基于井下水力壓裂強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)應(yīng)用研究

周玉軍（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院資源環(huán)境系，河南省焦作市，454000）

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★節(jié)能與環(huán)?！?/p>

基于井下水力壓裂強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)應(yīng)用研究

周玉軍
（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院資源環(huán)境系，河南省焦作市，454000）

摘 要針對車集煤礦煤層透氣性較差，采用常規(guī)的抽采方法抽采效率低的問題，在2706上巷車場進(jìn)行了水力壓裂卸壓增透強(qiáng)化抽采瓦斯現(xiàn)場試驗(yàn)，考察壓裂前后瓦斯參數(shù)的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：壓裂前的煤層透氣性系數(shù)為0.5822 m2/（MPa2·d），壓裂后為7.3030 m2/（MPa2·d），提高了12倍以上，使鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)大大減小，通過分析對比，水力壓裂使車集煤礦由難抽煤層變?yōu)榭沙槊簩?，大大減弱及消除了煤與瓦斯的突出危險性。

關(guān)鍵詞瓦斯抽采 水力壓裂 壓裂機(jī)理 卸壓增透 效果對比

目前我國大多數(shù)礦井煤層屬低滲透性、高吸附性的難以抽采煤層，為安全生產(chǎn)就必須采取有效措施增加煤層透氣性，本文采用井下鉆孔水力壓裂對煤層卸壓和增透，降低煤層中的瓦斯含量及瓦斯壓力，使煤層的瓦斯?jié)撃艿靡跃徑猓后w塑性增加，提高煤層瓦斯解吸的啟動瓦斯壓力梯度，瓦斯放散初速度大大降低，消除和減弱煤與瓦斯的突出危險性。

水力壓裂強(qiáng)化抽采瓦斯依靠高壓水作為介質(zhì)，注水壓力大于煤層破碎壓力時將在煤層中形成裂縫，使煤層原有的裂隙與壓裂形成的裂隙擴(kuò)展延伸，形成貫通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，增大煤層透氣性。

1　工作面概況

車集煤礦為高瓦斯礦井，局部煤層區(qū)域具有突出危險性。27采區(qū)二2煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬較穩(wěn)定煤層，厚度在0.42～8.86 m，平均煤厚3.33 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為0.93 m，老頂為中粒砂巖，平均厚度為9.15 m，底板為細(xì)粒砂巖，平均厚度為8.49 m。巷道的底板標(biāo)高－711.6 m，地面標(biāo)高+31 m，煤層埋深742.6 m，此處的相對瓦斯涌出量最高達(dá)到12.76 m3/t，絕對瓦斯涌出量最高達(dá)到4.31 m3/min。在27采區(qū)進(jìn)行巷道掘進(jìn)過程中瓦斯經(jīng)常超限，煤層透氣性較差，抽放半徑為0.75 m，打鉆過程中瓦斯也經(jīng)常超限，為此采取一種水力化強(qiáng)化增透瓦斯的技術(shù)來解決這一問題。

2　水力壓裂設(shè)計及施工

2.1 壓裂設(shè)備

水力壓裂裝備由HTB500型高壓注水壓裂泵組和QJZ系列礦用隔爆兼本質(zhì)安全型真空電磁起動器組成。HTB500型高壓注水壓裂泵組體積相對較小，泵以防爆型電機(jī)為泵體提供動力，共計6個檔位（空檔、1～5檔），不同的檔位注水壓力及排量不同，對不同的煤儲層適用性較好，可以滿足不同孔隙特性及不同煤巖力學(xué)性質(zhì)的煤巖要求。

2.2 鉆孔設(shè)計

通過井下實(shí)地考察并結(jié)合參數(shù)測試結(jié)果及現(xiàn)場施工條件，選定2706上巷作為井下鉆孔水力壓裂的試驗(yàn)地點(diǎn)。本次壓裂共設(shè)計3個壓裂鉆孔。壓裂鉆孔長度主要影響因素在于鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力和壓裂的影響范圍，盡可能在壓裂后煤層區(qū)域不留瓦斯抽放空白帶，在條件允許下盡量施工長鉆孔，以實(shí)現(xiàn)大循環(huán)作業(yè)和區(qū)域消突。壓裂鉆孔布置如圖1所示，壓裂鉆孔參數(shù)情況見表1。

圖1　鉆孔布置示意圖

表1　壓裂鉆孔參數(shù)

2.3 破裂壓力計算

高壓水進(jìn)入煤層后產(chǎn)生的破裂壓力Pf由上覆巖層的壓力p1、巖石的抗拉強(qiáng)度p2及管道的摩擦阻力p33部分組成。煤層的破碎壓力主要取決于煤層孔隙－裂隙的發(fā)育程度、埋藏深度及煤體的強(qiáng)度等因素影響，確定破裂壓力的計算公式:

式中:Pf——破裂壓力，MPa；

γi——上覆巖石比重；

hi——巖石厚度，m；

p1——上覆巖層壓力，MPa；

p2——巖石的抗拉強(qiáng)度，取0.8 MPa；

p3——管道摩阻，MPa，一般為管內(nèi)壓力的15%。

1#鉆孔由于出現(xiàn)塌孔未進(jìn)行實(shí)時壓裂。

2#鉆孔在半煤巖中鉆進(jìn)，煤中鉆進(jìn)深度21 m，巖層鉆進(jìn)深度39 m，底板多為砂質(zhì)泥巖（抗拉強(qiáng)度3.77 MPa）及細(xì)砂巖（抗拉強(qiáng)度8.80 MPa），孔深60 m，封孔35 m，孔內(nèi)壓裂管下至55 m處。經(jīng)計算2#壓裂孔的破裂壓力Pf= 28.86 MPa，考慮到管路彎折損失，預(yù)計Pf=30 ～33 MPa。

3#鉆孔在全煤層中鉆進(jìn)，實(shí)際鉆孔深為82 m，封孔30 m，孔內(nèi)壓裂管下至60 m。壓裂地點(diǎn)的上覆巖石厚度為730 m、比重25 k N/m3，二2煤層的抗拉強(qiáng)度為0.26 MPa。經(jīng)計算3#壓裂孔的破裂壓力Pf=21.78 MPa，考慮到管路彎折損失，預(yù)計Pf=22～25 MPa。

2.4 封孔

壓裂鉆孔的封孔為本次壓裂的關(guān)鍵，封孔的好壞直接決定本次壓裂的成功與否，封孔深度過淺導(dǎo)致壓裂水從煤層壁面的裂隙漏出及壓裂鉆孔漏水，封孔深度過深則增加了封孔的難度及費(fèi)用，還會使封孔段部分煤段得不到卸壓。壓裂鉆孔使用高強(qiáng)度化學(xué)材料封孔，保證壓裂封孔長度≥30 m，封孔段抗壓強(qiáng)度≥35 MPa。傾斜布袋式帶壓封孔如圖2所示。

圖2　傾斜布袋式帶壓封孔示意圖

此次壓裂封孔段長度40 m，孔口與孔底聚氨酯段各2 m，中間帶壓水泥漿段36 m，上向鉆孔先注孔口聚氨酯段，再注孔底聚氨酯段，等2 h后聚氨酯凝固，再用泥漿泵向鉆孔注水泥漿。通過計算一個鉆孔注入水泥約375 kg。

2.5 壓裂過程

壓裂于2012年8月14日12∶00開始，整個過程耗時140 min，總注入水量約為58.8 m3，水力壓裂施工中壓力曲線如圖3所示。

圖3　水力壓裂施工中壓力曲線圖

確認(rèn)泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常后打開供水閥門，切換至1檔位，對壓裂孔進(jìn)行洗孔作業(yè)；到49 s時，壓力表迅速上升，說明高壓水已經(jīng)充滿壓裂孔空間和高壓軟膠管，進(jìn)行9 min時壓力持續(xù)平穩(wěn)增加，此時壓裂泵機(jī)體出現(xiàn)漏水，嚴(yán)重影響了泵組的壓裂能力和壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，之后的壓力降低屬人為泄壓，進(jìn)行泵組的維修；到50 min切換至2檔位，進(jìn)行大流量高壓水注入，90 min出現(xiàn)一個短暫的憋壓狀態(tài)，壓力由23.6 MPa上升至25.8 MPa，壓差為2.2 MPa；約2 min后壓力下降至24.1 MPa，表明此時煤層中部分裂隙已經(jīng)被沖開；到94 min切換至1檔位，進(jìn)行低流量高壓注水，數(shù)據(jù)表壓力持續(xù)維持在27 MPa左右，機(jī)械表壓力為32 MPa左右，到140 min停泵，期間沒有出現(xiàn)大的壓力波動，這段時間為裂隙的延伸過程；停泵40 min后壓裂孔中大量水外排，持續(xù)幾個小時，水中夾雜著煤塊和巖塊流出，表明煤層和巖層部分被壓開及壓裂孔周圍煤巖體形成了彈性或塑形狀態(tài)。

3　水力壓裂效果考察

3.1 壓裂前后瓦斯流量效果分析

現(xiàn)場實(shí)測壓裂前后瓦斯自然流量情況，壓裂前及壓裂后瓦斯自然流量各測16 d，2#壓裂孔壓裂前后自然流量隨時間的變化如圖4所示。

圖4　2#壓裂孔壓裂前后自然流量隨時間的變化曲線

從圖4可以看出，2#孔壓裂前的瓦斯自然流量起始為19.16 L/min，最高自然流量達(dá)到20.27 L/min，最低流量達(dá)到9.08 L/min，平均瓦斯自然流量達(dá)到12.45 L/min；進(jìn)行水力壓裂后，起始瓦斯自然流量為39.66 L/min，最大瓦斯自然流量達(dá)到77.45 L/min，平均達(dá)到了53.10 L/min。壓裂后平均瓦斯自然流量提高了4.27倍。

經(jīng)測定，3#孔壓裂前的瓦斯自然流量為8.07 L/min，壓裂后瓦斯自然流量為28.84 L/ min，瓦斯流量增幅明顯。

3.2 壓裂前后其他瓦斯效果分析

（1）壓裂前后瓦斯純量對比。2#壓裂鉆孔壓裂前瓦斯純量平均11.69 L/min，壓裂后瓦斯純量52.71 L/min，增加4.5倍；3#壓裂鉆孔壓裂前瓦斯純量平均7.53 L/min，壓裂后瓦斯純量26.11 L/min，增加3.47倍，瓦斯純量的提高使煤體中的瓦斯更多被抽采出來。

（2）壓裂前后煤層百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)對比。測得壓裂前區(qū)域煤層的平均瓦斯流量衰減系數(shù)0.0583 d－1，壓裂后瓦斯流量衰減系數(shù)0.0204d－1，壓裂以后鉆孔的抽采難易程度發(fā)生了很大變化，壓裂前抽放類型為難以抽放煤層，采用水力壓裂增透措施后抽放類型為可以抽放煤層，鉆孔流量衰減系數(shù)的減小，可以大大增加鉆孔的極限排放瓦斯量，為即將準(zhǔn)備的工作面回采降低突出危險性。

（3）壓裂前后煤層透氣性對比。壓裂前的煤層透氣性系數(shù)為0.5822 m2/（MPa2·d），壓裂后的煤層透氣性系數(shù)為7.3030 m2/（MPa2·d），比壓裂前提高了12倍以上，由難以抽放煤層變?yōu)榭梢猿榉琶簩印?/p>

4　結(jié)論

此次壓裂注水壓力最高達(dá)到35 MPa，在距2706上巷車場80 m遠(yuǎn)的2713底抽巷錨索眼漏水，此處的煤壁掛有水珠且潤濕，說明此次壓裂波及這條巷道，壓裂影響范圍大，在這個范圍內(nèi)都有大量的裂隙產(chǎn)生，使煤體大范圍的卸壓。

通過水力壓裂產(chǎn)生裂隙將煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)貫通，增加瓦斯流通的通道，煤層透氣性大大增加，百米瓦斯流量衰減系數(shù)大大降低，使煤層由難抽煤體變?yōu)榭沙槊后w，對壓裂段的煤體實(shí)施常規(guī)瓦斯抽采孔，進(jìn)一步降低瓦斯壓力和含量，平衡了地應(yīng)力分布，一定程度上消除了突出隱患。

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（責(zé)任編輯 張艷華）

The application of enhanced gas drainage technology based on the underground hydraulic fracturing

Zhou Yujun
（Department of Resources and Environment，Henan College of Industry&Information Technology，Jiaozuo，Henan 454000，China）

AbstractAiming at the poor permeability of coal seam in Cheji Coal Mine and low efficiency of gas drainage using conventional drainage methods，the field experiments of hydraulic fracturing which can relief pressure and improve permeability and then enhance gas drainage were carried out on the truck yard of 2706 up roadway，and the variations of gas parameters before and after fracturing were investigated.The experimental results show that the permeability coefficient of coal seam after and before fracturing is 7.3030 and 0.5822 m2/（MPa2·d）respectively and improves above 12 times，and the borehole gas flow attenuation coefficient greatly decreased.the data analysis and comparison shows that the hydraulic fracturing makes the coal seam of Cheji Coal Mine from difficult to drainage to possible to drainage coal seam，which greatly eliminates the hazard of coal and gas outburst.

Key wordsgas drainage，hydraulic fracturing，fracturing mechanism，relieving pressure and improving permeability，effect comparison

中圖分類號TD713.34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

作者簡介：周玉軍（1988－），男，河南洛陽人，碩士研究生，從事煤礦開采和礦井瓦斯治理的教學(xué)和科研等工作。