李 鵬
(晉能控股煤業(yè)集團大西煤礦,山西 晉城 048000)
瓦斯問題一直被作為嚴重制約煤炭開采技術發(fā)展的重要因素,嚴重影響著煤礦安全生產[1]。我國煤炭資源儲量豐富,煤層氣資源賦存量巨大,解決好煤炭資源開采過程中的瓦斯問題,做到煤與瓦斯合理共采,能夠極大地提高資源的開采利用率[2-3]。瓦斯抽采是解決瓦斯問題的根本途徑,為了解決大西煤礦回采巷道掘進過程中的瓦斯超限問題,對煤層進行分段水力壓裂是一種行之有效的方法,通過增加煤層的透氣性,可以顯著提高瓦斯抽采率[4]。
大西煤礦主要開采3 號煤層,煤層厚度平均為3.17 m,頂板主要為細粒砂巖和碳質泥巖,底板為細粒砂巖。3 號煤層以亮煤為主,呈條帶狀結構,內部裂隙發(fā)育,易發(fā)生脆性破碎。
礦井瓦斯主要來源為開采層和采空區(qū)。據(jù)地勘送檢的瓦斯測試結果,3 號煤層透氣性系數(shù)為0.72 m2/(MPa·d),原始瓦斯含量約為11.26 m3/t,原始瓦斯壓力為0.41 MPa,落煤殘存瓦斯含量3.12 m3/t,殘存瓦斯壓力為0.16 MPa。礦井瓦斯相對涌出量為19.92 m3/t,絕對瓦斯涌出量為21.75 m3/min。3 號煤層堅固性系數(shù)f=0.30~0.65 <0.5,瓦斯放散初速度ΔP=4.7~24.0 >10,綜合指標K=ΔP/f=29.2 >15,單項指標均超臨界值,該礦井有煤與瓦斯突出危險性。綜采工作面的上、下順槽掘進前,必須預抽消突,無突出危險后方可掘進。
根據(jù)化驗結果,該井田瓦斯主要成分及含量如表1所示。其中可燃氣體(CH4+ C2H6)含量1.37~47.03 m3/t,平均含量12.63 m3/t,為富甲烷煤層。
表1 瓦斯主要成分及含量
對大西煤礦3023 工作面回風順槽進行分段水力壓裂方案設計。壓裂設備宜放在新鮮風流中,具體放置位置如圖1。巷道的長、寬、高應確定能夠滿足泵組的放置要求,并能夠提供不小于1 m3/min的水流和1140 V 的電壓。為保證設備的正常運轉,水源不能含有雜質。
圖1 壓裂泵站與管路布置圖
(1)壓裂層位選取
結合3023 回風順槽的實際情況,3023 回風順槽煤層埋藏淺,煤層瓦斯含量小,煤體強度大。通過井下觀測,煤層與頂?shù)装逯g接觸平整,煤巖類型界限清晰,原生條帶狀結構明顯。煤體原生裂隙清晰可辨,選擇直接在煤層內實施分段水力壓裂的技術模式。
通過觀察在掘進工作面正前方施工的超前鉆孔,鉆孔軌跡清晰可見,并無坍塌、位移錯動跡象。在3023 回風順槽向臨近巷道及工作面施工區(qū)域預抽鉆孔,達到區(qū)域消突的目的。減少了頂、底板巷道的掘進工作量。
此外,大西煤礦各煤層頂?shù)装迤毡榇嬖谀鄮r、砂質泥巖,部分區(qū)域泥巖遇水極易膨脹,若在煤層頂板實施分段水力壓裂,則在壓裂完成后的鉆孔抽采過程中,在泥巖的膨脹變形作用下,抽采管極易發(fā)生堵塞,降低抽采效率,而且需要向煤層頂板開設挑頂鉆場,加大了工程量。鑒于此,最終確定3023 回風順槽的分段水力壓裂在本煤層內實施。
(2)壓裂段長及段間距的選擇
結合3023 回風順槽掘進工作面煤層內的成孔條件,沿預掘巷道中線位置施工分段水力強化鉆孔,長160 m,采用玻璃套管水泥固孔??紤]到實際施工的效率和經濟效益等問題,將長鉆孔分5 段進行水力強化,壓裂段間距選為30 m,單段水力強化鉆孔裂縫開啟長度約為17.5 m,有效影響半徑不小于20 m。水力壓裂施工完成后,在其周邊施工16 個抽采鉆孔,鉆孔有效抽采間距不大于6 m。抽采達標后,在采取局部綜合防突措施條件下允許掘進安全距離140 m,預留安全保護距離20 m,在安全保護距離內進入下一循環(huán)。
通過在3023 回風順槽正前施工長鉆孔,進行分段水力強化壓裂,實現(xiàn)對煤層區(qū)域均勻增透改造,提高煤層透氣性系數(shù),達到大循環(huán)安全掘進的目的。
在3023 回風順槽共施工鉆孔17 個,其中分段壓裂長鉆孔1 個,瓦斯抽采鉆孔16 個,控制巷道兩幫各15 m 范圍,沿3023 回風順槽掘進方向控制160 m。分段水力壓裂鉆孔孔長160 m,分5 段進行壓裂,分段噴射孔間距30 m,分段壓裂鉆孔孔徑Φ120 mm,分段壓裂封孔器外徑Φ ≤80 mm。3023 回風順槽分段水力壓裂鉆孔施工布置圖如圖2,Ⅰ-Ⅰ剖面圖如圖3,Ⅱ-Ⅱ剖面圖如圖4。
圖2 3023 回風順槽分段水力壓裂鉆孔施工布置圖(m)
圖3 Ⅰ-Ⅰ剖面圖(mm)
圖4 Ⅱ-Ⅱ剖面圖(mm)
施工順序為:分段壓裂長鉆孔施工→煤層瓦斯含量和瓦斯壓力測試→分段壓裂長鉆孔套管固孔→水力強化前瓦斯參數(shù)測試(鉆孔自然流量、鉆孔流量衰減系數(shù)、抽采濃度、抽采負壓、抽采流量、水分)→分段壓裂長鉆孔從孔底至孔口依次分5 段進行壓裂→施工16 個抽采鉆孔→所有鉆孔洗孔→抽采鉆孔封孔,封孔長度15~20 m →抽采鉆孔、壓裂鉆孔聯(lián)抽→等待抽采達標,效果檢驗→采取區(qū)域、局部綜合防突措施下掘進140 m →(第二循環(huán)開始)→分段壓裂長鉆孔施工→分段壓裂長鉆孔施工套管固孔→分段壓裂長鉆孔從孔底至孔口依次分5 段進行壓裂→施工16 個抽采鉆孔→所有鉆孔洗孔→抽采鉆孔封孔,封孔長度15~20 m →抽采鉆孔、壓裂鉆孔聯(lián)抽→等待抽采達標,效果檢驗→采取區(qū)域、局部綜合防突措施掘進20 m(第一循環(huán)結束)。
針對3023 回風順槽分段水力壓裂強化鉆孔的封孔問題,選用封壓一體化分段水力壓裂封孔器封孔,封孔器如圖5。采用水力封孔膠囊加單向閥的方法,實現(xiàn)分段水力壓裂封孔的目的。
圖5 一體化分段水力壓裂封孔器
在分段水力壓裂施工完成后,對壓裂孔周圍巷道形貌進行觀測,尤其是較為發(fā)育的構造附近及煤體裂縫發(fā)育地帶,觀測煤壁是否有出水、巷道變形等情況。通過現(xiàn)場考察分析,結合各壓裂孔的出水情況,綜合得出各段水力壓裂影響半徑平均為23 m。
對3 號煤層進行分段水力壓裂后,瓦斯抽采濃度提升了2~17 倍,抽采純量提升了3~8 倍。壓裂孔瓦斯初始涌出量較未壓裂孔增加1 倍,瓦斯流量衰減系數(shù)是未壓裂孔的1/2,煤層瓦斯的可抽采性得到了顯著提高。
3023 回風順槽壓裂區(qū)域本煤層預抽孔平均百米抽采純量為0.131 m3/min,是未壓裂區(qū)域的2.3 倍,壓裂孔平均百米抽采純量為0.302 m3/min,是未壓裂區(qū)域的4.1 倍。通過實施分段水力壓裂增透技術,顯著提高了煤層瓦斯的預抽效果。
(1)對3023 回風順槽進行分段水力壓裂施工,水力壓裂長鉆孔長160 m,分5 段進行水力強化,壓裂段間距30 m,各段水力壓裂影響半徑平均為23 m。
(2)采用長鉆孔分段水力壓裂增透技術,可以有效提高抽采瓦斯效果,單次循環(huán)允許煤巷安全掘進距離長,能夠實現(xiàn)巷道安全快速掘進,緩解采掘接替緊張問題。