堅(jiān)硬頂板定向長鉆孔水力壓裂卸壓瓦斯抽采研究

馬彥陽，吳教錕，馮仁俊，李良偉

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

近年來，我國煤炭開采正以每年10～25 m的速度向深部延伸，礦井面臨的瓦斯等重大災(zāi)害越發(fā)嚴(yán)重。焦坪礦區(qū)特厚煤層透氣性較差，煤層上方存在厚度較大、節(jié)理發(fā)育差、強(qiáng)度高的堅(jiān)硬頂板，其在工作面回采期間極難垮落[1-5]，特別是在工作面初采初放階段，頂煤、頂板大面積垮落時(shí)極易造成大量瓦斯涌入工作面，嚴(yán)重制約了煤礦安全高效生產(chǎn)[6-9]。

針對有堅(jiān)硬頂板的低滲透性特厚煤層瓦斯抽采困難問題，需采取強(qiáng)制放頂及煤巖增透措施，提高瓦斯治理效果。實(shí)踐應(yīng)用表明：實(shí)施堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)時(shí),通過壓裂泵組將高壓流體注入鉆孔內(nèi)并持續(xù)保持高壓，當(dāng)壓力超過圍巖破裂壓力后，堅(jiān)硬頂板巖體的整體性產(chǎn)生破壞，隨工作面推進(jìn)頂板及時(shí)垮落，避免大面積懸頂冒落導(dǎo)致瓦斯異常涌出，并且水力壓裂措施能夠提高煤巖裂隙發(fā)育程度，有效提高煤巖透氣性，提高瓦斯抽采效果[10-13]。張群等[8]提出了碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂煤層氣高效抽采模式，在淮北礦區(qū)取得了較好的應(yīng)用效果；王建利等[9]在韓城礦區(qū)瓦斯抽采工程中實(shí)施頂板梳狀孔水力壓裂技術(shù)，實(shí)踐效果良好；孫四清等[14]開展了井下長鉆孔整體水力壓裂增透技術(shù)的工程試驗(yàn)研究，針對陽泉礦區(qū)碎軟低滲高突煤層工程實(shí)現(xiàn)了井下一次性整體壓裂；王廣宏[15]將定向長鉆孔水力壓裂增透技術(shù)用于煤巷條帶瓦斯抽采，取得了較好的效果。目前，水力壓裂技術(shù)提高瓦斯抽采效果的實(shí)現(xiàn)途徑主要為本煤層壓裂，筆者針對崔家溝煤礦含堅(jiān)硬頂板低滲煤層，開展定向長鉆孔水力壓裂工程試驗(yàn)，旨在探究堅(jiān)硬頂板定向長鉆孔水力壓裂技術(shù)在焦坪礦區(qū)地質(zhì)條件下瓦斯高效抽采的可行性。

1 試驗(yàn)工作面概況

崔家溝煤礦位于焦坪礦區(qū)中南部，礦井采用斜井立井聯(lián)合開拓。井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，共含煤4組9層，礦井主采4-2煤層，其余均為不可采煤層。4-2煤層位于延安組第一段中上部，地質(zhì)勘探資料顯示煤層平均厚度為13.4 m，最大埋深為755.3 m。

試驗(yàn)區(qū)域位于礦井二水平三采區(qū)2305綜放工作面，工作面設(shè)計(jì)可采走向長度為1 560 m，傾向長度為200 m。煤層平均可采厚度為10.50 m，開切眼處最大煤層厚度達(dá)到26.8 m，煤層平均傾角為4°，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值約為1.06，煤層原始瓦斯含量為2.50～4.33 m3/t，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.028～0.033 d-1。2305綜放工作面主要采用本煤層順層普通鉆孔進(jìn)行預(yù)抽，由于煤層透氣性差，鉆孔抽采瓦斯流量及瓦斯?jié)舛人p快，抽采效果不佳。

2305綜放工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，4-2煤層直接頂以粉砂巖為主，部分區(qū)域?yàn)槟鄮r、炭質(zhì)泥巖，厚度為2.16～2.60 m。基本頂以灰色、灰白色細(xì)粉砂巖為主，部分地段為炭質(zhì)泥巖，成分以石英石為主，含暗色礦物，鈣質(zhì)膠結(jié)，較堅(jiān)硬。崔家溝井田地層特征如表1所示。

表1 崔家溝井田4-2煤層及頂?shù)装逄卣?/p>

2 頂板定向長鉆孔工藝

頂板定向長鉆孔施工采用VLD-1000型礦用履帶式千米鉆機(jī)進(jìn)行，配套DGS孔底測量儀、孔內(nèi)馬達(dá)、CHD120重型MECCA鉆桿，該套設(shè)備主要用于煤礦井下以瓦斯抽放、排水、勘探及地質(zhì)構(gòu)造探測為目的定向鉆探施工。

針對4-2煤層堅(jiān)硬頂板厚度大、強(qiáng)度高、不易垮落的特點(diǎn)，結(jié)合回采期間拉架放頂導(dǎo)致鄰近3-3煤層瓦斯大量涌入綜放工作面的現(xiàn)狀，本次定向鉆孔布置層位選擇在含礫粗砂巖層，定向長鉆孔軌跡剖面圖如圖1所示。

圖1 DY1定向長鉆孔軌跡剖面圖

定向鉆場選在2305綜放工作面回風(fēng)巷側(cè)距開切眼590 m處，共布置3個(gè)鉆孔，與回風(fēng)巷水平距離分別為60、110、160 m。鉆孔采用一次成孔工藝，孔徑145 mm。鉆孔平面軌跡如圖2所示，具體施工參數(shù)如表2所示。

圖2 2305綜放工作面頂板定向長鉆孔平面位置

表2 頂板定向長鉆孔施工參數(shù)

3 頂板定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)

3.1 水力壓裂設(shè)備

本次頂板定向長鉆孔水力壓裂成套設(shè)備由中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司自主研發(fā)，設(shè)備主要包含有BYW220/50礦用壓裂泵組、水箱、高壓膠管、密封鉆桿、調(diào)壓閥及分段壓裂工具串，其中分段壓裂工具串由變扣、機(jī)械丟手、扶正器、封隔器、篩管、壓差滑套和導(dǎo)向絲堵組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分段壓裂工具串結(jié)構(gòu)圖

3.2 水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井地質(zhì)條件，結(jié)合定向鉆孔施工情況，本次頂板壓裂采用分段倒退式裸眼壓裂，雙封隔器拖動式封孔工藝，壓裂介質(zhì)為清水。根據(jù)定向鉆孔在堅(jiān)硬頂板層位長度及鄰近工作面周期來壓步距(約28.3 m)設(shè)計(jì)多段孔內(nèi)壓裂，壓裂位置選在2次周期來壓范圍內(nèi)，每段壓裂長度10 m，間隔30 m，設(shè)計(jì)壓裂壓力不低于28 MPa。DY1定向長鉆孔分段壓裂示意圖如圖4所示。

圖4 DY1定向長鉆孔分段壓裂示意圖

3.3 水力壓裂施工

依次連接導(dǎo)鞋、篩管、封隔器、高壓油管等工具，上扣時(shí)涂抹密封油后打緊；管柱入孔時(shí)注意限速、勻速送入；下放至預(yù)定位置后，首先利用小壓力啟動封隔器，然后加大壓力從篩孔出水即可進(jìn)行壓裂；壓裂完畢待卸壓完全后，即可解除封隔器，退出部分管柱進(jìn)行下一段壓裂，直至所有段壓裂完成后回收管柱。

本次試驗(yàn)成功實(shí)施3個(gè)頂板定向長鉆孔總計(jì)39段、1 560 m的裸眼分段水力壓裂作業(yè)，總計(jì)壓裂時(shí)間5 231 min，單段壓裂最高峰值壓力為37.5 MPa，累計(jì)注水量983.1 m3。具體各頂板定向長鉆孔分段水力壓裂數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 頂板定向長鉆孔分段水力壓裂數(shù)據(jù)

4 頂板水力壓裂及瓦斯抽采效果分析

4.1 頂板水力壓裂卸壓效果分析

通過對2305綜放工作面與相同地質(zhì)條件下未開展水力壓裂的相鄰2303綜放工作面初采初放階段礦壓顯現(xiàn)情況對比，分析頂板定向長鉆孔水力壓裂效果。其中，2303綜放工作面懸頂面積大、持續(xù)時(shí)間長、初次來壓步距大、強(qiáng)度高，造成工作面瓦斯異常涌出，出現(xiàn)煤壁片幫等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響2303綜放工作面正常安全回采。而2305綜放工作面通過頂板定向長鉆孔分段水力壓裂治理，初采初放階段132臺支架除去兩端各4臺過渡支架外，循環(huán)末阻力各數(shù)據(jù)均有下降，工作面絕對瓦斯涌出量下降了19.9%。2305綜放工作面與2303綜放工作面礦壓數(shù)據(jù)對比如表4所示。

表4 相鄰工作面初采初放階段礦壓數(shù)據(jù)對比

4.2 壓裂鉆孔瓦斯抽采效果分析

頂板定向長鉆孔分段水力壓裂將高壓水注入圍巖，使煤層及圍巖中孔隙發(fā)生擴(kuò)張并形成裂縫，為瓦斯解吸及運(yùn)移提供通道，增大了煤層滲透率，提高了瓦斯抽采效果[16-18]。頂板定向長鉆孔壓裂前后瓦斯抽采效果對比如表5所示。

表5 頂板壓裂長鉆孔瓦斯抽采效果對比

通過對3個(gè)頂板定向長鉆孔瓦斯抽采效果分析對比可知：壓裂后鉆孔抽采甲烷體積分?jǐn)?shù)平均提升了1.92倍，瓦斯抽采純量平均提升了1.57倍。

4.3 本煤層區(qū)域瓦斯預(yù)抽效果分析

根據(jù)2305綜放工作面瓦斯抽采設(shè)計(jì)，工作面預(yù)抽主要為回風(fēng)巷側(cè)施工的本煤層平行順層鉆孔，其中開切眼向外240 m范圍煤層厚度超過20 m作為瓦斯預(yù)抽第1單元，每3個(gè)鉆孔為1組，組間距為6 m，開孔呈上中下布置；240 m至定向鉆場煤層厚度間10～20 m作為瓦斯預(yù)抽第2單元，每2個(gè)鉆孔為1組，組間距為6 m，開孔呈上下布置。本煤層區(qū)域預(yù)抽瓦斯壓裂前后效果對比如表6所示。

表6 本煤層區(qū)域預(yù)抽瓦斯抽采效果對比

通過對頂板定向長鉆孔水力壓裂前后2個(gè)預(yù)抽單元的瓦斯抽采多參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)對比可知：壓裂后本煤層預(yù)抽甲烷體積分?jǐn)?shù)平均提升了1.79倍，抽采瓦斯純量平均提升了2.01倍。研究表明，頂板定向長鉆孔水力壓裂影響范圍擴(kuò)展至4-2煤層。

頂板定向水力壓裂技術(shù)是基于力學(xué)角度，結(jié)合定向鉆孔服務(wù)周期長、施工精度高等優(yōu)點(diǎn)，采用高于地層應(yīng)力的高壓水精準(zhǔn)沖擊頂煤及圍巖，使原生裂隙、孔隙及節(jié)理發(fā)生擾動，造成局部損傷，促使圍巖及煤體內(nèi)部裂隙弱面擴(kuò)展延伸，在擴(kuò)展原生裂隙的同時(shí)，不斷發(fā)育新生裂隙，最終形成相互交織貫通的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加了瓦斯運(yùn)移流動通道，提高了煤體及圍巖滲透性，從而提高瓦斯抽采效果。

5 結(jié)語

1)針對焦坪礦區(qū)堅(jiān)硬頂板垮落難，特厚煤層及圍巖瓦斯抽采效果差的特點(diǎn)，提出了頂板定向長鉆孔分段水力壓裂卸壓瓦斯抽采工藝，完成了3個(gè)頂板定向長鉆孔水力壓裂施工，累計(jì)壓裂長度1 560 m，累計(jì)注水量983.1 m3，總壓裂時(shí)間5 231 min，單段最大峰值壓力37.5 MPa。

2)頂板定向長鉆孔分段水力壓裂后，工作面初次來壓步距同比降低了29.37%，來壓前支架峰值壓力和平均壓力同比分別下降了7.46%和8.47%；來壓時(shí)支架峰值壓力、平均壓力同比分別下降8.31%和8.81%；工作面絕對瓦斯涌出量同比下降19.9%。有效解決了工作面初采初放階段大面積懸頂和瓦斯異常涌出問題。

3)壓裂后頂板定向長鉆孔抽采甲烷體積分?jǐn)?shù)、純量分別提高了1.92倍和1.57倍，本煤層區(qū)域預(yù)抽甲烷體積分?jǐn)?shù)、純量分別提高了1.79倍和2.01倍，瓦斯抽采效果顯著提升，可為類似地質(zhì)條件下瓦斯治理提供參考。

4)本次試驗(yàn)初步證實(shí)了焦坪礦區(qū)堅(jiān)硬頂板采用定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)在實(shí)現(xiàn)工作面頂板區(qū)域弱化的同時(shí)，提高了本煤層及圍巖瓦斯抽采效果，但受樣本數(shù)量較少及抽采效果考察周期短限制，該技術(shù)對本煤層滲透性及瓦斯高效抽采機(jī)制仍需進(jìn)一步深入研究。