基于水力壓裂技術(shù)的降低煤層突出系數(shù)方法研究

劉朝陽

（華陽新材料科技集團有限公司， 山西 陽泉 045008）

山西新元煤炭有限責任公司目前實際生產(chǎn)能力為600 萬t/年，現(xiàn)開采3 號煤層，該煤層沒有大型構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造整體比較簡單。頂?shù)装鍘r性相差不大，都是以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，煤的灰分平均為17.82%，全硫平均為0.31%，屬于低灰、低硫、易選的以無煙煤為主煤層。該礦井為突出礦井，煤層為突出煤層，煤層厚度0.40～4.75 m，平均2.58 m，瓦斯含量達14.89 m3/t，瓦斯壓力為2.44 MPa，透氣性系數(shù)為0.017 mD，硬度f＜0.4，在對該煤層進行采掘作業(yè)前，必須進行瓦斯抽采。

新元礦目前采取的區(qū)域防突措施主要是三巷掘進，即進風巷、輔助進風巷和回風巷。三條巷道都采取區(qū)域鉆孔水力造穴和氣相壓裂措施對掘進工作面消突，施工中要求在工作面和巷道的兩側(cè)布置26 個鉆孔，分三排布置，孔徑105 mm。經(jīng)過一定時間后需要對煤層中的抽采效果進行檢測。結(jié)果表明殘余瓦斯含量的臨界值約為18.2 m3/t，大于國家防突規(guī)定的8 m3/t為標準，說明達到了區(qū)域消突的目的，需要開發(fā)新的消突控制方案。

為了有效解決井下瓦斯突出問題，結(jié)合我國學者對井下水力壓裂技術(shù)的研究成果[1]，本文提出了一種基于水力壓裂技術(shù)的降低煤層突出系數(shù)的方案，并對水力壓裂技術(shù)的應用情況進行了分析，結(jié)果表明，新的控制技術(shù)能夠?qū)⒚簩油笟庑韵禂?shù)提升34.7 倍，將煤層內(nèi)瓦斯的抽采流量提升了58.6%以上，對提升煤礦井下綜采作業(yè)安全性具有十分重要的意義。

1 水力壓裂實施方案

為了提高井下水力壓裂的應用效果、提高水力壓裂應用可靠性，采用了“兩堵一注”的密封鉆孔方案[2]，水力壓裂系統(tǒng)主要由1 個供水水箱和2 組壓裂泵構(gòu)成，井下水力壓裂鉆孔布置方案如圖1 所示。

圖1 井下水力壓裂鉆孔布置結(jié)構(gòu)示意圖

在進行水力壓裂的過程中，通過壓裂泵對水進行加壓，將其注入到壓力孔內(nèi)，直到距離壓裂孔約40 m處的壓裂邊界出現(xiàn)掉渣及滲水現(xiàn)象時停止注水，整個過程中的注水量約為144 m3，在水力壓裂過程中孔口壓力變化情況如圖2 所示。

圖2 水力壓裂鉆口壓力變化曲線

由圖2 可知，在向壓裂孔內(nèi)注入高壓水后，孔口的壓力迅速上升到約21 MPa，并且隨著時間的增加孔口處的壓力不斷波動，這主要是由于煤層不斷的被壓裂而且由于煤層內(nèi)存在大量的原生裂隙[3]，在高壓水的作用下裂隙不斷的擴展，直到達到損傷區(qū)，當煤層被完全壓裂后停止注水，整個施工過程約29 h。

2 水力壓裂孔特性分析

通過對水力壓裂孔結(jié)構(gòu)分析，該水力壓裂井的埋深為592 m，挖出井筒長度為3.6 m，射孔孔徑為1.3～1.6 cm，射孔呈90°螺旋分布，每3 個射孔為一簇，簇間距約15～16 cm，孔數(shù)總共68 個。固井水泥環(huán)厚度分布較均勻，厚度15～18 cm。井下套管射穿率高，在井筒靠近套管一側(cè)約有1 m 長度上表面可見凹陷且扭曲面明顯，分析為井下地應力分布不均或者煤體結(jié)構(gòu)差異較大導致的應力擠壓引起[4]。

在貫通巷道的橫貫中，在距井筒1.3～3.0 m 范圍內(nèi)可見一條高度為2.5 m 垂直壓裂裂縫，縫寬0.8～1.2 cm，壓裂砂支撐劑充填密實，該填砂裂縫從煤層頂板依次穿透半暗煤、夾矸、半亮煤分層，延伸至煤層底部的光澤較亮的糜棱煤中，但是未延伸至底板。該壓裂裂縫上半段較為平直，高度較大約為1.4 m，產(chǎn)狀238°∠58°，在中部的碎粒煤中出現(xiàn)輕微轉(zhuǎn)折，產(chǎn)狀變?yōu)?40°∠60°，該處煤層中發(fā)育大量的近水平天然裂縫，天然裂縫的產(chǎn)狀與垂直壓裂裂縫有較大的差異，可能是導致壓裂裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的原因。在井筒的同一側(cè)，糜棱煤中中斷的垂直支撐裂縫下方可見一條水平充填壓裂砂的裂縫，該裂縫從井筒向外延伸至2.2 m，裂縫曲折不規(guī)則，迂曲度明顯增加，壓裂砂非平面鋪展，厚度3～7 cm。在靠近煤層底板的糜棱煤中，還發(fā)育一條較短較窄的壓裂裂縫，產(chǎn)狀235°∠55°，從煤層中一直延伸至底板，可見長度0.7 m。該井筒附近煤層中含水率明顯升高，裂縫中有滲水現(xiàn)象連續(xù)不斷。水力壓裂孔分層結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 井煤層煤巖類型和煤體結(jié)構(gòu)分層示意圖

另外，該井壓裂支撐裂縫既有煤層內(nèi)部的垂直裂縫，也有位于煤層底部構(gòu)造煤分層內(nèi)部的水平堆積裂縫，同時還有在煤層頂板和煤層之間沿層面裂開的水平裂縫，整體形態(tài)為“工”字形多裂縫。由于煤層下部存在構(gòu)造軟煤層分層，壓裂裂縫首先在該分層內(nèi)部水平擴展，但是距離較短，隨后再向上擴展為垂直壓裂裂縫，當煤層與頂板間層面被打開后，壓裂裂縫又轉(zhuǎn)為較長的水平裂縫，因此具有水平短裂縫- 倒“T”形裂縫- 非對稱“工”形裂縫的擴展過程，能夠滿足井下水力壓裂效果。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

壓裂完成后，可以采用交叉鉆孔[5]的方案對井下煤層的實際壓力效果進行對比，為了提高監(jiān)測的準確性，在監(jiān)測區(qū)域設(shè)置了10 m×7 m 和10 m×10 m 兩種規(guī)格的網(wǎng)格孔[6]來對井下煤層的瓦斯壓力及透氣性系數(shù)進行監(jiān)控，井下監(jiān)測孔的布置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 井下監(jiān)測控制布置結(jié)構(gòu)示意圖

對優(yōu)化前后的瓦斯抽采效果進行對比分析，優(yōu)化后井下抽采單元內(nèi)瓦斯的平均濃度變化情況如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前后瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖4 可知，井下煤層內(nèi)的平均瓦斯?jié)舛燃s為63.2%，采用水力壓裂抽采后，在10 m×7 m 的抽采單元內(nèi)的平均瓦斯?jié)舛燃s為74.1%，在10 m×10 m 的抽采單元內(nèi)的平均瓦斯?jié)舛龋w積分數(shù)）約為77.6%，表明采用水力壓裂后，在抽采單元內(nèi)的瓦斯?jié)舛蕊@著上升，對提升井下瓦斯抽采效率具有十分重要的意義。

水力壓裂前后瓦斯抽采純流量的變化如圖5所示。

圖5 瓦斯抽采純流量變化曲線

由圖5 可知，原始煤層中的抽采純流量約為0.58 m3/min，采用水力壓裂技術(shù)后，在10 m×7 m 的抽采單元內(nèi)的平均瓦斯純流量約為0.96 m3/min，比優(yōu)化前提升了65.5%。在10 m×10 m 的抽采單元內(nèi)的平均瓦斯純流量約為0.92 m3/min，比優(yōu)化前提升了58.6%，顯著的提升了井下瓦斯的抽采效率。同時在抽采30 d后對井下煤層瓦斯含量進行測定，其井下瓦斯含量最高約為2.2 m3/t，遠小于國家防突規(guī)定的8 m3/t 為標準，滿足井下綜采作業(yè)安全的需求。

同時通過鉆孔徑向不穩(wěn)定流量法[7]對水力壓裂后的煤層透氣性系數(shù)進行了測量，優(yōu)化后的透氣性系數(shù)約為0.73 m2/（MPa2·d），比優(yōu)化前的0.021 m2/（MPa2·d）提高了34.7 倍。

4 結(jié)論

為了解決煤礦井下高瓦斯、低透氣性煤層在綜采作業(yè)時所面臨的瓦斯抽采困難的問題，提出了一種新的基于水力壓裂技術(shù)，對水力壓裂技術(shù)方案、水力壓裂孔結(jié)構(gòu)、水力壓裂后的瓦斯抽采效果等進行了分析，結(jié)果表明：

1）為了提高井下水力壓裂的應用效果、提高水力壓裂應用可靠性，可采用“兩堵一注”的密封鉆孔方案。

2）采用交叉鉆孔的方案能夠?qū)γ旱V井下的瓦斯抽采情況進行精確監(jiān)測。

3）新的控制技術(shù)能夠?qū)⒚簩油笟庑韵禂?shù)提升34.7 倍，將煤層內(nèi)瓦斯的抽采流量提升了58.6%以上，對提升煤礦瓦斯抽采效率和安全性具有十分重要的意義。