水力壓裂增透技術(shù)在屯蘭礦瓦斯治理中的應(yīng)用

王永

摘 要：針對(duì)屯蘭礦煤層透氣性差、本煤層預(yù)抽鉆孔抽采瓦斯流量較小，抽采效率低，為了提升抽采效果，基于高壓水力壓裂增透試驗(yàn)，闡述了水力壓裂增透的原理，工藝布置及參數(shù)設(shè)置，進(jìn)而對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行量化分析。實(shí)踐表明，該技術(shù)的應(yīng)用有效改善了該工作面瓦斯抽采效果，降低回采過(guò)程中的瓦斯含量，保障了安全。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采;水力壓裂;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

隨著多年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)逐步步入全面建設(shè)小康社會(huì)的決勝階段，煤炭資源是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)張的重要保障。隨著開(kāi)采年限的增加，越來(lái)越多的賦存條件較為復(fù)雜的煤層已經(jīng)完成開(kāi)采，煤層的開(kāi)采逐步向著賦存復(fù)雜煤層轉(zhuǎn)移。瓦斯是煤層中含有的災(zāi)害性氣體，瓦斯抽采不合理或抽采不完全會(huì)造成難以估量的后果。由于煤層滲透性差、瓦斯含量高、瓦斯壓力大等造成瓦斯極難自由排出，所以提出水力壓裂增透技術(shù)[1]，水力壓裂增透技術(shù)是對(duì)煤層進(jìn)行壓裂，提升瓦斯抽采效果。本文以某礦為研究對(duì)象，研究低滲透煤層水力壓裂瓦斯抽采規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)低滲透煤層瓦斯抽采提供一定的指導(dǎo)及借鑒。

1 原理分析

水力壓裂增透技術(shù)是在地應(yīng)力的加載下，將高壓水注入至低滲透煤層，在高壓水的作用下，煤層出現(xiàn)壓裂裂縫，裂縫起裂后根據(jù)地應(yīng)力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，達(dá)到改變煤層力學(xué)特性。壓裂后的煤層人工裂隙發(fā)育較好，達(dá)到瓦斯增透效果。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)工作面概況

根據(jù)某礦的實(shí)際地址情況，選定19采區(qū)的皮帶巷和行人巷為本次水力壓裂的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。皮帶巷主要用于采區(qū)的通風(fēng)和運(yùn)輸?shù)?，巷道預(yù)計(jì)服務(wù)年限11年。該巷煤層為山西組中下部3#煤，煤層厚度5.23m～7.06m，煤層平均厚度為5.93m。煤層頂?shù)装宓膸r性主要為細(xì)砂巖和砂巖。煤層底板標(biāo)高為+471m～+440m，水力壓裂實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的埋深為480m。

2.2 水力壓裂鉆孔布置及封孔

水力壓裂系統(tǒng)主要是由注液泵、壓力表、封孔器及水箱等組成，煤層水力壓裂系統(tǒng)示意圖如1所示。

在進(jìn)行水力壓裂前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試孔的瓦斯抽采實(shí)驗(yàn)，預(yù)先打好測(cè)試孔，隨后將測(cè)試孔進(jìn)行封堵，抽采瓦斯記錄抽采數(shù)據(jù)。完成測(cè)試孔的抽采后進(jìn)行壓裂孔1的壓裂，打好鉆孔后對(duì)壓裂孔1封堵壓裂，壓裂完成后進(jìn)行瓦斯抽采，記錄瓦斯抽采數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與測(cè)試孔抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，重復(fù)上述步驟進(jìn)行壓裂孔2的施工與抽采，記錄數(shù)據(jù)。壓裂孔水力壓裂過(guò)程如下：

在進(jìn)行鉆孔施工后對(duì)鉆孔進(jìn)行高壓注水。在進(jìn)行注高壓水前需要對(duì)初始階段的水壓進(jìn)行設(shè)置，給定水壓后打開(kāi)注水泵進(jìn)行壓裂，壓裂過(guò)程中安排人員對(duì)壓裂過(guò)程中監(jiān)測(cè)壓力表的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄。緩慢提升注液壓力，將注液壓力控制在1MPa～10MPa，直至注液壓力達(dá)到煤層的破裂壓力，當(dāng)水壓保持穩(wěn)定后，關(guān)閉注水泵，逐步卸壓壓裂完成。

壓裂鉆孔的施工需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把控，封堵效果較差極易造成壓裂效果的不佳，為了保證鉆孔的質(zhì)量，在鉆孔過(guò)程中，保證鉆機(jī)的穩(wěn)定性，壓裂鉆孔1打在距離36采區(qū)皮帶巷30m的位置，鉆孔2布置在采區(qū)行人巷15m的方位，測(cè)試鉆孔1位于壓裂鉆孔1左側(cè)位置，距離15m，鉆孔的埋深均為80m，鉆孔直徑為113mm，開(kāi)孔的高度為1.6m，鉆孔的方位角為90°。鉆孔布置圖如2所示。

3 試驗(yàn)效果分析

在進(jìn)行壓裂時(shí)對(duì)測(cè)試鉆孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，水力壓裂過(guò)需要對(duì)瓦斯流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每個(gè)工作日監(jiān)測(cè)三次，一共監(jiān)測(cè)14天。在壓裂完成后對(duì)每個(gè)壓裂鉆孔打2個(gè)鉆孔監(jiān)測(cè)孔，進(jìn)行瓦斯流量監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。

根據(jù)圖3瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化曲線可以看出，在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中（14天），測(cè)試孔的瓦斯?jié)舛让黠@高于水力壓裂鉆孔瓦斯?jié)舛?。測(cè)試孔的濃度由于未經(jīng)過(guò)水力壓裂增透，使得其瓦斯?jié)舛却笾路植荚?0%～60%。在監(jiān)測(cè)的前4天，瓦斯?jié)舛雀哂?0%，而在4天之后瓦斯?jié)舛纫话闾幱?0%附近。觀察觀測(cè)孔的瓦斯?jié)舛群靠梢钥闯?，兩個(gè)觀測(cè)孔的瓦斯?jié)舛纫恢狈植荚?0%附近，且隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加瓦斯的濃度幾乎不發(fā)生變化。觀察水力壓裂鉆孔可以看出，在監(jiān)測(cè)4天前瓦斯?jié)舛瓤焖傧陆担陆档内厔?shì)較為明顯，在進(jìn)行瓦斯抽采過(guò)后瓦斯?jié)舛认陆抵?0%左右，低于測(cè)試孔的瓦斯?jié)舛?，這是由于在經(jīng)過(guò)水力壓裂后，煤層內(nèi)部發(fā)育眾多人工裂縫，巷道內(nèi)部的空氣與煤層的接觸面積增大，此時(shí)鉆孔內(nèi)部的瓦斯?jié)舛葧?huì)低于測(cè)試孔的瓦斯?jié)舛取Ｍ瑫r(shí)無(wú)論水力壓裂鉆孔、測(cè)試孔或者觀測(cè)孔的瓦斯?jié)舛入S著測(cè)試時(shí)間的增長(zhǎng)逐步呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是由于隨著瓦斯與巷道空氣的接觸時(shí)間的增大，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)下降的趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)5天前瓦斯?jié)舛瓤焖傧陆?，在瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)8天后瓦斯?jié)舛鹊南陆第厔?shì)減緩后保持穩(wěn)定。所以水力壓裂增透技術(shù)可以較好的提升瓦斯抽采效果。同時(shí)觀察壓裂鉆孔與測(cè)試鉆孔瓦斯?jié)舛冗_(dá)到平穩(wěn)的時(shí)間可以看出，經(jīng)過(guò)水力壓裂增透技術(shù)后鉆孔內(nèi)部瓦斯?jié)舛认陆邓俣让黠@增大，有效的降低了瓦斯抽采的天數(shù)。

對(duì)測(cè)試孔、水力壓裂鉆孔及觀察孔內(nèi)瓦斯流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增大監(jiān)測(cè)孔、壓裂孔及測(cè)試孔的瓦斯流量逐步降低，在整個(gè)瓦斯流量監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)孔的流量最低，這是由于未經(jīng)過(guò)水力壓裂增透鉆孔內(nèi)部瓦斯的抽采效果較差，只有少量瓦斯被抽采出。觀測(cè)鉆孔內(nèi)部的瓦斯流量與觀測(cè)鉆孔距離水力壓裂鉆孔的距離有關(guān)，當(dāng)距離壓裂鉆孔越近，觀測(cè)孔內(nèi)瓦斯流量越大，可以看出水力壓裂增透技術(shù)可以有效的提升鉆孔瓦斯流量，增加瓦斯的的抽采效果。同時(shí)觀察各個(gè)鉆孔無(wú)論測(cè)試孔還是壓裂鉆孔，鉆孔內(nèi)部的瓦斯流量呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，下降的趨勢(shì)類(lèi)似于指數(shù)函數(shù)變化趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)第5天內(nèi)，鉆孔內(nèi)部的瓦斯流量快速下降，當(dāng)抽采時(shí)間達(dá)到5天時(shí)，此時(shí)鉆孔內(nèi)部的瓦斯流量區(qū)域穩(wěn)定，瓦斯流量幾乎保持不變。所以鉆孔水力壓裂后，通過(guò)瓦斯抽排，降低了煤層瓦斯含量，可以在一定程度上降低或消除突出隱患。同時(shí)經(jīng)過(guò)水力壓裂后由于煤層中含水量增加，在一定程度上降低了采掘工作面的粉塵，改善了工作面環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

①增大了瓦斯抽采流量，大幅提高了煤層透氣性和鉆孔瓦斯抽采效果，縮短了抽采周期;②鉆孔水力壓裂后，通過(guò)瓦斯抽排，降低了其影響范圍內(nèi)的煤層瓦斯含量、瓦斯壓力，改變了煤體內(nèi)部應(yīng)力分布，可以在一定程度上降低或消除突出隱患;③壓裂后煤體內(nèi)水分增加，可以降低采掘過(guò)程中的煤塵產(chǎn)生量，改善井下作業(yè)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]高海兵.新元礦31009工作面回風(fēng)巷水力壓裂增透技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭與化工，2020，43（04）：118-121.