水力壓裂技術(shù)在高產(chǎn)高效礦井瓦斯治理中的應(yīng)用

柳岸春

（國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司布爾臺(tái)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

近年來，由于新技術(shù)、新工藝、新技術(shù)裝備等在煤炭開采領(lǐng)域的應(yīng)用，煤炭開采技術(shù)水平顯著提高，工作面開采強(qiáng)度也日益增強(qiáng)，其高產(chǎn)高效低瓦斯礦井瓦斯涌出表現(xiàn)出了速度快、較集中和極不均衡等特點(diǎn)。神東礦區(qū)在多數(shù)礦井開采過程中，出現(xiàn)了煤層的原始瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低，而當(dāng)?shù)V井開采力度大、生產(chǎn)率高時(shí)，礦井內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量大的現(xiàn)象[1]。其中，布爾臺(tái)礦井是典型的高產(chǎn)高效低瓦斯礦井之一，然其在采掘過程中礦井的絕對(duì)瓦斯涌出量高達(dá)35.51m3/min，且隨著礦井深度的擴(kuò)大，絕對(duì)瓦斯涌出量有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)[2]。所以，對(duì)如何解決布爾臺(tái)煤礦采煤工作面的回風(fēng)隅角氣體易聚集、頂板垮落易造成的氣體含量瞬間增加這一主要危險(xiǎn)源至關(guān)重要。從技術(shù)層面上講，提升采場(chǎng)硬頂板管理水平，并降低在硬頂板破斷過程中產(chǎn)生的動(dòng)力顯現(xiàn)強(qiáng)度，是克服礦山壓力顯現(xiàn)和來壓時(shí)，回采工作面內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量異常變動(dòng)的主要路徑，也是保障作業(yè)面內(nèi)安全生產(chǎn)的主要舉措[3]。據(jù)目前的生產(chǎn)實(shí)踐分析，水力壓裂既可以從根本上改善堅(jiān)硬巖體的構(gòu)造，也可以有效地削弱堅(jiān)硬頂板。故本文依據(jù)水力壓裂基本原則，確定了適合于該礦井的水力壓裂裝備，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂的強(qiáng)制放頂技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，用以提高礦井工作面頂板管理水平，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采綜合治理。

1 礦井及主要研究煤層概況

布爾臺(tái)煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，是神華神東煤炭集團(tuán)主力生產(chǎn)特大型礦井之一，井田東西長(zhǎng)6.8～18.4km，南北寬2.2～16.3km，面積為192.63km2，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為20.16×108t，年生產(chǎn)能力2000×104t，服務(wù)年限為71.3年。礦井采用斜井—平硐—立井綜合開拓，分區(qū)抽出式通風(fēng)，回采工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法開采全部垮落法管理頂板。

目前，礦井開采煤層為42上煤層，煤層賦存穩(wěn)定，整體構(gòu)造簡(jiǎn)單，屬于全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。煤層原始瓦斯量為1.81～2.28m3/t，透氣性系數(shù)為0.158782～0.265069m2/(MPa2·d)。42201回采工作面平均埋深約349.6m，煤層厚度為5.1～7.30m，平均6.24m。工作面頂板以砂質(zhì)泥巖為主，厚度為5～15m，底板為砂質(zhì)泥巖，工作面初次來壓步距為40m左右，周期來壓步距為19.5m左右。

根據(jù)2018年布爾臺(tái)煤礦礦井瓦斯等級(jí)和涌出量評(píng)估報(bào)告結(jié)論[4]，礦井的相對(duì)瓦斯涌出量為0.74m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為35.51m3/min，42201回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為4.36m3/min，相鄰的42109輔運(yùn)巷掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.45m3/min。但該工作面煤層可解吸瓦斯含量?jī)H為0.10～0.44m3/t，可見這是典型的高產(chǎn)高效低瓦斯礦井回采工作面瓦斯異常涌出現(xiàn)象。

2 瓦斯治理技術(shù)難點(diǎn)

（1）由于煤層的原始瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低，而煤礦開采力度大、生產(chǎn)率較高，造成了煤礦的絕對(duì)瓦斯涌出量相對(duì)較高而且不均勻，瓦斯災(zāi)害顯現(xiàn)的頻率和嚴(yán)重程度較高。

（2）煤層透氣性差，可解吸瓦斯含量較低，導(dǎo)致瓦斯不易釋放。同時(shí)，由于工作面基本頂堅(jiān)固，在直接頂垮落后無法填滿采動(dòng)空間，從而造成了基本頂懸頂，回采期間工作面的礦山壓力顯現(xiàn)和來壓現(xiàn)象更加明顯，在礦山壓力顯現(xiàn)和來壓時(shí)，常造成煤壁瓦斯涌出增加。

3 定向水力壓裂技術(shù)

3.1 定向水力壓裂原理

定向水力壓裂工藝技術(shù)[5-6]是指在頂板巖層壓裂段利用水力割縫工藝將施工頂板鉆孔中的煤體切斷，形成預(yù)制橫向切槽，隨后采用密封設(shè)備對(duì)切槽段進(jìn)行密封，再向鉆孔中注入高壓水對(duì)之實(shí)施水力壓裂，并利用預(yù)制橫向切槽引導(dǎo)致裂裂紋發(fā)展方向的工藝技術(shù)。定向水力壓裂對(duì)堅(jiān)硬難垮頂板的控制有著較為突出的成效，其主要體現(xiàn)在壓裂與軟化2個(gè)方面，并由此盡可能地破壞頂板巖層的完整性，進(jìn)而削弱其強(qiáng)度與穩(wěn)定性，使得采空區(qū)頂板能夠?qū)崿F(xiàn)分層分次垮落，從而縮短初次來壓距離和周期來壓的步距，達(dá)到降低并消除堅(jiān)硬難垮頂板對(duì)作業(yè)面回采影響的目的[7-8]。

3.2 水力壓裂的主要設(shè)備

水力壓裂的主要裝置包括管路系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、壓裂系統(tǒng)三個(gè)部分[9]。其中，壓裂系統(tǒng)主要由高壓注水泵、水箱和壓力表、水表、卸壓閥和相關(guān)設(shè)備的連接接頭等所構(gòu)成（如圖1所示）。高壓注水泵主要作用是在高壓下將壓裂液、支撐劑等深入預(yù)制導(dǎo)向槽中，以引導(dǎo)裂紋擴(kuò)展發(fā)育；管路系統(tǒng)通常會(huì)使用無縫鋼管或抗壓膠管，以起到傳輸功能。所以，需按照技術(shù)條件精心選擇。

圖1 壓裂系統(tǒng)連接圖

3.3 定向水力壓裂施工工序和工藝

水力壓裂頂板的一般施工工序包括：鉆孔、封孔、水力壓裂、高壓保壓注水等內(nèi)容。頂板定向分段水力壓裂如圖2所示。

圖2 頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂示意

首先使用大功率鉆機(jī)，在需壓裂的堅(jiān)硬頂板上實(shí)施鉆孔。依據(jù)工作面圍巖特性以及頂板的巖性改變而決定鉆孔深度，并按照所要求壓裂平面夾角的改變而決定鉆進(jìn)夾角，鉆孔水平投影至巷道方向的視角通常在70°～75°，而鉆進(jìn)仰角則通常不宜高于20°。

鉆孔的封孔方式：首先將橡膠密封裝置安裝到預(yù)設(shè)封孔的部位，然后向密封裝置注水或繼續(xù)加壓至設(shè)定的水壓范圍，使密封裝置的橡膠管能夠撐緊孔道，從而實(shí)現(xiàn)高壓水流對(duì)預(yù)裂縫的起裂及其擴(kuò)展發(fā)育，達(dá)到弱化頂板的目的。

高壓水力壓裂主要是利用高壓水泵所供給的高壓水流，進(jìn)而經(jīng)過高壓膠管、注水管道以及壓裂管等管路實(shí)施壓裂，并利用高壓水泵的壓力表以及水壓檢測(cè)儀的壓力曲線監(jiān)測(cè)預(yù)裂縫的起裂。

預(yù)裂縫在起裂之后水壓將有所降低，進(jìn)而步入保壓階段。在這一階段，原生裂隙仍將不斷擴(kuò)大并伴隨產(chǎn)生無數(shù)大小不一的次生裂隙，并在此過程中，需通過流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量及所注入的水量，確保頂板巖層能夠完全弱化和軟化。

4 定向水力壓裂設(shè)備確定

（1）切槽鉆頭。根據(jù)礦井現(xiàn)有的鉆孔設(shè)備，在定向水力壓裂鉆孔選用型號(hào)為ZDY15000LD型履帶式全液壓定向鉆機(jī)進(jìn)行施工，該鉆機(jī)鉆進(jìn)深度在500m以上，適應(yīng)性強(qiáng)，體積小，可滿足井下施工。

（2）鉆孔密封設(shè)備。為了保證鉆孔的密封性，鉆孔采用專用膠囊封孔器進(jìn)行密封，抗壓強(qiáng)度不低于40MPa，外徑為105mm。

（3）定向水力壓裂設(shè)備。運(yùn)用定向水力壓裂技術(shù)致裂頂板的核心是控制裂紋的起裂以及擴(kuò)展的方向，以盡可能地對(duì)頂板進(jìn)行定向致裂，破壞堅(jiān)硬難垮頂板巖層的完整性，從而較大程度地降低堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度及其穩(wěn)定性，釋放頂板彈性能，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)頂板的分層、分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，或者說實(shí)現(xiàn)巷道淺部圍巖高應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，達(dá)到降低動(dòng)壓巷道應(yīng)力環(huán)境的目的。所以，合理地選取高壓泵設(shè)計(jì)參數(shù)是有效弱化堅(jiān)硬難垮頂板強(qiáng)度和減小應(yīng)力環(huán)境對(duì)動(dòng)壓巷道影響的關(guān)鍵。

現(xiàn)階段煤礦井下常用的高壓泵組型號(hào)有BRW200-31.5、CBYL400等，其中BRW200-31.5高壓泵組電動(dòng)機(jī)額定工作功率為125kW，提供的最高水壓為31.5MPa，流量最大為12m3/h，在西南地區(qū)使用的比較普遍，但是主要存在注水流量過小問題，不能滿足井下壓裂供液需要。在42上煤層輔運(yùn)巷水力壓裂采用的CBYLA00高壓泵組，該設(shè)備具有體積小、流量大、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，具體設(shè)備運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 CBYL400高壓泵組運(yùn)行參數(shù)

（4）鉆孔密封設(shè)備。高壓管路，選用DN50高壓膠管，耐壓70MPa。

5 效果分析

為了分析定向水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用效果，運(yùn)用礦壓監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)回采進(jìn)入壓裂施工區(qū)前后的頂板及支架壓力變化實(shí)施了動(dòng)態(tài)監(jiān)控，以分析其對(duì)頂板壓裂弱化的效果；并選擇測(cè)風(fēng)當(dāng)天檢修班和生產(chǎn)班，就42201工作面的上隅角瓦斯抽采效果開展了檢測(cè)。其中，聯(lián)絡(luò)巷插管瓦斯抽采示意如圖3所示，上隅角瓦斯抽采量與風(fēng)排瓦斯量對(duì)比如圖4所示。

圖3 聯(lián)巷插管示意圖

圖4 上隅角瓦斯抽采量與風(fēng)排瓦斯量對(duì)比

經(jīng)過綜合分析，壓裂施工后頂板來壓強(qiáng)度明顯降低，最高壓力由59.1MPa降低至48.0Ma，來壓步位也由44～46m降低至23m左右，整體上超過40MPa的來壓范圍也顯著下降。其上隅角瓦斯抽采量為2.70～3.79m3/min，平均為3.25m3/min，風(fēng)排瓦斯量為1.61～1.69m3/min，平均為1.65m2/min。上隅角瓦斯抽采量占總瓦斯涌出量的比例為62.65%～69.16%，聯(lián)絡(luò)巷插管采空區(qū)抽采瓦斯成效顯著。

6 結(jié)語

（1）基于水力壓裂原理，確定了適用于該礦井工作面的水力壓裂技術(shù)裝備，水力壓裂技術(shù)裝備主要有管路系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、壓裂系統(tǒng)。

（3）在現(xiàn)場(chǎng)使用后，頂板的來壓強(qiáng)度明顯降低，最大壓力由59.1MPa下降至48.0MPa；上隅角瓦斯抽采量占總瓦斯涌出量的62.65%～69.16%，聯(lián)絡(luò)巷插管采空區(qū)抽采瓦斯成效顯著。