大西煤礦井下分段水力壓裂增透技術(shù)及應(yīng)用

李 鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大西煤礦，山西 晉城 048000）

瓦斯問題一直被作為嚴(yán)重制約煤炭開采技術(shù)發(fā)展的重要因素，嚴(yán)重影響著煤礦安全生產(chǎn)[1]。我國煤炭資源儲(chǔ)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(jìn)過程中的瓦斯超限問題，對煤層進(jìn)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]。

1 工程概況

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(xì)粒砂巖和碳質(zhì)泥巖，底板為細(xì)粒砂巖。3 號煤層以亮煤為主，呈條帶狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)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(jié)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(jiān)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(biāo)K=ΔP/f=29.2 ＞15，單項(xiàng)指標(biāo)均超臨界值，該礦井有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。綜采工作面的上、下順槽掘進(jìn)前，必須預(yù)抽消突，無突出危險(xiǎn)后方可掘進(jìn)。

根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果，該井田瓦斯主要成分及含量如表1所示。其中可燃?xì)怏w（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

2 分段水力壓裂方案

2.1 壓裂地點(diǎn)

對大西煤礦3023 工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行分段水力壓裂方案設(shè)計(jì)。壓裂設(shè)備宜放在新鮮風(fēng)流中，具體放置位置如圖1。巷道的長、寬、高應(yīng)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(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，水源不能含有雜質(zhì)。

圖1 壓裂泵站與管路布置圖

2.2 參數(shù)選取

（1）壓裂層位選取

結(jié)合3023 回風(fēng)順槽的實(shí)際情況，3023 回風(fēng)順槽煤層埋藏淺，煤層瓦斯含量小，煤體強(qiáng)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(jié)構(gòu)明顯。煤體原生裂隙清晰可辨，選擇直接在煤層內(nèi)實(shí)施分段水力壓裂的技術(shù)模式。

通過觀察在掘進(jìn)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(cuò)動(dòng)跡象。在3023 回風(fēng)順槽向臨近巷道及工作面施工區(qū)域預(yù)抽鉆孔，達(dá)到區(qū)域消突的目的。減少了頂、底板巷道的掘進(jìn)工作量。

此外，大西煤礦各煤層頂?shù)装迤毡榇嬖谀鄮r、砂質(zhì)泥巖，部分區(qū)域泥巖遇水極易膨脹，若在煤層頂板實(shí)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(shè)挑頂鉆場，加大了工程量。鑒于此，最終確定3023 回風(fēng)順槽的分段水力壓裂在本煤層內(nèi)實(shí)施。

（2）壓裂段長及段間距的選擇

結(jié)合3023 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面煤層內(nèi)的成孔條件，沿預(yù)掘巷道中線位置施工分段水力強(qiáng)化鉆孔，長160 m，采用玻璃套管水泥固孔?？紤]到實(shí)際施工的效率和經(jīng)濟(jì)效益等問題，將長鉆孔分5 段進(jìn)行水力強(qiáng)化，壓裂段間距選為30 m，單段水力強(qiáng)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(gè)抽采鉆孔，鉆孔有效抽采間距不大于6 m。抽采達(dá)標(biāo)后，在采取局部綜合防突措施條件下允許掘進(jìn)安全距離140 m，預(yù)留安全保護(hù)距離20 m，在安全保護(hù)距離內(nèi)進(jìn)入下一循環(huán)。

通過在3023 回風(fēng)順槽正前施工長鉆孔，進(jìn)行分段水力強(qiáng)化壓裂，實(shí)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(dá)到大循環(huán)安全掘進(jìn)的目的。

2.3 鉆孔設(shè)計(jì)及施工流程

在3023 回風(fēng)順槽共施工鉆孔17 個(gè)，其中分段壓裂長鉆孔1 個(gè)，瓦斯抽采鉆孔16 個(gè)，控制巷道兩幫各15 m 范圍，沿3023 回風(fēng)順槽掘進(jìn)方向控制160 m。分段水力壓裂鉆孔孔長160 m，分5 段進(jìn)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(fēng)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(fēng)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?yàn)椋悍侄螇毫验L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(qiáng)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(fù)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(jìn)行壓裂→施工16 個(gè)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(dá)標(biāo)，效果檢驗(yàn)→采取區(qū)域、局部綜合防突措施下掘進(jìn)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(jìn)行壓裂→施工16 個(gè)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(dá)標(biāo)，效果檢驗(yàn)→采取區(qū)域、局部綜合防突措施掘進(jìn)20 m（第一循環(huán)結(jié)束）。

針對3023 回風(fēng)順槽分段水力壓裂強(qiáng)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(shí)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

3 壓裂效果檢驗(yàn)

3.1 壓裂半徑

在分段水力壓裂施工完成后，對壓裂孔周圍巷道形貌進(jìn)行觀測，尤其是較為發(fā)育的構(gòu)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(jié)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。

3.2 瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析

對3 號煤層進(jìn)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(fēng)順槽壓裂區(qū)域本煤層預(yù)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(shí)施分段水力壓裂增透技術(shù)，顯著提高了煤層瓦斯的預(yù)抽效果。

4 結(jié)論

（1）對3023 回風(fēng)順槽進(jìn)行分段水力壓裂施工，水力壓裂長鉆孔長160 m，分5 段進(jìn)行水力強(qiáng)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(shù)，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(jìn)距離長，能夠?qū)崿F(xiàn)巷道安全快速掘進(jìn)，緩解采掘接替緊張問題。