來說，一次壓裂效果不一定理想，也可以采取重復壓裂的方式進行，具體工作流程如圖3所示。

圖3 重復水力壓裂工藝流程圖

在對特殊煤層的處理過程中，將一定劑量的表面活性劑、阻燃劑添加到水箱中，并隨同壓裂液壓入壓裂孔[3]。這樣的工作方式可以提高壓裂效果。

2 水力壓裂技術防治煤礦瓦斯的實際生產價值

2.1 有利于降低瓦斯爆炸風險

在一般情況下，瓦斯往往處于吸附狀態(tài)。吸附于煤層的瓦斯往往是產生礦難的根源之一。隨著高壓水的注入，吸附于煤層的瓦斯轉變?yōu)橛坞x狀態(tài)。對于基質狀煤體內瓦斯有利于實現(xiàn)封閉處理。與此同時，隨著瓦斯實際涌出量的下降，瓦斯爆炸風險得到有效控制。

2.2 有利于開采過程中的除塵

由于水分的增加，煤體自身黏合的物理性能得到優(yōu)化，原煤以粉塵形態(tài)分散能力相對減弱。這樣開采過程中煤炭產生粉塵的程度得到優(yōu)化。隨著粉塵程度的優(yōu)化，礦工的工作環(huán)境也同時得到了改善。

2.3 有利于煤炭資源的開采

將高壓水注入井下原煤縫隙，一方面在液體的擠壓下煤體的抗拉和抗壓物理參數(shù)性能發(fā)生了變化[4]。這些物理參數(shù)性能的變低有利于原煤的開采；另一方面，由于大量水分的注入，煤體含水量增加。這也有利于煤炭資源開采，提高采出率。

2.4 有利于降低地質災害的產生

在水力壓裂技術的輔助下，貫通后的煤體內部裂縫使得瓦斯的流動性得到了加強，同時地應力也得到了平衡，煤體均質化特征顯著提升，顯著降低了因局部瓦斯壓力過大導致的地質災害發(fā)生的概率。

2.5 案例企業(yè)基本技術條件分析

在本文案例中，X企業(yè)的HM礦井開采能力為120萬t/a。依據(jù)此參數(shù)可以看出，HM礦井為突出礦井。在實際的工作中，測得的HM礦井瓦斯壓力基本在3.0 MPa～3.9 MPa，且HM礦井瓦斯的含量大約在20 m3/t。鉆孔噴孔率較高，約33%。自正式項目上馬以來，HM礦井發(fā)生過多起瓦斯突出生產事故。

3 水力壓裂技術實現(xiàn)瓦斯防治的實驗分析

3.1 水力壓裂鉆孔布置

結合本案例，本課題將實驗布置于煤礦21426底抽巷2號鉆場?；静贾脜?shù)如表1。

表1 水力壓裂鉆孔布置參數(shù)

3.2 水力壓裂鉆孔封孔

水力壓裂鉆孔封孔的具體的施工方法為：

第一步，封裝。本案例中采用馬麗散進行鉆孔封裝。封裝的長度一般保持在1.6 m左右；

第二步，計算材料用量。計算1.6 m鉆孔所需的馬麗散、石膏、水泥等的用量；

第三步，封孔。機械的方式封孔是封孔過程中較為常見的方案。封孔時應用專用的封孔器(圖2)。將馬麗散化學藥劑、石膏與水泥等按照一定比例注入專用的封孔器；

第四步，觀測與測量瓦斯排出量。應用煤氣觀測表等儀器，在封孔之后的1 d內，測量瓦斯的排出量。

第五步，水力壓裂測試。精準控制注水環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生滴水問題，要依據(jù)實際情況作出相應的注水壓力值的調整。在本文案例的測試事故反映預案中，如果出現(xiàn)滴水問題，測試人員應將注水壓力降低到7 MPa，并關閉所有閘閥(具體數(shù)據(jù)如表2所示)。

需要說明的是，水泵停止的選擇時機是有要求的。在檢驗孔附近，當瓦斯?jié)舛仍诔掷m(xù)增加時，檢驗孔與壓裂孔之間已經(jīng)貫通，需要將水泵停止。

表2 水力壓裂鉆孔注水參數(shù)

3.3 水力壓裂鉆孔封孔注意事項

一是供水不足。在水力壓裂技術實現(xiàn)瓦斯防治的實驗過程中，最容易產生的問題之一就是：供水不足。產生此類問題的原因有很多，對實際的地質條件估計不足；注水壓力設計不合理；壓裂時間過長；注水量參數(shù)設置不合理等。

二是參數(shù)動態(tài)變化。隨著裂隙的貫通，注入的水可能會在裂隙中流動,導致注水量、注水壓力、壓裂時間等參數(shù)持續(xù)發(fā)生變化。

3.4 水力壓裂效果

在對X企業(yè)的HM礦井3#鉆場工作面底板巷進行水力壓裂作業(yè)，同時觀測距離其60 m的1#鉆場。設計的注水參數(shù)如表3所示。

表3 水力壓裂單次注水相關參數(shù)

通過此次實驗，1#鉆場在壓裂前單孔瓦斯?jié)舛?、單孔瓦斯流量、抽采瓦斯總量分別為：8.0%、0.006 m3/min、241.4 m3。1#鉆場在壓裂后單孔瓦斯?jié)舛?、單孔瓦斯流量、抽采瓦斯總量分別為：49.7%、0.069 m3/min、1 536.1 m3。由此可知，距離HM礦井3#鉆場60 m以外的1#鉆場，瓦斯抽采抽采效率比以往有了顯著改善。

4 增強礦井瓦斯防治水平的解決對策

4.1 加大技術研發(fā)力度

從當前水力壓裂技術應用情況來看，這個技術在具體應用過程中定性使用的問題較為明顯，并沒有從定量的角度對相關的環(huán)節(jié)進行把控，特別是對于具體的注水壓力、注水時間等方面多數(shù)情況下對于操作技術人員的經(jīng)驗等方面還有明顯的依賴，很多環(huán)節(jié)并沒有一個具體的公式供實際操作人員使用，影響了水力壓裂技術的應用效果。

4.2 增強人員應用能力

技術應用水平的高低不能簡單地歸結于先進的設備和優(yōu)秀的理論，同時還需要有高素質的操作人員。為了更好地應用水力壓裂技術實現(xiàn)瓦斯防治，需要不斷培養(yǎng)熟練操作此項技術的人員，使其熟練掌握水力壓裂技術理論的同時，在培訓中不斷培養(yǎng)期實操能力，使其準確掌握水力壓裂技術實現(xiàn)瓦斯防治的實操要點。

4.3 強化新裝備的研發(fā)

應用力度結合水力壓裂技術實際應用情況來看，水力壓裂技術裝備在實際使用的過程中，智能化、自動化程度相對偏低，操控人員的勞動強度相對偏大，因此，這就需要持續(xù)加大對技術裝備的研發(fā)和投入力度，更好地發(fā)揮出水力壓裂技術的實際應用效果。

5 結語

煤礦瓦斯防治是一項不可或缺的安全生產工作，需要常抓不懈。借助先進的水力壓裂技術可以提升瓦斯防治工作的優(yōu)化空間，可以為瓦斯防治工作帶來實效。