低透氣性煤層高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透技術(shù)研究及應(yīng)用

秦江濤，陳玉濤

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，能源需求量快速提升，煤炭在其中占據(jù)主導(dǎo)地位。近些年，雖然我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)整體趨好，但煤礦事故仍時(shí)有發(fā)生，且百萬(wàn)噸死亡率依然高于發(fā)達(dá)國(guó)家。隨著開(kāi)采程度的推進(jìn)，淺部煤炭資源逐步枯竭，因而必須逐漸轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采。深部煤炭資源受到地表上覆巖層的壓力作用，致使原始煤層的瓦斯含量增高、壓力梯度增大、原始地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力更加錯(cuò)綜復(fù)雜，同時(shí)，煤層透氣性逐漸減弱，從而更容易導(dǎo)致煤礦瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生，給煤礦瓦斯災(zāi)害治理帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。綜上所述，隨著煤炭資源開(kāi)采深度的不斷增大，我國(guó)的煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)仍然嚴(yán)峻[1-5]，特別是高構(gòu)造應(yīng)力、低透氣性、突出煤層瓦斯災(zāi)害治理復(fù)雜程度越來(lái)越大。因此，煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域中的瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)問(wèn)題仍然是今后國(guó)家的重點(diǎn)科技攻關(guān)難題。

高構(gòu)造應(yīng)力和低滲透率煤層必須采取有效的增透方法來(lái)提高其透氣性系數(shù)，從而有效解決煤礦瓦斯災(zāi)害治理難的問(wèn)題。自20世紀(jì)50年代起，國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者進(jìn)行了一系列煤層增透技術(shù)的應(yīng)用研究，主要的增透方法包括：高壓水力壓裂、CO2相變致裂、電磁脈沖沖擊、高壓水力沖孔、高壓水力割縫和深孔預(yù)裂爆破等[6-11]。以上方法在煤層增透方面均取得了一定的效果，但各自也存在一定的局限性。與此同時(shí)，大量實(shí)踐證明，針對(duì)復(fù)雜煤層若只采用單一的增透方法，其瓦斯抽采效果均不理想，無(wú)法滿足安全生產(chǎn)的需求。因此，探究一種適用于復(fù)雜煤層的聯(lián)合增透瓦斯抽采技術(shù)成為重要的研究?jī)?nèi)容。

因此，筆者針對(duì)水溪煤礦K1煤層地質(zhì)賦存條件復(fù)雜多變、瓦斯壓力分布不均、煤層松軟且滲透率低、抽采效果差等問(wèn)題，提出運(yùn)用高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透技術(shù)對(duì)其進(jìn)行瓦斯災(zāi)害治理，并與高壓水力壓裂、高壓水力沖孔和普通抽采3種試驗(yàn)方案的抽采效果進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到一種最優(yōu)的現(xiàn)場(chǎng)抽采技術(shù)。

1 高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透技術(shù)

高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透技術(shù)是將高壓水力壓裂增透技術(shù)和高壓水力沖孔增透技術(shù)同步作用于被抽采煤層，以大幅度提高其瓦斯抽采效率的組合技術(shù)。

首先，高壓水力壓裂增透技術(shù)是利用高壓壓裂泵組把普通水加壓后變?yōu)楦邏簤毫呀橘|(zhì)，并注入至原始煤層中，促使原始煤層透氣性系數(shù)提高。采用高壓水力壓裂增透區(qū)域是一個(gè)相對(duì)封閉的區(qū)域，當(dāng)高壓壓裂介質(zhì)水的壓力達(dá)到煤層起裂壓力時(shí)，原始煤層中的微通道和裂隙將會(huì)不斷延伸和擴(kuò)展，最終形成相互貫通和融合的裂縫系統(tǒng)。同時(shí)，煤層內(nèi)部原始應(yīng)力將重新分布，在高壓壓裂增透影響區(qū)域內(nèi)形成整體卸壓，原始煤層的透氣性系數(shù)和卸壓區(qū)域內(nèi)整體瓦斯抽采效果將顯著提高[12-14]；其次，高壓水力沖孔技術(shù)是一種局部瓦斯增透技術(shù)，其利用高壓水的瞬間沖擊力使鉆孔的煤巖體不斷破碎，從而形成新的破壞圈。鉆孔內(nèi)煤巖體孔洞逐漸增大成為一個(gè)大尺寸的水力掏槽孔洞，在圍巖壓力的作用下破碎煤巖體將向鉆孔迅速移動(dòng)，并且隨著鉆孔流出孔口，促使周圍煤體達(dá)到二次大范圍卸壓[15]，從而大幅提高原始煤體的透氣性系數(shù)。高壓射流水沿著煤層微通道和裂隙不斷延伸和擴(kuò)展，最終在煤層內(nèi)部相互貫通和融合形成錯(cuò)綜交叉微通道網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)二次聯(lián)合增透卸壓，有效解決原始煤層滲透率低、高構(gòu)造應(yīng)力集中和卸壓盲區(qū)等問(wèn)題。

因此，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透技術(shù)會(huì)在抽采煤層影響范圍內(nèi)達(dá)到卸壓和增透的雙重效果，從而大幅度提高原始煤層透氣性系數(shù)，進(jìn)而使瓦斯抽采效率顯著提高，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間極大縮短。

2 煤層基本賦存情況

水溪煤礦含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)，厚90～113 m。礦區(qū)位于區(qū)域一級(jí)構(gòu)造龍骨溪背斜北西翼之更次一級(jí)構(gòu)造吳家壩背斜西翼，礦區(qū)地層呈單斜產(chǎn)出，傾向290°～320°，傾角50°～89°，礦區(qū)原生裂隙構(gòu)造不發(fā)育，從地表巖層連續(xù)性觀察發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)有明顯的斷層，出露有F11斷層，井下的巷道揭示有數(shù)條隱伏斷層F1、F2、F3、F4斷層，斷距較大，對(duì)煤層影響較大；含煤4層，僅底部的K1煤層可采，其余為劣質(zhì)煤層，厚度在0.15 m以下，均沒(méi)有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值。本次試驗(yàn)對(duì)象為217底板瓦斯抽放巷道預(yù)抽K1煤層條帶，K1煤層厚度為2.10～2.99 m，平均厚度為 2.55 m，傾角55°～86°，平均傾角為71°,煤層堅(jiān)固性系數(shù)f<1，為深埋煤層，平均埋深600 m。直接頂為黑灰色炭質(zhì)泥巖和泥巖，老頂為硅質(zhì)灰?guī)r；直接底為灰白色鋁土角礫巖，老底為茅口灰?guī)r。

根據(jù)水溪煤礦實(shí)際測(cè)量K1煤層原始瓦斯平均含量為16.32 m3/t，瓦斯壓力為1.38 MPa，透氣性系數(shù)λ=0.028 m2/(MPa2·d)，彈性模量為 12.8 GPa，單軸壓縮強(qiáng)度僅為 0.59 MPa，泊松比為 0.28。因此，水溪煤礦的K1煤層屬于典型的深埋松軟低透氣突出危險(xiǎn)性煤層。

3 抽采技術(shù)方案制訂

3.1 增透設(shè)計(jì)方案

本次在217底抽巷試驗(yàn)增透設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 217底抽巷試驗(yàn)增透設(shè)計(jì)方案

4種試驗(yàn)方案采用相同的施工方法，每種試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)5組鉆孔，每組3個(gè)鉆孔，鉆孔之間的設(shè)計(jì)距離為10 m，即每種設(shè)計(jì)方案包含15個(gè)抽采鉆孔。217底抽巷試驗(yàn)鉆孔平面布置如圖1所示。

圖1 217底抽巷試驗(yàn)鉆孔平面布置示意圖

3.2 鉆孔施工工藝

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔統(tǒng)一采用ZDY-1250型鉆機(jī)施工，鉆桿直徑為50 mm、PDC鉆頭直徑為75 mm，穿過(guò)K1煤層距離頂板0.5 m處停止鉆孔。鉆孔廢渣采用水力系統(tǒng)排出，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工鉆孔做好記錄，除壓裂孔以外其余鉆孔兩端采用黑白膠封孔，中間采用水泥砂漿封孔，封孔長(zhǎng)度為8 m。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所有壓裂鉆孔施工完畢以后，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和高壓水力壓裂增透試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案都選擇第3組2#孔為高壓水力壓裂增透鉆孔。壓裂鉆孔采用?50 mm無(wú)縫鋼管作為壓裂管，前端2 m布置?2 mm的塞管，壓裂管埋至K1煤層的頂板處，壓裂管前端焊接?50 mm的盲板封堵。注漿管和返漿管為內(nèi)徑19 mm的PVC管，注漿管長(zhǎng)度為1.5 m，返漿管埋至穿過(guò)K1煤層底板處；壓裂管前端和末端采用黑白膠封孔，中間采用水泥與河砂按體積比1∶3的比例混合進(jìn)行注漿封孔，在大量黏稠漿液從返漿管均勻返出后，停止注漿，待水泥砂漿在鉆孔內(nèi)凝固20 d以后進(jìn)行高壓水力壓裂。

3.3 壓裂和抽采標(biāo)準(zhǔn)

1)方案Ⅰ選用第3組2#孔進(jìn)行高壓水力壓裂增透，高壓壓裂泵組壓力從0逐步升至27.2 MPa，高壓壓裂穩(wěn)壓區(qū)間為22.4～27.2 MPa；流量穩(wěn)定區(qū)間為42～44 m3/h，經(jīng)過(guò)3.85 h后，高壓壓裂泵組壓力下降至13.6 MPa，發(fā)現(xiàn)距離壓裂鉆孔42 m的地方有大量出水，關(guān)閉壓裂泵組，壓入水量共計(jì)166.2 t，并且關(guān)閉壓裂管終端閥門進(jìn)行保壓。7 d以后，壓裂管有少量水流出，大部分壓裂水滲入煤體，依據(jù)方案Ⅰ的設(shè)計(jì)具體要求對(duì)試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行高壓水力沖孔增透，沖孔的壓力穩(wěn)壓區(qū)間在7～10 MPa[16]，單孔沖煤量不少于1.5 t，形成0.3 m左右的水力掏槽孔洞；然后進(jìn)行封孔和接抽，鉆孔抽采負(fù)壓不小于13 kPa。

2)方案Ⅱ同樣選用第3組2#孔實(shí)施高壓水力壓裂增透，試驗(yàn)方法同方案Ⅰ，壓裂泵組壓力從0不斷升至27.9 MPa，高壓壓裂穩(wěn)壓區(qū)間為23.6～27.9 MPa；流量穩(wěn)定區(qū)間為41～43 m3/h，經(jīng)過(guò)4.1 h后，壓裂泵組壓力下降至12.8 MPa，發(fā)現(xiàn)距離壓裂鉆孔左端40 m處巷道頂板有大量淋水，停止壓裂，壓入水量共計(jì)169.0 t，并且關(guān)閉壓裂管終端閥門進(jìn)行保壓。7 d以后，壓裂管有少部分壓裂水流出，大部分壓裂水滲入煤體，依據(jù)方案Ⅱ設(shè)計(jì)進(jìn)行打孔、封孔和接抽，鉆孔抽采負(fù)壓不小于13 kPa。

3)依據(jù)試驗(yàn)方案Ⅲ鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)行打孔，然后對(duì)設(shè)計(jì)鉆孔進(jìn)行高壓水力沖孔，沖孔壓力和單孔沖煤量和方案Ⅰ相同，沖孔完畢以后進(jìn)行封孔和接抽，鉆孔抽采負(fù)壓不小于13 kPa。

4)依據(jù)試驗(yàn)方案Ⅳ鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)行打孔、封孔和接抽，鉆孔抽采負(fù)壓不小于13 kPa。

3.4 監(jiān)測(cè)手段

在礦井所有試驗(yàn)抽采鉆孔按照試驗(yàn)方案施工完畢以后，接入礦井瓦斯抽采系統(tǒng)，進(jìn)行瓦斯參數(shù)測(cè)定。對(duì)4種不同試驗(yàn)實(shí)施方案匯總瓦斯參數(shù)采用V錐流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)比，同時(shí)，采用高濃度光學(xué)瓦斯檢測(cè)儀器對(duì)井下試驗(yàn)鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓闆r進(jìn)行檢測(cè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果對(duì)比分析

4.1 瓦斯抽采效果對(duì)比分析

1)單孔初抽瓦斯?jié)舛茸兓瘜?duì)比分析

4種抽采方案的單孔初抽瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)變化對(duì)比分析曲線如圖2所示。

圖2 單孔初抽瓦斯?jié)舛茸兓瘜?duì)比分析曲線

由圖2可知，方案Ⅰ單孔初抽瓦斯?jié)舛确秶植荚?9.4%～79.8%，瓦斯抽采效果較好；高壓水力壓裂增透技術(shù)措施促使原始煤層的微通道和裂隙不斷延伸和擴(kuò)展，致使原巖體的微通道和裂隙形成相互貫通和融合的裂縫系統(tǒng)。同時(shí)，煤層內(nèi)部原始應(yīng)力重新分布，在高壓壓裂增透影響區(qū)域內(nèi)形成初次整體卸壓，卸壓區(qū)域內(nèi)原始煤層的透氣性系數(shù)得到初次提高；而高壓水力沖孔產(chǎn)生高壓水瞬間沖擊力使鉆孔周圍的煤巖體不斷破碎，從而形成新的破壞圈。鉆孔內(nèi)煤巖體孔洞逐漸增大成為一個(gè)大尺寸的水力掏槽孔洞，在圍巖壓力的作用下破碎煤巖體將向鉆孔迅速地移動(dòng)，并且隨著鉆孔流出孔口，促使周圍煤體達(dá)到二次大范圍卸壓，煤層透氣性系數(shù)顯著提高，瓦斯壓力不斷釋放，原始煤巖體的局部構(gòu)造應(yīng)力集中和卸壓盲區(qū)問(wèn)題得到有效解決。方案Ⅱ單孔初抽瓦斯?jié)舛确植荚?6.1%～68.1%，高壓水力壓裂增透措施是高壓壓裂介質(zhì)沿著原始的煤層的孔隙和裂隙的方向不斷擴(kuò)展和延伸。高壓壓裂介質(zhì)沿著煤層的弱面方向流動(dòng)，隨著高壓水力壓裂增透影響半徑不斷的變化，巷道頂?shù)装迤扑閰^(qū)域形成的壓裂介質(zhì)得到卸壓，煤層增透影響范圍逐漸減小，瓦斯抽采效率不斷降低。方案Ⅲ單孔初抽瓦斯?jié)舛确植荚?8.2%～73.2%，增透影響半徑較小，有效影響半徑0.3 m左右，煤層中受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力集力影響的微通道和裂隙達(dá)不到充分卸壓和擴(kuò)展，隨著試驗(yàn)區(qū)域瓦斯抽采時(shí)間增加，瓦斯抽采效率越來(lái)越差。方案Ⅳ單孔初抽瓦斯?jié)舛确植荚?9.4%～28.6%，因?yàn)樵济簩铀绍洝⒌刭|(zhì)構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、瓦斯?jié)B透率比較低，所以導(dǎo)致瓦斯抽采效果比較差。

通過(guò)以上對(duì)比分析可知，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透技術(shù)可較大程度地提高原始煤層瓦斯抽采系數(shù)和增加原始煤體卸壓范圍，煤層抽采瓦斯的微通道數(shù)量顯著增加，從而提高了原始煤層瓦斯抽采效率。

2)抽采時(shí)間對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)抽采匯總瓦斯?jié)舛鹊乃プ兎治鰜?lái)對(duì)比試驗(yàn)實(shí)施方案高效率抽采時(shí)間，每隔7 d對(duì)試驗(yàn)方案實(shí)施鉆孔參數(shù)開(kāi)展測(cè)定并進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)施的4種試驗(yàn)方案抽采匯總瓦斯?jié)舛鹊乃プ兦€如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)實(shí)施方案抽采匯總瓦斯?jié)舛鹊乃プ兦€

由圖3可知，91 d以后，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透試驗(yàn)抽采瓦斯?jié)舛认鄬?duì)比較穩(wěn)定，在試驗(yàn)期間瓦斯?jié)舛人プ冚^小，抽采匯總瓦斯?jié)舛纫恢北３衷?2.6%以上，原始煤層瓦斯抽采效率較高。而高壓水力壓裂、高壓水力沖孔和普通抽采試驗(yàn)3種方案抽采匯總瓦斯?jié)舛纫院蠓謩e衰變了6.2%、4.4%和2.8%，原始煤層瓦斯抽采隨著時(shí)間的增加瓦斯抽采衰變程度會(huì)越來(lái)越大。上述現(xiàn)象表明，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透技術(shù)方案瓦斯抽采效果優(yōu)于其他3種試驗(yàn)方案的效果。

4.2 累計(jì)抽采瓦斯純量對(duì)比分析

不同試驗(yàn)方案應(yīng)用后累計(jì)抽采瓦斯量見(jiàn)圖4。

圖4 不同試驗(yàn)方案累計(jì)抽采瓦斯量變化曲線

由圖4可知，抽采91 d，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合試驗(yàn)方案累計(jì)抽采瓦斯量為 11 008.8 m3，比高壓水力壓裂試驗(yàn)方案、高壓水力沖孔試驗(yàn)方案、普通抽采試驗(yàn)方案分別提高了1.42、1.33、2.32倍。高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合試驗(yàn)方案的累計(jì)抽采瓦斯量曲線呈直線增長(zhǎng)變化趨勢(shì)，這說(shuō)明高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透試驗(yàn)抽采衰竭程度較小，瓦斯抽采效率較高。

4.3 煤層透氣性測(cè)試對(duì)比分析

煤層透氣性系數(shù)能夠較好地衡量煤層瓦斯抽采的難易程度，因此，通過(guò)對(duì)4種不同試驗(yàn)方案煤層透氣性系數(shù)進(jìn)行測(cè)定和比較分析，從而考察4種試驗(yàn)方案K1煤層卸壓增透效果。采用徑向流量法[17]可計(jì)算得到4種試驗(yàn)方案煤層透氣性系數(shù)：原始K1煤層的透氣性系數(shù)為0.028 m2/(MPa2·d)，即普通抽采試驗(yàn)煤層的透氣性系數(shù)；高壓水力壓裂增透試驗(yàn)煤層透氣性數(shù)增至0.095 m2/(MPa2·d)；高壓水力沖孔增透試驗(yàn)煤層透氣性系數(shù)增至0.109 m2/(MPa2·d)；高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透試驗(yàn)煤層透氣性系數(shù)增至0.176 4 m2/(MPa2·d)。由此可知，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透試驗(yàn)煤層透氣性系數(shù)分別比高壓水力壓裂、高壓水力沖孔和普通抽采提高了1.85、1.61、6.30倍，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透試驗(yàn)對(duì)于提高K1煤層透氣性系數(shù)優(yōu)于其他3種試驗(yàn)方案。

5 結(jié)論

1)高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透方案試驗(yàn)初始單孔抽采瓦斯?jié)舛缺雀邏核毫?、高壓水力沖孔和普通抽采方案分別提高了1.76、1.52、7.72倍，且抽采91 d以后，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透抽采匯總瓦斯?jié)舛缺３衷?2.6%以上，均高于其他3種抽采方案。

2)高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透方案累計(jì)抽采瓦斯量呈直線增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明其抽采衰竭程度較小。91 d 累計(jì)抽采瓦斯量達(dá)到11 008.8 m3，比高壓水力壓裂、高壓水力沖孔和普通抽采分別提高了1.42、1.33、2.32倍。

3)高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透技術(shù)試驗(yàn)區(qū)域K1煤層的透氣性系數(shù)比高壓水力沖孔、高壓水力壓裂和普通抽采分別提高了1.61、1.85、6.30倍。

4)通過(guò)聯(lián)合增透卸壓，高壓水力壓裂—沖孔聯(lián)合增透技術(shù)可使原始煤層的微通道和裂隙形成相互交錯(cuò)貫通的立體微通道網(wǎng)絡(luò)，從而顯著提高煤層的滲透率和瓦斯抽采效率，極大降低了瓦斯突出危險(xiǎn)性。