水力壓裂增透技術(shù)在低透氣性煤層中的應(yīng)用

王俊虎

【摘 要】 為提高礦井回采煤層瓦斯治理效果，文章針對(duì)11#煤層瓦斯含量高、壓力大、透氣性差等問(wèn)題，提出水力壓裂技術(shù)增透煤層，提高煤層瓦斯抽采率。結(jié)果表明，水力壓裂可實(shí)現(xiàn)煤層的有效增透，壓裂區(qū)域內(nèi)煤層透氣性系數(shù)由0.023m2/（MPa2·d）增加至0.2185m2/（MPa2·d），較非壓裂區(qū)增加9.5倍;壓裂區(qū)內(nèi)鉆孔瓦斯抽采濃度平均為28%、較未壓裂區(qū)增加400%;水力壓裂區(qū)內(nèi)瓦斯抽采30d即可滿足采面瓦斯治理需要。研究成果可為其他礦井低透氣性煤層增透、瓦斯治理工作開(kāi)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

【關(guān)鍵詞】 水力壓裂;煤層透氣性;瓦斯抽采;抽采鉆孔

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD712 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）04-0007-03

隨著采深增加，煤層瓦斯原始含量呈顯著增加趨勢(shì)，采用鉆孔抽采煤層瓦斯時(shí)面臨透氣性差、衰減快等問(wèn)題，在一定程度上制約礦井瓦斯治理效果。增透是提高煤層瓦斯抽采效果的關(guān)鍵措施，現(xiàn)階段礦井常用的增透措施有深孔預(yù)裂爆破、CO2變相增透、水力割縫、水力壓裂以及水力沖孔等。水力壓裂技術(shù)是利用高壓水在煤層中形成新的縫隙，具有操作效率高、卸壓范圍大等優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)在低透氣性煤層增透中應(yīng)用較為廣泛，在一定程度上提升了煤層瓦斯治理效果。對(duì)于不具備保護(hù)層開(kāi)采條件的礦井而言，水力壓裂是實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯高效治理的重要措施。文中以110306綜采工作面瓦斯治理為工程背景，對(duì)水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行闡述，以期為其他礦井低透氣性煤層瓦斯治理工作開(kāi)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1工程概況

110306綜采工作面主采11#煤層，煤層埋深長(zhǎng)度平均690m、厚度3.5m、傾角9°。11#煤層頂?shù)装鍘r性均為致密的泥巖、砂質(zhì)泥巖。11#煤層原始瓦斯含量為14.63m3/t、瓦斯壓力為1.16MPa、瓦斯放散初速度ΔP為30ml/s、煤層透氣性系數(shù)小于0.023m2/（MPa2·d），硬度f(wàn)值為0.33，煤層較為松軟且具有突出危險(xiǎn)性。

110306綜采工作面設(shè)計(jì)走向、傾向長(zhǎng)度分別為1369m、165m，在采面回采前通過(guò)進(jìn)、回風(fēng)巷內(nèi)布置的順層鉆孔對(duì)瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，鉆孔間距設(shè)計(jì)為5.0m。受到11#煤層松軟、煤層透氣性差等影響，布置順層鉆孔瓦斯衰減速度快、抽采量低，采面回采期間瓦斯涌出量較大。

2 水力壓裂增透技術(shù)

2.1 水力壓裂設(shè)備及技術(shù)原理

水力壓裂使用高壓水泵型號(hào)BRW400/40。壓裂過(guò)程中使用的設(shè)備包括有高壓軟管、流量表、壓力表、膠囊封孔器及相關(guān)附屬設(shè)備等。具體在工作面內(nèi)使用的水力壓裂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

水力壓裂技術(shù)是通過(guò)高壓泵短時(shí)間內(nèi)向封孔的鉆孔內(nèi)注入大量水，在壓力作用下水被擠到煤體裂隙中，裂隙擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生新的裂隙，從而增加煤層透氣性;在增加煤層透氣性的同時(shí)通過(guò)水的驅(qū)替作用，煤層中部分吸附瓦斯會(huì)變成游離態(tài)，沿裂隙擴(kuò)散至煤體外部。

2.2 壓裂孔布置設(shè)計(jì)

在110306綜采工作面先布置30m長(zhǎng)度試驗(yàn)段（試驗(yàn)段距切眼距離為260m～310m）對(duì)水力壓裂煤層增透效果進(jìn)行考察，并依據(jù)考察效果再擴(kuò)大水力壓裂應(yīng)用范圍。水力壓裂鉆孔布置在采面運(yùn)輸巷內(nèi)，水力壓裂鉆孔間距為5.0m，現(xiàn)場(chǎng)共布置10個(gè)水力壓裂鉆孔;同時(shí)在水力壓裂鉆孔旁50m以外位置布置10個(gè)常規(guī)瓦斯抽采鉆孔、鉆孔間距5.0m（如圖2所示）

水力壓裂鉆孔開(kāi)孔位于煤層中部，傾角為9°，鉆孔孔徑、孔深分別為94mm、85m，靠近孔口25m范圍不壓裂。壓裂從孔底向孔口方向依次進(jìn)行，每3根鉆桿（長(zhǎng)度2.4m）壓裂一次，單個(gè)鉆孔共計(jì)壓裂25次。

2.3 壓裂壓力

水力壓裂過(guò)程中高壓水泵輸出壓力對(duì)壓裂區(qū)內(nèi)煤層裂隙發(fā)育效果有較大影響，水力壓裂壓力過(guò)小、流量過(guò)低則會(huì)存在水流能量散失嚴(yán)重、無(wú)法克服煤體阻力、不能實(shí)現(xiàn)煤體裂隙完全發(fā)育;若注水壓力、流量過(guò)大則存在煤體破碎、甚至導(dǎo)致頂板破碎問(wèn)題。因此合理確定水力壓裂壓力是實(shí)現(xiàn)水力壓裂高效開(kāi)展的關(guān)鍵。合理的水力壓裂壓力應(yīng)能克服壓裂區(qū)內(nèi)煤體抗拉強(qiáng)度、地應(yīng)力等產(chǎn)生的拉力，具體可通過(guò)下述公式計(jì)算：

其中：V為地應(yīng)力系數(shù);[μ]為側(cè)壓系數(shù);[η]為垂向應(yīng)力，MPa;[St]為煤體抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)壓裂區(qū)域內(nèi)煤層賦存條件、埋深以及煤體性質(zhì)，取V=0.35、[μ]=1.7、[η]=17.25MPa、[St]=2.6MPa，計(jì)算得到F=32.80MPa?？紤]到水力壓裂管路阻力損失，為此將水力壓裂壓力設(shè)定為35MPa、額定注水量取值為400L/min，選用的型號(hào)BRW400/40高壓水泵可滿足需要。

3 瓦斯治理效果分析

3.1 煤層透氣性變化

煤層透氣性變化是衡量水力壓裂效果的一個(gè)主要指標(biāo)。對(duì)采面水力壓裂區(qū)、未壓裂區(qū)內(nèi)煤層透氣性進(jìn)行測(cè)定，具體結(jié)果見(jiàn)表1所示。

從表中看出，采面11#煤層經(jīng)過(guò)水力壓裂后煤層透氣性系數(shù)較未壓裂區(qū)域增加9.5倍，取得較好的壓裂增透效果。

3.2 瓦斯抽采濃度及純量變化

在對(duì)煤層水力壓裂完成后，清洗鉆孔并放水4d后，施工瓦斯抽采鉆孔并接入到抽采系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)抽。具體水力壓裂鉆孔、普通鉆孔瓦斯抽采濃度、抽采純量對(duì)比情況見(jiàn)圖3。

從圖3（a）中看出，水力壓裂增透鉆孔瓦斯抽采濃度最高可達(dá)38%、平均濃度為28%，未壓裂區(qū)內(nèi)鉆孔瓦斯抽采濃度最高為13%、平均濃度為7%，水力壓裂后瓦斯抽采平均濃度增幅達(dá)到400%。從圖3（b）看出，水力壓裂后瓦斯抽采純量最高達(dá)到0.43m3/min，壓裂完成接抽后的30d、60d、90d瓦斯抽采純量分別0.08m3/min、0.05m3/min、0.04 m3/min;常規(guī)的瓦斯抽采鉆孔接抽初期瓦斯抽采純量最大為0.09m3/min，接抽30d、60d、90d后抽采純量分別衰減至0.04 m3/min、0.03m3/min、0.015m3/min，通過(guò)水力壓裂有效提升了瓦斯抽采效果。

3.3 殘余瓦斯含量測(cè)定

在瓦斯接抽30d后布置檢測(cè)鉆孔對(duì)水力壓裂區(qū)、未壓裂區(qū)內(nèi)瓦斯含量進(jìn)行測(cè)定。在壓裂區(qū)、未壓裂區(qū)分別間隔10m深度測(cè)定一次殘余瓦斯含量，第一個(gè)取樣點(diǎn)深度為35m，具體取樣測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2所示。

從表2看出，在壓裂區(qū)域內(nèi)瓦斯抽采鉆孔接抽30d后，煤層殘余瓦斯含量均最大為5.51m3/t，不僅實(shí)現(xiàn)了煤層消突而且殘余瓦斯含量較低，可滿足采面后續(xù)生產(chǎn)需要;而未壓裂區(qū)內(nèi)瓦斯抽采鉆孔接抽30d后，煤層殘余瓦斯含量最大為10.56 m3/t，殘余瓦斯含量較高，同時(shí)煤層仍有一定的突出危險(xiǎn)性，不能滿足采面煤炭安全回采需要。

4 總結(jié)

在110306綜采工作面運(yùn)輸巷使用高壓膠囊封孔器可滿足水力壓裂封孔需要;水力壓裂時(shí)壓裂壓力是影響煤層增透效果的關(guān)鍵指標(biāo)，文中采用理論計(jì)算方法確定壓裂壓力為35MPa;并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)壓裂工藝進(jìn)行闡述。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，在水力壓裂區(qū)內(nèi)煤層透氣性系數(shù)由0.023 m2/（MPa2·d）增加至0.2185 m2/（MPa2·d），壓裂區(qū)域內(nèi)瓦斯抽采30d即可將煤層瓦斯含量由14.63 m3/t降至5.21 m3/t。通過(guò)水力壓裂可有效提高煤層透氣性以及瓦斯治理效果，減少工作面瓦斯治理時(shí)間，從而為采面煤炭高效安全回采創(chuàng)造良好條件。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄧成均.突出礦井采煤工作面瓦斯綜合治理實(shí)踐探析[J].中國(guó)礦山工程，2021，50（2）：59-61.

[2]李喜員，孫朋，王玉杰，等.重復(fù)水力壓裂技術(shù)在深井低透氣性煤層中的應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)，2021，30（3）：161-166.

[3]胡紅印.高壓水力壓裂增透技術(shù)在石門(mén)揭煤中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)礦山工程，2020，49（6）：35-37.

[4]李雙，趙偉，劉德成，等.水力壓裂增透技術(shù)在單一低透氣性煤層中的應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2020，42（11）：38-42.

[5]楊湘濤.水力壓裂技術(shù)在低透氣性煤層瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2018，40（11）：66-70.

[6]劉軍.馬堡礦水力壓裂增透技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].葫蘆島：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2015.

[7]王志磊.低透氣性煤層井下水力壓裂技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.

[8]樊利軍，陳鳳杰.松軟低透煤層底抽巷水力沖孔技術(shù)研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，31（1）：42-44.