煤層超高壓定點水力壓裂防治沖擊地壓機理與試驗研究

張宏

摘要：煤層超高壓定點水力壓裂技術(shù)豐富了現(xiàn)有的沖擊地壓防治技術(shù)，可對壓裂過程進行有效的控制。本文結(jié)合當前水力壓裂技術(shù)存在的弱點，指出了煤層超高壓定點水力壓裂防治沖擊地壓的機理，對試驗過程中的水力壓裂系統(tǒng)和水力壓裂監(jiān)測方法進行了說明。

關(guān)鍵詞：煤層;超高壓;定點水力壓裂;試驗方案

對沖擊地壓災(zāi)害進行治理是當前煤礦工程安全實施的重要措施。水力壓裂技術(shù)是目前應(yīng)用較多的防治沖擊地壓的方法，但是目前的壓力一般都很小，在20MPa以下，同時煤層的硬度又很大，常用的煤層注水壓力已經(jīng)無法高質(zhì)量地完成對煤層進行壓裂。采用煤層超高壓定點水力壓裂的方法，不僅將局部壓裂的壓力提高，而且在應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)和微震監(jiān)測系統(tǒng)等的協(xié)助下可以對破裂范圍和程度進行監(jiān)測，從而形成礦井煤層控制性壓裂防沖成套技術(shù)。本文結(jié)合煤層超高壓定點水力壓裂的應(yīng)用特點，對其防治沖擊地壓的機理進行說明，并對試驗的方法進行闡述。

一、煤層超高壓定點水力壓裂防治沖擊地壓機理研究

（一）壓裂原理

煤巖層能夠被壓裂開的關(guān)鍵就是選擇合適的起裂壓力。如果壓力值太小，可能會導致煤巖不能被壓開，壓裂效果不好;而壓力值太大則會對壓力設(shè)備、封孔器等的硬度和強度要求很高，工程成本無形增加。因此，在選擇壓裂設(shè)備和進行壓裂中我們就應(yīng)該首先判斷煤層的起裂壓力。煤層超高壓定點水力壓裂主要是針對以前的傳統(tǒng)壓裂壓力小和流量不足的問題，合理地將鉆孔器兩端進行適當?shù)姆舛?，從而在較小的一段距離內(nèi)產(chǎn)生高壓，促進整個煤層的壓裂。

（二）裂隙延伸條件

煤層在遇到超高水壓時會產(chǎn)生裂痕，工程應(yīng)用中我們要保證裂痕不斷地向前擴展和延伸，就要讓注水水壓高于滲水水壓。注水水壓與選擇的壓力泵規(guī)模有關(guān)，而滲水水壓是煤層發(fā)生破裂后開始吸水使得裂痕內(nèi)降低的壓力值。在進行持續(xù)壓裂的過程中，要結(jié)合工程的需要和裂痕的發(fā)展程度，適當?shù)膶挝粫r間內(nèi)的注水量提高，從而滿足壓裂區(qū)內(nèi)高壓水的貯存，始終將壓力維持在一個需要的水平內(nèi)。

（三）煤巖體注水軟化減沖機理

在應(yīng)用水力壓裂的過程中，研究煤巖體注水軟化減沖的機理對于確定煤層的強度非常重要。當煤層中不存在裂縫、節(jié)理以及其他影響強度的因素時，煤層與煤塊的強度幾乎一樣。但是一旦煤層中存在裂縫，在用煤塊強度估算煤體強度時就需要修正。相關(guān)的巖石學機理表明，彈性波會在巖石中進行傳播，其傳播的速度主要與巖石裂痕的發(fā)育程度有關(guān)。通過巖石的完整性系數(shù)公式和彈性波縱波傳播速度公式可得到當煤層被壓裂后，煤層的強度也會跟著顯著下降。但是水力壓裂能顯著改善煤層的性質(zhì)，降低煤層的強度。因此，煤巖體注水后會使得煤層在單位時間內(nèi)釋放出來的能量減少，即便煤層發(fā)生了嚴重的沖擊災(zāi)害，也不會發(fā)生拋出煤體的情況，能將危害的程度降低到最小。

二、煤層超高壓定點水力壓裂防治沖擊地壓試驗研究

（一）煤層超高壓定點水力壓裂系統(tǒng)設(shè)計

《煤礦井下壓裂設(shè)計施工規(guī)范》是水力壓裂試驗設(shè)計和施工參照的規(guī)范，根據(jù)該規(guī)范的要求，壓裂系統(tǒng)應(yīng)該由流量計、傳感器、壓裂泵等組成。根據(jù)設(shè)計要求，距壓裂孔50m范圍內(nèi)不能設(shè)置任何設(shè)備，壓裂時距離壓裂孔100m內(nèi)不能有任何人員活動。在壓裂的過程中，壓裂泵通過高壓將水箱中的水送入鉆孔內(nèi)，從而對煤層進行高壓壓裂。高壓的管路在進行布置的時候盡量減少彎頭和長度，從而讓管路的壓力降維持一個小的數(shù)值。在管路上設(shè)置壓力傳感器和流量計對管路瞬時流量和壓力進行監(jiān)測，而在距離壓裂孔10m內(nèi)則布置圖像采集、信息采集等系統(tǒng)。

（二）煤層超高壓定點水力壓裂監(jiān)測方案

在水力壓裂的過程中，設(shè)計合適的監(jiān)測方案是保證壓裂成功的關(guān)鍵，的監(jiān)測方案包括管路壓力監(jiān)測方案、應(yīng)力動態(tài)實時監(jiān)測方案、微地震監(jiān)測方案等，合理的確定這些監(jiān)測方案的執(zhí)行方法，對于地壓試驗具體效果具有很大的幫助。在管路壓力監(jiān)測中，隨著壓裂過程的持續(xù)，系統(tǒng)壓力也會跟著變化，當表中出現(xiàn)第一個峰值時說明巖石層開始壓裂，需要持續(xù)注水讓壓痕不斷延伸，直到巖層全部打開，這個時候停止壓裂試驗。應(yīng)力動態(tài)實時監(jiān)測則是在煤層中布置壓力傳感器，通過壓力信號的變化將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)值傳輸?shù)接嬎銠C上，通過應(yīng)力云圖現(xiàn)實煤體應(yīng)力的變化，用到的主要設(shè)備為壓力傳感器、監(jiān)測儀;微地震監(jiān)測則通過制作微地震監(jiān)測檢波器幫助找到煤層中的高應(yīng)力和高應(yīng)力差區(qū)域，對于分析壓裂進行的程度有很大幫助。

三、結(jié)語

綜上所述，煤層超高壓定點水力壓裂是一種新型的防治沖擊地壓的措施，對于控制壓裂過程中的穩(wěn)定性并減少壓裂事故起到很好的作用。下一步在進行試驗的過程中，要合理的建立煤層分段壓裂力學模型，提出壓裂防沖效果的評價指數(shù)，通過本文確定的壓裂監(jiān)測方案對影響壓裂效果的主要參數(shù)進行有效的監(jiān)控，從而豐富當前的沖擊地壓防治技術(shù)。在進行試驗的時候要綜合考慮煤層的實際情況，包括煤礦下的作業(yè)狀態(tài)、技術(shù)指標以及試驗工期等，從而讓壓裂技術(shù)能夠發(fā)揮出其效果。

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