煤礦井下水力壓裂技術(shù)研究

摘要：為提高揭煤消突鉆孔的預(yù)抽效果，達(dá)到快速消突的目的，文章針對(duì)淮南潘一礦東井的煤礦地質(zhì)條件，基于水力壓裂增透技術(shù)基本原理，在1252（3）底板巷設(shè)計(jì)了穿層鉆孔水力壓裂增透系統(tǒng)，并對(duì)水力壓裂效果進(jìn)行考察。試驗(yàn)結(jié)果表明：井下水力壓裂能夠大幅度增加煤層的透氣性系數(shù)，大大提高鉆孔的預(yù)抽效果，為快速高效揭煤打好了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水力壓裂技術(shù)；施工工藝；封孔工藝；壓裂效果；煤礦開采 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD712 文章編號(hào)：1009-2374（2017）07-0228-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.109

隨著我國(guó)煤礦開采深度逐步增加，瓦斯災(zāi)害日益突出，為保證煤礦安全生產(chǎn)，人們?cè)絹?lái)越重視瓦斯災(zāi)害的治理研究。目前瓦斯抽放是瓦斯治理最有效的措施，但由于國(guó)內(nèi)煤層具有低滲透率的特點(diǎn)，瓦斯抽放效果有限，如何提高煤層的滲透率，增大透氣性系數(shù)，成為目前瓦斯治理工作研究的重點(diǎn)。當(dāng)前常用的方法主要有深孔松動(dòng)爆破和煤層高壓注水壓裂兩種，前者雖然能夠提高煤層的滲透率，但在應(yīng)用過(guò)程中易產(chǎn)生啞炮而留有安全隱患。目前淮南礦業(yè)集團(tuán)正大力推廣水力壓裂增透技術(shù)，提高鉆孔抽采效果，減少鉆孔施工數(shù)量，實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化。

1 水力壓裂增透技術(shù)基本原理

煤礦井下水力壓裂是一種使低滲煤層增透的技術(shù)，其基本原理是借助高壓水通過(guò)鉆孔以大于煤巖層濾失速率的排量向煤巖體注入，克服最小地應(yīng)力和煤巖體的抗拉強(qiáng)度，在煤層各種原生弱面內(nèi)對(duì)弱面兩壁面產(chǎn)生的劈裂或支撐作用使弱面發(fā)生張開、擴(kuò)展和延伸，從而對(duì)煤層形成內(nèi)部分割，這種分割過(guò)程一方面通過(guò)原生弱面的張開和擴(kuò)展，增大了裂隙等弱面的空間體積，增加了煤體孔隙率；另一方面原生孔裂隙等弱面的延伸增加了孔裂隙之間的連通，形成相互交織的多裂隙連通網(wǎng)絡(luò)，增加了瓦斯的運(yùn)移通道，正是由于這種裂隙連通網(wǎng)絡(luò)的形成，致使煤層的滲透率大大提高，在負(fù)壓抽采過(guò)程中，使得吸附瓦斯得以快速解吸，從而提高低滲煤層的抽采效果。

2 施工背景

淮南潘一礦東井西一（13-1）盤區(qū)頂板回風(fēng)上山揭13-1煤預(yù)計(jì)瓦斯壓力達(dá)到5MPa左右，突出危險(xiǎn)性較大，為提高揭煤消突鉆孔的預(yù)抽效果，達(dá)到快速消突的目的，確保安全、高效地揭過(guò)13-1煤層。選擇對(duì)該處揭煤采取水力壓裂增透技術(shù)。

3 鉆孔施工

3.1 水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

本次壓裂試驗(yàn)壓裂半徑按30m進(jìn)行設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)5個(gè)壓裂鉆孔，分別為壓1、壓2、壓3、壓4與壓5，其中壓2與壓5均穿過(guò)13-1煤層1m，即進(jìn)入13-1煤層頂板1m。5個(gè)壓裂鉆孔分兩個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行壓裂，其中壓1、壓2、壓3孔在1252（3）底板巷施工，壓4與壓5在揭煤巷道施工至法距15m處施工。另外為了考察此次壓裂過(guò)程中壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)的有效性，在1252（3）底板巷壓裂區(qū)域設(shè)計(jì)了3個(gè)輔助考察孔，分別為輔1、輔2、輔3。

具體設(shè)計(jì)見(jiàn)下圖：

3.2 施工工藝

壓裂鉆孔先使用Φ153mm鉆頭施工6.2m，下Φ127mm巖心管6m，下好注漿管，安裝好法蘭盤后，全孔注漿。待注漿凝固后，采用Φ94mm鉆頭施工至見(jiàn)煤前2m，再次通過(guò)法蘭盤注漿至注漿壓力達(dá)6MPa且穩(wěn)定10分鐘；待漿液凝固（至少48小時(shí)）后，使用Φ94mm施工至止煤1m后起鉆。輔助鉆孔采用Φ94mm鉆頭施工到設(shè)計(jì)孔深。

3.3 封孔工藝

鉆孔封孔采用“一堵多注、帶壓注漿”方式進(jìn)行封孔。孔內(nèi)全程下入Φ25mm內(nèi)徑壓裂管至孔底，實(shí)管下至見(jiàn)煤后0.5m位置，其余見(jiàn)煤段為高壓篩管（最上段篩管帶堵頭，且篩管采用紗布包裹），孔口外露不小于400mm，采用特制接頭連接；孔內(nèi)下4分注漿管至見(jiàn)煤點(diǎn)，孔口第三根鋼管設(shè)置彈性封堵裝置，彈性封堵裝置外段采用聚氨酯加棉紗進(jìn)行封堵固定。聚氨酯固孔結(jié)束后，利用注漿泵進(jìn)行帶壓注漿，水∶水泥體積比為0.7∶1，普通水泥∶白水泥比為3∶1，根據(jù)實(shí)際情況采用多次帶壓注漿進(jìn)行封孔，注漿壓力不小于4MPa，小于4MPa進(jìn)行補(bǔ)注。

輔助鉆孔封孔采用全程下套管的封孔方式，2英寸PVC實(shí)管下至見(jiàn)煤點(diǎn)前1m，煤段使用1英寸鐵花管，花管前端帶尖錐，預(yù)留4m長(zhǎng)4分注漿管?？卓谑褂镁郯滨シ舛?m，聚氨酯封堵牢固后，使用注漿泵注漿至2英寸PVC套管內(nèi)返漿。

4 壓裂及效果評(píng)價(jià)

4.1 壓裂過(guò)程

潘一礦東井1252（3）底板巷水力壓裂分為三個(gè)階段進(jìn)行，共歷時(shí)25天，三次的注水量均為330m3，在第一次對(duì)1#壓裂孔進(jìn)行水力壓裂過(guò)程中，鉆孔附近有四處錨桿存在滴水現(xiàn)象，其余兩次壓裂過(guò)程中巷道均無(wú)異常現(xiàn)象。根據(jù)3次壓裂的情況，初步估算13-1煤層起裂壓力為24～26MPa，注水量可達(dá)到330m3。統(tǒng)計(jì)情況如下表：

4.2 壓裂效果

為確定水力壓裂影響半徑，在底板巷內(nèi)施工了3個(gè)檢驗(yàn)鉆孔，分別距離最后壓裂的3#壓裂孔30m、40m、50m，具體布置如圖4所示：

在檢驗(yàn)鉆孔施工見(jiàn)煤時(shí)，通過(guò)測(cè)定煤層含水率及直接法測(cè)定瓦斯含量對(duì)壓裂半徑進(jìn)行考察，具體數(shù)據(jù)如下表所示：

根據(jù)上表可以看出，受水力壓裂影響，在距離壓裂鉆孔50m位置含水量已達(dá)到原始狀態(tài)的2倍以上，30m位置達(dá)到原始狀態(tài)的2.74倍。并且在迎頭施工距2#壓裂孔90m的4#壓裂孔時(shí)，取煤樣測(cè)得煤樣含水率達(dá)到5.8%，綜合考慮，可以得出結(jié)論壓裂影響半徑已達(dá)到50m范圍。

根據(jù)測(cè)得的瓦斯含量情況可以看出在壓裂影響半徑內(nèi)瓦斯含量隨半徑增加而遞增，應(yīng)該是受水壓影響部分瓦斯向外圍轉(zhuǎn)移，預(yù)計(jì)在水力壓裂的50m范圍外出現(xiàn)高瓦斯壓力及高瓦斯含量集中圈。

后期在1262（3）軌回聯(lián)巷施工了25個(gè)考察鉆孔，鉆孔終孔位置在水力壓裂影響的40～60m范圍，所施工鉆孔考察最低單孔濃度81%，最高單孔濃度100%。干管濃度達(dá)到89%。顯然水力壓裂的影響半徑達(dá)到了50m，并在影響范圍的外圍形成了高瓦斯含量集中圈。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在潘一礦東井進(jìn)行的水力壓裂試驗(yàn)形成了適應(yīng)該礦井的穿層鉆孔水力壓裂工藝，為安全高效地進(jìn)行石門揭煤奠定了很好的基礎(chǔ)；（2）通過(guò)本試驗(yàn)形成了一套適合潘一礦東井的水力壓裂鉆孔施工、封孔以及壓裂工藝；（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)井下水力壓裂試驗(yàn)的壓裂試驗(yàn)研究分析以及壓裂效果檢驗(yàn)，表明井下水力壓裂對(duì)提高鉆孔的抽采效果是非常有效的。

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作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)玉柱（1990-），男，山東菏澤人，淮南礦業(yè)集團(tuán)地質(zhì)勘探工程處潘一東項(xiàng)目部技術(shù)員，助理工程師，研究方向：礦井井下鉆探。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）