水力割縫－水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù)應(yīng)用

孫 鵬

（山西煤炭進出口集團公司霍爾辛赫煤業(yè)有限公司，山西 長子 046600）

引 言

我國的煤層大部分為低滲透煤層，瓦斯抽采困難，因此尋求一種快速卸壓增透的措施是大多數(shù)低滲透煤層開采所面臨的難題［1］。近年來，隨著高壓水射流技術(shù)的發(fā)展，利用高壓水在已施工的鉆孔中對煤體割縫、鉆擴孔等方法有了一定的成效。張連軍等通過現(xiàn)場實踐表明，采用水力割縫技術(shù)能夠有效降低煤巷瓦斯涌出初速度和減少瓦斯鉆屑量，對于煤礦的瓦斯抽采和瓦斯防突工作意義重大；童碧等［2］研究了下向穿層孔水力割縫工藝，采用“分組分排吹”的排水排渣工藝；吳教錕［3］在石門揭煤過程中利用25MPa～30MPa高壓水進行水力割縫，縮短了石門揭煤工期；朱紅青等［4］通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，圓錐形噴嘴的水力割縫效果最好，水力割縫效果的好壞與高壓水射流噴嘴的關(guān)系密切；黃春明等［5］利用自振脈沖水射流裝置在平頂山礦區(qū)進行水力割縫試驗，最高壓力為30MPa，使得割縫后的瓦斯抽采濃度為割縫前的1.9倍，通過設(shè)計防噴裝置來進行排水排渣。但是單一的高壓水力卸壓增透方法對煤層割裂仍有一些缺點，比如割縫不均勻、雜亂、裂隙不規(guī)律等，對工作面下方底板有破壞。

基于此，采用水力割縫－水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù)克服單一高壓水力卸壓增透技術(shù)帶來的缺點，解決西南重慶礦區(qū)煤層松軟，透氣性差，瓦斯抽采率不高的問題。并在同煤浙能麻家梁煤礦進行現(xiàn)場對比試驗，總結(jié)了復(fù)合增透技術(shù)的優(yōu)點。

1 水力壓裂及水力縫的增透原理

煤層水力壓裂原理是利用高壓水射流將煤體原有形態(tài)破壞，當水壓超過煤體承壓時，煤體被高壓水沖破，并沿著注水方向產(chǎn)生大量裂縫，裂縫順著煤層節(jié)理和上下頂?shù)装鍓簯?yīng)力與拉應(yīng)力不斷發(fā)育延伸，形成瓦斯流動的裂隙通道，并使得煤層在高壓水的沖擊下卸壓增透，瓦斯涌出。當前對壓裂后裂隙的發(fā)育與擴展很多學者在借助巖石力學知識的基礎(chǔ)上構(gòu)建了很多數(shù)學模型來量化裂隙發(fā)育規(guī)律。

高壓水力割縫原理是高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫增加了煤體暴露面積，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動創(chuàng)造了良好的條件，縫槽上下的煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性?？p槽在地壓的作用下，周圍煤體產(chǎn)生空間移動，擴大了縫槽卸壓、排瓦斯范圍。在高壓旋轉(zhuǎn)水射流的切割、沖擊作用下，鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，形成扁平縫槽空間，增加了煤體中的裂隙，可大大改善煤層中的瓦斯流動狀態(tài)，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀況，緩和煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，既可削弱或消除突出的動力，又可提高煤層的強度，起到防突作用，并提高透氣性和瓦斯釋放能力。從而大大提高瓦斯抽采效率。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 工作面概況

本工作面位于一采區(qū)，北鄰＋665回風巷，東鄰14103工作面，西鄰14101工作面，南部預(yù)留天燃氣管道保護煤柱。14102兩條順槽呈南北方向布置，切眼呈東西方向布置。14102輔運順槽原留設(shè)保護煤柱19.5m，由于受14101采動影響，巷道變形嚴重，支護困難，將保護煤柱擴至40m，并在里程388m處重新掘14102輔運順槽。14102原切眼在2 922m處，由于受上覆天然氣管道影響，將新切眼開設(shè)在1 788m處。根據(jù)順槽巷及切巷掘進過程中的探測資料分析：煤層厚度變化不大，里程1m～350m平均煤厚8m，350m～388m平均煤厚9m，388m切眼平均煤厚10m。純煤厚度為6.80m～10.85m，平均厚度9.69m。煤層瓦斯φ（CH4）＜50%，φ（N2）＞50%，瓦斯含量CH4一般小于1mL／g礦井最大絕對瓦斯涌出量20.66m3／min，最大相對瓦斯涌出量為0.82m3／t，據(jù)地勘資料可知，M7－2、M8－1煤層屬于煤與瓦斯突出煤層。

2.2 試驗設(shè)備

水力壓裂設(shè)備選用QH－600TWS型壓裂泵，采用合金鋼鍛造、體積小、重量輕、耐酸堿、耐高壓、抗沖擊、方便開展各種不同的井下作業(yè)工作。最高承受壓力為116.2MPa，最大流量為2 604lpm。配合高壓表、耐高壓可纏繞軟管、壓裂管等。高壓管連接高壓泵與壓裂管，高壓管上接入壓力表和流量表來檢測水壓和注水量，確保壓裂過程安全穩(wěn)定開展。水力割縫設(shè)備選用MG－200型超高壓水力割縫裝置適用于高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性煤層（煤層硬度f＞0.5）工作面順層鉆孔、穿層鉆孔及石門揭煤卸壓增透、沖擊地壓防治等，配合超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、金剛石水力割縫鉆頭、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、超高壓清水泵。

2.3 試驗過程

試驗方案分四組試驗，水力壓裂－水力割縫聯(lián)合增透試驗、單一水力割縫試驗、普通鉆孔抽采；實驗地點在北鄰＋665回風巷3區(qū)幾個鉆場。分別對M7－2煤層頂板和 M7－2、M8煤層進行聯(lián)合壓裂；鉆孔抽采方式為穿層瓦斯抽采，布置間距為橫六豎八交錯布置，孔底打到M7－2煤層底部，每種試驗方法分別打鉆30個。

1）水力壓裂－水力割縫聯(lián)合增透試驗。首先進行壓裂孔施工，打至割縫孔中偏上位置，初期壓力設(shè)置為27MPa，當發(fā)現(xiàn)鉆孔有煤漿涌出時降低壓力到13MPa，累計注水量為59t。壓裂完畢后，間隔5d開始對壓裂孔進行水力割縫，使用高壓水泵和旋轉(zhuǎn)噴頭對30個鉆孔進行半小時割縫；割縫完畢后連接瓦斯抽采管，開始抽采瓦斯。

2）水力壓裂增透試驗。壓裂孔施工方式與聯(lián)合割縫壓裂孔相同，保持初始注水壓力與聯(lián)合增透壓力相同，壓裂數(shù)小時后發(fā)現(xiàn)煤層內(nèi)有水涌出時停止壓裂。降低壓力至10MPa，累計注水60t。間隔數(shù)日后開始瓦斯抽采孔布置，省去割縫施工過程，封孔完畢后連接瓦斯抽采管路進行抽采。

3）水力割縫增透試驗。割縫孔施工方式保持與聯(lián)合增透施工方式相同，首先進行鉆孔擴孔操作，待擴孔完畢后，利用螺旋鉆桿與高壓水泵進行高壓水射流割縫，每個鉆孔割縫半個小時以上，割縫完畢后連接抽采管路進行瓦斯抽采。

4）普通鉆孔抽采試驗。普通鉆孔與上述鉆孔施工方式相同，打好30個鉆孔后直接擴孔，間隔數(shù)日封堵孔口，連接瓦斯抽采管路開始抽采。

2.4 試驗結(jié)果

1）鉆孔瓦斯抽采效果。設(shè)置四種抽采技術(shù)方案，并在每種抽采方案的孔口連接瓦斯?jié)舛葯z測儀，記錄單孔瓦斯?jié)舛群?0個鉆孔瓦斯?jié)舛瓤偤?。四種抽采方案單孔瓦斯?jié)舛茸兓闆r，如圖1所示。

圖1 四種抽采技術(shù)方案的單孔瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

對比圖1中四種抽采技術(shù)的初抽瓦斯?jié)舛?，普通抽采技術(shù)的瓦斯抽采濃度在10%以下，平均單孔瓦斯?jié)舛戎挥?.3%；水力壓裂技術(shù)中大部分抽采孔瓦斯?jié)舛仍?8%～50%，水力割縫技術(shù)中大部分瓦斯抽采孔瓦斯?jié)舛冉橛?5%～39%；而壓裂－割縫聯(lián)合增透技術(shù)中瓦斯抽采濃度最低也在30%，最高可達63%；可見水力壓裂－水力割縫聯(lián)合增透技術(shù)綜合了壓裂與割縫技術(shù)的優(yōu)勢，破壞了煤層原有形態(tài)，大大擴大了煤層的透氣性，使得煤層泄壓增透，大量裂隙發(fā)育發(fā)展，為瓦斯流動提供了良好的運移通道。

四種抽采技術(shù)方案瓦斯累積抽采量曲線，如圖2所示。

由上圖可看出隨著抽采時間的延長，每種抽采技術(shù)的抽采量都在不斷上升，聯(lián)合增透方案的曲線上升斜率高，也就意味著相同時間內(nèi)瓦斯抽采量增長更多，截至累計抽采28d后，聯(lián)合增透鉆孔瓦斯抽采量基本接近8 000m3，水力壓裂鉆孔瓦斯抽采量為5 333.3m3，水力割縫技術(shù)為4 705m3，而普通鉆孔抽采瓦斯量幾乎是聯(lián)合增透的1／7，可見聯(lián)合增透技術(shù)大大超越了其它單一抽采方法，而且高效抽采時間比較持久，抽采15d后，水力壓裂與水力割縫瓦斯增長率都出現(xiàn)輕微減小，而聯(lián)合增透瓦斯增長率基本無衰減。

圖2 四種抽采技術(shù)方案瓦斯累積抽采量曲線

3 結(jié)語

1）水力壓裂－水力割縫聯(lián)合增透技術(shù)比其它單一抽采技術(shù)方案具有明顯的優(yōu)勢，結(jié)合了水力壓裂與水力割縫的各自優(yōu)勢，極大地破壞了煤層原有形態(tài)，使得煤層泄壓增透，大大提高了瓦斯抽采率。水力壓裂技術(shù)中大部分抽采孔瓦斯?jié)舛仍?8%～50%，水力割縫技術(shù)中大部分瓦斯抽采孔瓦斯?jié)舛冉橛?5%～39%；而壓裂－割縫聯(lián)合增透技術(shù)中瓦斯抽采濃度最低也在30%，最高可達63%。

2）四種抽采技術(shù)瓦斯抽采量隨著抽采時間的增加而不斷增長，但是聯(lián)合增透技術(shù)的瓦斯增長率基本不衰減，而其他抽采方案的瓦斯增長率隨著時間的推移而不斷減小，可見水力壓裂－水力割縫聯(lián)合增透技術(shù)高效抽采時間持久，聯(lián)合增透技術(shù)抽采后一個月內(nèi)瓦斯抽采量，分別是其他三種抽采方法抽采量的1.6倍、1.8倍、6.9倍。可見水力壓裂－水力割縫聯(lián)合增透技術(shù)能很好地增大松軟煤層透氣性，適合在西南礦區(qū)推廣應(yīng)用。