屯蘭礦12501工作面地面壓裂對(duì)井下煤層瓦斯抽采影響分析

徐 斌

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048204)

1 前言

煤炭開采受到瓦斯災(zāi)害影響較為顯著，瓦斯抽采是治理瓦斯災(zāi)害的主要技術(shù)措施，但鉆孔在松軟、高瓦斯壓力煤層中施工時(shí)存在塌孔以及噴孔嚴(yán)重等問題，從而在一定程度上制約影響瓦斯治理效果[1-3]。增透是提高瓦斯抽采效果的重要手段之一，現(xiàn)常用的增透技術(shù)有水力壓裂、水力割縫、CO2壓裂等，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)受到鉆孔施工、作業(yè)空間等因素限制，增透效率較低且存在有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。地面壓裂是增加煤層透氣性的一個(gè)有效技術(shù)措施，為此文中對(duì)屯蘭礦12501工作面地面壓裂效果進(jìn)行分析，以期能更好的提升地面壓裂應(yīng)用。

2 工程概況

12501工作面埋深為339～508 m，走向長(zhǎng)1 736～1 767 m、傾斜長(zhǎng)196 m，開采的2#煤層與上覆3#煤層、下覆4#煤層層間距分別為3 m、13 m。2#煤層傾角3°，厚度4.43 m，具體瓦斯賦存參數(shù)見表1。12501工作面為Y型通風(fēng)，總風(fēng)量3 200 m3/min(膠帶巷、軌道巷配風(fēng)量分別為2 400 m3/min、800 m3/min)。

表1 瓦斯賦存參數(shù)

3 地面壓裂鉆井布置

3.1 壓裂鉆井結(jié)構(gòu)

壓裂鉆井與軌道巷、切眼、膠帶巷間距分別為130 m、240 m、69 m，鉆孔井深480 m，深入到4#煤層底板下方10 m位置；套管下端與2#煤層頂板相距0.6 m，具體鉆井結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆井結(jié)構(gòu)圖

地面鉆井壓裂時(shí)用水作為壓裂介質(zhì)，在壓裂過程中添加一定量石英砂作為支撐劑。地面鉆井壓裂壓力設(shè)定為35 MPa，注入的壓入水、石英砂量共計(jì)458.2 m3。

3.2 壓裂范圍預(yù)測(cè)分析

采用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)壓裂后縫隙擴(kuò)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以壓裂井為中心布置6個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站。當(dāng)煤層中產(chǎn)生裂隙時(shí)會(huì)伴隨有微震產(chǎn)生，通過監(jiān)測(cè)微震震源即可掌握擴(kuò)展形態(tài)。通過微震監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制得到地面壓裂后煤層內(nèi)縫隙擴(kuò)展范圍，具體如圖2所示。

圖2 壓裂影響區(qū)預(yù)測(cè)范圍

從圖2看出，壓裂影響區(qū)大致為以鉆孔為中心的橢圓，其中長(zhǎng)、短半軸長(zhǎng)度分別約為50 m、20 m。主裂縫方向與最大主應(yīng)力方向基本一致。

4 工作面瓦斯抽采效果分析

待地面壓裂完成后，在壓裂區(qū)域內(nèi)布置本煤層瓦斯抽采鉆孔對(duì)瓦斯抽采，同時(shí)對(duì)壓裂后煤層透氣性變化、瓦斯涌出量等進(jìn)行分析，從而研究地面壓裂對(duì)井下瓦斯抽采影響[6-7]。

4.1 煤層透氣性

布置測(cè)點(diǎn)對(duì)地面壓裂影響范圍內(nèi)、外煤層透氣性進(jìn)行測(cè)定，各布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體測(cè)定結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓裂影響區(qū)內(nèi)、外煤層透氣性測(cè)定結(jié)果

從圖3可以看出，壓裂后煤層透氣性顯著增加，壓裂影響區(qū)內(nèi)煤層透氣性系數(shù)均值為3.68 m2/MPa2·d，透氣性系數(shù)增幅度達(dá)到227.2%；壓裂影響區(qū)內(nèi)、外測(cè)點(diǎn)中透氣性系數(shù)超過3.0 m2/MPa2·d比例分別為50%、20%，壓裂影響區(qū)內(nèi)煤層透氣性得以有效提升。

4.2 本煤層瓦斯抽采效果

在軌道巷布置抽采孔對(duì)對(duì)壓裂區(qū)以及未壓裂區(qū)煤層瓦斯進(jìn)行抽采，鉆孔孔深210 m、間距3 m、傾角0°～2°。具體壓裂區(qū)影響區(qū)內(nèi)、外瓦斯抽采鉆孔抽采濃度、純量均值見表2。

表2 壓裂區(qū)影響區(qū)內(nèi)、外瓦斯抽采鉆孔抽采濃度、純量監(jiān)測(cè)值

壓裂影響區(qū)內(nèi)鉆孔瓦斯?jié)舛?、抽采量分別為51.5%，4.9 m3/min，影響區(qū)外鉆孔瓦斯抽采濃度、抽采量分別為30.3%、3.1 m3/min；其中壓裂影響區(qū)內(nèi)、外煤層殘余瓦斯含量分別為3.26 m3/t、5.57 m3/t。具體壓裂影響區(qū)內(nèi)、外瓦斯抽采濃度、純量均值對(duì)比情況如圖4所示。

圖4 壓裂影響區(qū)內(nèi)、外瓦斯抽采濃度、純量均值對(duì)比圖

4.3 回采期間瓦斯涌出

工作面回采期間工作面供風(fēng)量為3 200 m3/min(其中膠帶巷、軌道巷進(jìn)風(fēng)量分別為2 400 m3/min、800 m3/min)，對(duì)工作面在壓裂影響區(qū)內(nèi)、影響區(qū)外工作面始終保持2.4 m/d推進(jìn)速度，具體工作面、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛纫姳?。

表3 工作面及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺O(jiān)監(jiān)測(cè)結(jié)果

從表3看出，壓裂影響區(qū)內(nèi)、外絕對(duì)瓦斯涌出量分別為31 m3/min、56 m3/min，影響區(qū)內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量明顯低于影響區(qū)外，這主要是由于在壓裂作用下影響區(qū)內(nèi)煤層透氣性得以顯著提升，本煤層瓦斯抽出效果更為顯著。在影響區(qū)內(nèi)回采時(shí)工作面內(nèi)以及回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛确謩e為0.21%、0.35%，較壓裂影響區(qū)外的0.45%、0.65%顯著降低。

在工作面回采推進(jìn)至壓裂點(diǎn)位置時(shí)，發(fā)現(xiàn)壓裂裂縫主要分布沿著煤層與頂板分布，壓裂形成的縫隙寬度在8～12 mm，裂縫以壓裂孔為起點(diǎn)向北偏東35°左右擴(kuò)展。在裂縫中充填有石英砂支撐劑，具體現(xiàn)場(chǎng)情況如圖5所示。

圖5 壓裂孔井底現(xiàn)場(chǎng)圖

5 結(jié)論

(1)在地面壓裂影響區(qū)內(nèi)裂隙首先在天然裂縫位置起裂，并大致沿著最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。由于2#煤層頂板為砂巖，煤層內(nèi)裂隙擴(kuò)展至頂、底板后會(huì)沿著頂?shù)装鍞U(kuò)展，易于形成T型裂縫。壓裂影響區(qū)擴(kuò)展范圍整體呈現(xiàn)橢圓形，其中長(zhǎng)半軸、短半軸長(zhǎng)度分別約為25 m、10 m。

(2)地面壓裂后，2#煤層透氣性系數(shù)由1.62 m2/MPa2·d增加至3.68 m2/MPa2·d，透氣性系數(shù)增加227%，煤層透氣性增加更有利井下瓦斯抽采；地面壓裂影響區(qū)內(nèi)瓦斯抽采鉆孔抽采濃度、純量分別為51.5%、4.9 m3/min，較壓裂影響區(qū)外分別增加170%、158%；工作面回采時(shí)壓力影響區(qū)內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量、工作面瓦斯?jié)舛取⒒仫L(fēng)巷瓦斯?jié)舛确謩e為31 m3/min、0.21%、0.35%，較壓裂影響區(qū)外分別降低44.6%、53.3%、46.1%。