松軟煤層上覆關(guān)鍵巖層水力壓裂卸壓瓦斯治理工藝

劉耀輝，相廣友，張 悅，陳 創(chuàng)，魯伊凡

(1.山西潞安化工集團(tuán) 五陽煤礦，山西 長治 046200；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 海淀 100083；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 朝陽 100028)

0 引言

低透氣性松軟煤層的瓦斯治理長期以來一直是礦井安全高效生產(chǎn)的瓶頸[1-2]，隨著煤層開采深度的增加，地應(yīng)力、瓦斯應(yīng)力等因素的影響加劇，煤層應(yīng)力增大導(dǎo)致煤層滲透率降低[3-6]。松軟煤層掘進(jìn)施工過程中，高地應(yīng)力及復(fù)雜瓦斯賦存條件下所引發(fā)的響煤炮、瓦斯異常突出等煤巖瓦斯動力災(zāi)害給煤礦安全帶來了更大的威脅[7]。釋放圍巖應(yīng)力、改善煤層透氣性、增大瓦斯抽采效率、提高鉆孔的影響范圍是治理瓦斯的關(guān)鍵所在[8]，卸壓增透是實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵點(diǎn)的主要途徑。近年來越來越多的瓦斯治理專家、機(jī)構(gòu)開始重視井下水力壓裂技術(shù)對于增大煤層透氣性[9]，提高瓦斯抽采率，進(jìn)行瓦斯綜合治理，消除突出危險的綜合效應(yīng)，并進(jìn)行了大量的理論研究。前人研究表明[10-14]，水力壓裂工藝主要以煤體為壓裂對象，通過本煤層鉆孔或者頂?shù)装鍘r巷穿層鉆孔實(shí)施壓裂[15]。對彈性較好的原生結(jié)構(gòu)煤和破裂煤通過壓裂改造具有較強(qiáng)的適用性；對塑性性質(zhì)較好的碎粒煤和糜棱煤，即所謂的“軟煤”高壓水作用下松軟煤體內(nèi)部發(fā)生塑性變形、裂隙堵塞、瓦斯流動性弱化等問題[2]，適用性較差。

基于此，針對五陽煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜、煤體松軟破碎，而掘進(jìn)過程中存在的響煤炮、瓦斯預(yù)抽量低、瓦斯異常涌出致使瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)等問題，運(yùn)用煤層上覆巖層關(guān)鍵層水力壓裂卸壓瓦斯治理工藝，改變煤層上覆巖層的應(yīng)力使煤體卸壓，改善煤層滲透率，以整體提升工作面瓦斯治理水平。

1 工作面概況

五陽煤礦80采區(qū)8003工作面，3#煤層的平均厚度為5.4 m。煤層老頂為細(xì)粒砂巖，厚度5.6 m；直接頂為泥巖4.71 m。煤層覆巖概況如表1所示。

80采區(qū)3#煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)大于0.05 d-1，屬于較難抽采煤層。煤的堅固性系數(shù)為0.46～0.55松軟破碎，掘進(jìn)過程打鉆易出現(xiàn)塌孔，成孔困難，預(yù)抽鉆孔在短時間內(nèi)迅速衰減，抽采瓦斯小，濃度低。掘進(jìn)過程中頻繁發(fā)生響煤炮、噴孔等動力現(xiàn)象，瓦斯治理效果差。

表1 3#煤層覆巖概況

2 關(guān)鍵巖層水力壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 關(guān)鍵層判定

根據(jù)關(guān)鍵層理論[16]，關(guān)鍵層判定分為三個步驟：①根據(jù)載荷判定堅硬巖層；②計算堅硬巖層破斷距；③根據(jù)破斷距判定關(guān)鍵層。

根據(jù)梁理論，上覆巖層中第n層承受n到m層的載荷(qm)n為：

(1)

式中，Ei表示第i層巖層的彈性模量，GPa；γi為第i層巖層的容重，kg/m3；hi為第i層巖層的厚度，m。

若m+1層為堅硬巖層，其應(yīng)具備如下支撐特性：

(qm)n>(qm+1)n

(2)

依據(jù)材料力學(xué)兩端固支梁理論及懸臂梁理論，計算得出第i層的初次破斷距(La)i及周期破斷距(Lb)i，其公式如下：

(3)

(4)

式中，hi為第i層高度，m；Ri為第i層抗拉強(qiáng)度，MPa；qi為第i層堅硬巖層承受其控制巖層的載荷，MPa。

依據(jù)式(1)、(2)得出的堅硬巖層，判斷(La)i<(La)i+1(i=1、2)是否成立，若成立則，該堅硬巖層為關(guān)鍵層。

依據(jù)關(guān)鍵層理論結(jié)合五陽煤礦上覆巖層的實(shí)際情況，計算得出煤層以上第二巖層為亞關(guān)鍵層，煤層以上第五巖層為主關(guān)鍵層。

根據(jù)垮落理論開展上覆巖層垮落過程的相似模擬試驗(yàn)，在相似模型實(shí)驗(yàn)中采用幾何比1∶200，材料視密度為1.6 g/cm3，巖石容重按2.1 g/cm3，煤層容重按1.6 g/cm3。巖層容重相似常數(shù)為1.3，煤層容重相似常數(shù)為1。模擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力強(qiáng)度比則為200×1.6=320。確定覆巖“三帶”劃分，結(jié)果如圖1所示。由實(shí)驗(yàn)得到的覆巖垮落規(guī)律可知，第二層巖層控制第三、四層巖層同步垮落；第五層巖層控制以上5層巖石同步破斷。

根據(jù)垮落理論和關(guān)鍵層理論綜合分析，五陽煤礦上覆巖第二、五為關(guān)鍵層。

圖1 相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述理論計算及實(shí)驗(yàn)得到的關(guān)鍵層層位，運(yùn)用FLAC3D研究同時破壞覆巖主、亞關(guān)鍵層時煤層的卸壓效果，模擬分析上覆關(guān)鍵層在不同壓裂地點(diǎn)卸壓效果，通過模擬結(jié)果對比，最終選擇將壓裂點(diǎn)分別布置在與巷幫水平距離12 m的主關(guān)鍵層和與巷幫水平距離8 m的亞關(guān)鍵層中，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，在與巷幫兩側(cè)水平距離12 m的主關(guān)鍵層和與巷幫兩側(cè)水平距離8 m的亞關(guān)鍵層中進(jìn)行壓裂后能夠消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，對巷幫兩側(cè)22 m范圍內(nèi)煤體進(jìn)行卸壓，且巷道兩側(cè)3～13 m范圍內(nèi)較正常掘進(jìn)巷道兩側(cè)原始應(yīng)力區(qū)應(yīng)力14.9 MPa卸壓5.5 MPa；能夠消除工作面前方煤體應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2 壓裂半徑

2.2.1 關(guān)鍵層起裂壓力計算

基于線彈性拉伸破壞理論，采用H-W模型計算破裂壓力[17]。該模型假設(shè)：①巖石為非滲透性材料；②破裂發(fā)生在鉆孔壁上；③巖石發(fā)生拉伸破壞。

依據(jù)該準(zhǔn)則，在不考慮頂板砂巖的孔隙壓力的破裂公式如

pb=3σh-σH+σt

(5)

式中，pb為巖石破裂壓力；σh為最小水平應(yīng)力；σH為最大水平應(yīng)力；σt為巖石抗拉強(qiáng)度。

圖2 主、亞關(guān)鍵層同時壓裂應(yīng)力分布圖

80采區(qū)最小水平應(yīng)力為7 MPa，最大水平應(yīng)力為14 MPa，砂巖抗拉強(qiáng)度8.46 MPa，經(jīng)計算頂板砂巖破裂15.46 MPa。

2.2.2 壓裂孔設(shè)計

壓裂試驗(yàn)孔參數(shù)：試驗(yàn)鉆孔位于巷幫，開孔高度1.5 m，其中方位角15°、傾角30°、孔深65 m。

觀測孔參數(shù)：觀測孔布置在掘進(jìn)面開孔距離巷幫中心點(diǎn)，開孔高度為1.5 m，其中方位角0°、傾角30°，孔深63 m；試驗(yàn)鉆孔設(shè)計布置圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)鉆孔設(shè)計圖

2.2.3 壓裂工藝

(1) 封孔工藝

采用兩個1 m長橡膠注水封孔器MA-A64增強(qiáng)型相互連接，橡膠段因注水升壓膨脹對壓裂段兩端進(jìn)行有效封堵，中間布置注水孔對封孔段進(jìn)行注水起裂。膠囊注水封孔器如圖4所示。

圖4 橡膠注水封孔器示意圖

(2) 注水壓裂

將膠囊封孔器與鉆桿連接送入壓裂段后進(jìn)行注水壓裂。依據(jù)H-W模型理論計算巖石破裂壓力，擬采用緩慢升高注水壓力的方式且最大壓力不超過16 MPa，并在高壓下持續(xù)注水20 min。注水壓裂期間監(jiān)測觀測孔和頂板透水情況，若出現(xiàn)滲水測立即停止壓裂。注水壓力隨時間變化如圖5所示，從圖中可以看出注水壓力實(shí)時曲線可分為以下4個階段：

① 水壓自然上升：通過機(jī)械注水，注水量大于濾失量壓力不斷上升，在水壓作用下封孔器形成有效膨脹封堵鉆孔，注水壓力升高逐漸放緩，在3 MPa左右達(dá)到壓力平衡；

② 手動升壓：泵注壓力與孔內(nèi)壓力達(dá)到平衡后，人工調(diào)節(jié)注水壓力。

③ 動力保持：隨著水不斷注入并在鉆孔中逐漸累積，水壓升高至砂巖的破裂壓力，保持砂巖出現(xiàn)起裂時的注水動力進(jìn)行持續(xù)注水，使裂縫充分延伸。當(dāng)裂縫延伸至觀測孔，出現(xiàn)壓力驟降且不再升高。

④ 手動卸壓：觀測孔持續(xù)出水、壓力穩(wěn)定，手動降低注水壓力后關(guān)停水泵，完成壓裂。

2.2.4 壓裂影響范圍分析

由圖5分析可知注水第18分鐘壓力出現(xiàn)驟降且后續(xù)壓力不再升高，此時觀測孔孔壁出現(xiàn)氣泡和滲水現(xiàn)象，持續(xù)進(jìn)行注水后，裂縫貫穿至鉆孔出現(xiàn)噴水現(xiàn)象如圖6所示，因此判定現(xiàn)場試驗(yàn)壓裂試驗(yàn)效果良好。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)鉆孔壓裂段和觀測孔滲水段綜合分析計算得出，砂巖起裂壓裂為15.3 MPa，高壓持續(xù)注水15 min，砂巖的起裂和裂縫延伸的影響范圍為14～16 m。

圖5 壓裂段注水壓力隨時間變化曲線

圖6 觀測孔滲水示意圖

3 應(yīng)用效果分析

上覆巖層關(guān)鍵層水力壓裂卸壓技術(shù)的核心是對關(guān)鍵層進(jìn)行有效破壞，切斷煤層上覆巖層的應(yīng)力傳遞路徑，降低煤層應(yīng)力使煤層卸壓。從前文所述中可以看出，實(shí)施關(guān)鍵層水力壓裂卸壓核心就是根據(jù)關(guān)鍵層的層位、巖性、厚度合理的布置壓裂鉆孔，超前工作面破壞關(guān)鍵層釋放圍巖應(yīng)力。為了使關(guān)鍵層充分破壞卸壓，本文采用一個壓裂鉆孔布置多個壓裂段，分段、多次對壓裂鉆孔進(jìn)行水力壓裂作業(yè)。

3.1 現(xiàn)場施工概述

壓裂鉆孔采用分段壓裂方式，根據(jù)理論計算確定堅硬砂巖作為壓裂區(qū)域。巷道兩側(cè)壓裂鉆孔分段壓裂布置如圖7所示：高位鉆孔開孔高度1.5 m，超前工作面55 m，終孔距離煤層上方30 m，與巷幫夾角15°，傾角30°，鉆孔長度65 m，穿過主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層，其中在主關(guān)鍵層布置兩個壓裂段，分別位于鉆孔深度為55 m和41 m處；亞關(guān)鍵層布置一個壓裂段，位于鉆孔深度19 m處。低位鉆孔開孔高度1.5 m，超前工作面55 m，方位角±15°，傾角13°，鉆孔長度59 m，終孔距離煤層上方11 m，只穿過亞關(guān)鍵層，在亞關(guān)鍵層布置二個壓裂段，分別位于鉆孔深度49 m和35 m處。

按照前文所述的封孔工藝及注水壓裂過程，采用先里后外的順序依次對卸壓鉆孔內(nèi)布置的壓裂段進(jìn)行注水壓裂。每次壓裂完成后對膠囊封孔器充分卸壓后，回撤至下一段進(jìn)行壓裂，當(dāng)孔內(nèi)布置的壓裂段全部完成則頂板水力壓裂卸壓技術(shù)措施完成。

圖7 卸壓鉆孔布置圖

3.2 壓裂效果分析

在8003運(yùn)巷掘進(jìn)過程中實(shí)施頂板水力壓裂技術(shù)方案，累計監(jiān)測統(tǒng)計頂板水力壓裂前后工作面連續(xù)作業(yè)12 d，掘進(jìn)60 m過程中現(xiàn)場動力現(xiàn)象和巷道回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?。分別繪制進(jìn)行頂板壓裂、未進(jìn)行頂板壓裂掘進(jìn)過程中累計響煤炮次數(shù)、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計圖如圖8、圖9所示。

由圖8、9分析可知，五陽煤礦8003運(yùn)巷掘進(jìn)過程中實(shí)施關(guān)鍵層水力壓裂卸壓技術(shù)前統(tǒng)計巷道掘進(jìn)60 m累計發(fā)生響煤炮209次，平均每掘進(jìn)1 m出現(xiàn)的響煤炮3.48次，掘進(jìn)過程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确植荚?.5%～0.9%范圍內(nèi)，平均瓦斯?jié)舛冗_(dá)0.71%。實(shí)施關(guān)鍵層水力壓裂后巷道掘進(jìn)60 m累計發(fā)生響煤炮10次，平均每掘進(jìn)1 m出現(xiàn)的響煤炮0.17次，響煤炮次數(shù)顯著降低，掘進(jìn)過程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确植荚?.2%～0.5%內(nèi)，平均瓦斯?jié)舛葹?.30%，有力的保障工作面的安全性。

圖8 壓裂前后累計響煤炮次數(shù)

經(jīng)測定掘進(jìn)過程中迎頭殘余瓦斯含量由8.00 m3/t降到5.79 m3/t。數(shù)據(jù)表明關(guān)鍵層水力壓裂可以有效地超前釋放原巖應(yīng)力以降低工作面突出危險性，增加松軟煤層的透氣性，提升超前預(yù)抽瓦斯效果，降低煤層殘存瓦斯含量，解決了因頻繁響煤炮而導(dǎo)致的瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)的問題。

4 結(jié)論

(1) 基于關(guān)鍵層理論計算得出煤層上覆巖層關(guān)鍵層層位，由數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用效果可知，采用關(guān)鍵層水力壓裂，煤層卸壓效果顯著。

(2) 實(shí)施關(guān)鍵層水力壓裂卸壓瓦斯治理技術(shù)后8003掘進(jìn)工作面響煤炮現(xiàn)象顯著減少、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛让黠@降低，有力的保障工作面的安全性。

(3) 工程實(shí)踐表明，在井下實(shí)施關(guān)鍵層水力壓裂技術(shù)能夠在松軟、低透氣、高瓦斯煤層中實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯區(qū)域整體卸壓增透、高效抽采。

圖9 壓裂前后掘進(jìn)過程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?/p>