低透氣性煤層水力壓裂增透瓦斯抽采技術(shù)研究

時巨輝

（山西焦煤西山煤電斜溝礦，山西 呂梁 033600）

0 引言

目前淺埋煤層已經(jīng)逐步開采枯竭，開采的重點逐步向著深部煤層轉(zhuǎn)移。在進行深部煤層開采過程中重點開采難題逐步浮現(xiàn)，深部煤層在開采過程中由于其埋深大，導(dǎo)致煤層透氣性較差，從而瓦斯治理工作十分復(fù)雜。為了提升瓦斯治理效果，提出水力壓裂技術(shù)[1]，通過對透氣性較差的煤層進行定向壓裂，在煤層上壓裂出多條裂縫，從而達到提升透氣性的目的[2]。本文以斜溝礦18104 工作面為工程背景，對水力壓裂煤層瓦斯治理技術(shù)進行分析，為后續(xù)瓦斯治理效果的提升提供參考。

1 模擬分析

水力壓裂的本質(zhì)是通過對鉆孔進行注漿，從而撕裂鉆孔，形成貫通裂縫的過程，鉆孔圍巖壓裂后應(yīng)力大致分為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，其中破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)的劃分主要是根據(jù)煤巖自身力學(xué)性質(zhì)劃分，破碎區(qū)的圍巖處于連續(xù)破壞狀態(tài)，此時破碎區(qū)的穩(wěn)定主要依靠切應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦阻力，塑性區(qū)的圍巖處于壓縮變形狀態(tài)，其變形可以部分恢復(fù)，內(nèi)部的裂縫會擴展同時形成部分新生裂縫；彈性區(qū)則處于煤柱自身應(yīng)力及外部應(yīng)力耦合狀態(tài)，內(nèi)部裂隙多為原生裂隙；原巖應(yīng)力區(qū)則為壓裂影響最大范圍以外，不受鉆孔擾動[3]。

在原始應(yīng)力狀態(tài)下，此時內(nèi)部層理原生裂隙和切割裂縫之間的孔隙規(guī)模、尺度大小都存在差異，而當高壓水注入煤體裂隙后，此時液體的流動順序及流動狀態(tài)也各不相同，通過前人研究可知流體運動順序如下：從主裂縫（一級軟面）通過滲流至次裂縫（二級弱面），最后至煤基質(zhì)（三級弱面），相應(yīng)的運動為滲流、毛細浸潤和水分子擴散，具體擴散如圖1 所示。

圖1 煤巖裂縫擴散圖

水力壓裂增透是利用高壓水帶來的高壓致使煤體內(nèi)部原生結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，同時持續(xù)注入壓水從而產(chǎn)生裂縫，進一步使深部的原生裂隙得到擴張，孔隙充分發(fā)展，最終導(dǎo)致煤體瓦斯運移通道逐步增多，最終出現(xiàn)貫通情況，煤層整體性透氣性大幅度增加[4]。

利用數(shù)值模擬軟件對水力壓裂參數(shù)下瓦斯增透效果進行分析。首先進行模型的建立，根據(jù)煤層的實際情況，進行適當簡化，模擬上下層為泥巖，中間層為煤，兩種結(jié)構(gòu)直接接觸，煤層長度40 m，厚度3 m，泥巖層長度40 m，厚度10 m；3 個抽采孔按間距布置，抽采孔直徑為98 mm，對模型進行網(wǎng)格劃分及力學(xué)屬性設(shè)定，網(wǎng)格劃分遵循中間密，邊界稀疏的原則，物理參數(shù)設(shè)定如下：彈性模量為4 164 MPa，密度1 540 kg/m3，巖石的泊松比為0.25，空氣滲透率為5×10-16m2，瓦斯動力黏度為1.84×10-5Pa·s。完成物理設(shè)定后對模型邊界條件進行設(shè)定，頂部施加10 MPa 的均布荷載，固定底部及兩邊的約束，同時瓦斯初始壓力為2 MPa，抽采負壓設(shè)定為-20 kPa。對模型進行計算，煤裂隙壓力分布云圖如圖2 所示。

圖2 煤裂隙壓力分布云圖

圖2 為t=0、50 步、100 步、150 步、200 步的裂隙瓦斯壓力分布云圖，可以看出，隨著模擬步數(shù)的不斷增加，此時鉆孔內(nèi)部瓦斯壓力逐步減小，同時距離鉆孔距離的增大，此時瓦斯壓力呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，瓦斯壓力最小的位置位于鉆孔壁附近，而瓦斯壓力最大值則位于模型兩側(cè)。在模擬步數(shù)50 步以前時，此時的瓦斯壓力衰減速度較快而在模擬步數(shù)50 步以后時，瓦斯壓力衰減速度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，這是由于在瓦斯運移初期，此時的瓦斯壓力與環(huán)境壓差較大，所以煤層瓦斯運移速度較快，瓦斯壓力不斷釋放，而當模擬步數(shù)超過50 步后，此時的壓差逐步減小，瓦斯運移速度降低，瓦斯壓力減小的幅度也隨之降低。

2 水力壓裂現(xiàn)場應(yīng)用實踐

此次定向鉆孔水力壓裂增透技術(shù)在斜溝礦18104 工作面實施，選定風(fēng)巷底抽巷位試驗地點，該巷道煤層為8 號煤層，煤層平均厚度3.18 m，經(jīng)測定，現(xiàn)場瓦斯含量最大在16.43 m3/t 處，放散初速度AP最大29 mmHg，瓦斯壓力最大0.91 MPa，煤層透氣性系數(shù)最小為0.14 m2/（MPa2·d），煤的破壞類型為II～I類，頂?shù)装寰饕獮槟鄮r，泥質(zhì)粉砂巖、煤巖組成，對其進行水力壓裂試驗。具體壓裂步驟為鉆孔、封堵、注漿、壓裂等過程，壓裂過程水力壓裂曲線如圖3 所示。

圖3 壓裂過程水力壓裂曲線

從圖3 中可以看出，水力壓裂過程可分為五個階段，主要為鉆孔充水階段、裂縫起裂階段、裂縫擴展階段、系統(tǒng)關(guān)閉階段、放水階段，其中鉆孔充水階段是壓裂液對鉆孔及細小孔隙的填充過程，隨著水壓力的不斷增大，此時裂縫發(fā)生起裂及擴展，待裂縫起裂及擴展完成后，此時的壓裂過程幾乎完成，所以僅在裂縫起裂及裂縫擴展階段會出現(xiàn)較大的水壓力波動。對壓裂后的抽采效果進行分析，繪制抽采濃度與時間的關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖4 抽采濃度與時間的關(guān)系曲線

從圖4 中可以看出，壓裂前9-4 號鉆孔、9-5 號鉆孔、9-6 號鉆孔瓦斯抽采濃度依次為80%、60%、30%，而在水力壓裂過程中，由于水驅(qū)瓦斯效應(yīng)和未抽采的影響，使得抽采的瓦斯量出現(xiàn)降低，而當水力壓裂結(jié)束時，此時的鉆孔對應(yīng)的瓦斯抽采濃度依次為20%、15%、0%，完成壓裂后，鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛入S時間增長呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，抽采完成10 d 后，此時3 個鉆孔瓦斯抽采濃度已達到80%左右，等到抽采完成32 d 后，瓦斯抽采濃度趨于穩(wěn)定，瓦斯抽采濃度都高于90%以上。相比較而言9-6 號鉆孔瓦斯抽采濃度較未經(jīng)壓裂前提升了60%，比壓裂結(jié)束時提高了90%；而9-5 號鉆孔瓦斯抽采濃度比壓裂前提升了30%，比壓裂結(jié)束時提升了75%；9-4 號鉆孔抽采濃度較壓裂前提升了10%，較壓裂結(jié)束提高了75%。所以綜合分析可知，水力壓裂在煤層內(nèi)形成裂縫，從而增加了裂縫的面積，使得瓦斯向鉆孔內(nèi)流動，使瓦斯抽采濃度遠大于壓裂前，壓裂效果較好。

3 結(jié)論

1）斜溝礦通過對鉆孔增透技術(shù)進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著模擬步數(shù)的不斷增加，此時鉆孔內(nèi)部瓦斯壓力逐步減小，同時距離鉆孔距離的增大，此時瓦斯壓力呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。

2）水力壓裂過程可分為五個階段，主要為鉆孔充水階段、裂縫起裂階段、裂縫擴展階段、系統(tǒng)關(guān)閉階段、放水階段。

3）通過工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，水力壓裂在煤層內(nèi)形成裂縫，從而增加了裂縫的面積，使得瓦斯向鉆孔內(nèi)流動，使瓦斯抽采濃度遠大于壓裂前，壓裂效果較好。