路潔心，李 賀

(中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

平頂山地區(qū)瓦斯自然災害十分嚴重，且礦區(qū)位于區(qū)域構造上的高構造應力區(qū)，煤與瓦斯突出災害是全國最嚴重的地區(qū)之一，礦區(qū)所發(fā)生的130余次的煤與瓦斯突出，70%都與小構造(小斷層、小褶曲)有關。在現(xiàn)有生產礦井中，已有多對礦井先后發(fā)生了煤與瓦斯突出現(xiàn)象，隨著開采深度和開采強度的增加，瓦斯地質條件和開采條件的變化，礦井所面臨的瓦斯突出形式將更加嚴峻。

1 工作面概況

平煤集團十二礦三水平首采面己15－31010采面位于己七采區(qū)東翼，設計走向1 126 m，可采走向長970 m，斜采長 225 m，煤厚 3．35 ～3．95 m，平均3．80 m，煤層容重 1．31 t/m3，煤層傾角 13°～17°，平均13°，采面標高 －720～ －770 m。機巷斷面12．6 m2，采用錨網梁+錨索支護，綜機回采，回采供風量1 500 m3/min。機巷設計長度1 041 m，標高－770 m，風巷設計長度1 065 m，標高－720 m。根據(jù)十二礦示范化瓦斯綜合治理規(guī)劃及瓦斯綜合治理需要，機風巷施工前，先施工機風巷的高位瓦斯抽排巷，均沿己14煤層施工，巷道斷面均為3．0 m ×2．4 m(寬×高)。機巷高位瓦斯抽排巷與機巷平距40 m，位于機巷下面，設計長度1 034 m;風巷高位瓦斯抽排巷距風巷平距30 m，位于風巷下面，設計長度1 118．7 m。己14煤層厚度0～1．2 m，平均厚度為0．6 m，位于己15煤層上部，距己15煤層 8～12 m。戊組平均厚度6～7 m，位于己15煤層下部，距己15煤層120 m。

2 工業(yè)性試驗概況及方案實施

在煤層內實施水力壓裂技術時，首先在煤層內施工鉆孔，再注入高壓水。鉆孔在高壓水的作用下，孔壁破裂，壓裂液隨破裂面的擴展和延伸，依次進入下一級弱面，最后進入到煤體內部微裂隙。使煤體內瓦斯的彈性能得到釋放，瓦斯壓力及瓦斯含量降低，煤層透氣性增加，減弱或消除煤體的突出危險性。

為確保己15煤層進風巷掘進過程中的安全生產，根據(jù)己15－31010工作面布置情況，擬定采用定向水力壓裂技術，從時間和空間兩方面進行綜合治理技術。圍繞深部煤與瓦斯突出、掘進速度慢的難題，從穿層水力壓裂增透和瓦斯抽采兩個方面突破著手，實現(xiàn)己15煤層安全型開采和己15進風巷快速掘進。

2．1 壓裂孔壓裂

從己14煤層風巷設計下行孔，下行孔經己15－31010風巷上部至己16、己17煤層底部，實施穿層定向水力壓裂。定向壓裂后，在己14高位巷與己15風巷之間沿巷道走向形成一個卸壓面，對下部的己15煤層巷道產生卸壓保護作用，見圖1。定向水力壓裂孔應超前于掘進工作面80 m左右。

圖1 己15－31010風巷高位巷定向水力壓裂剖面示意圖

2．2 定向孔導向控制

穿層定向水力壓裂的一個關鍵技術就是定向孔的導向控制作用。理論上，定向孔的孔徑越大，對裂隙的形成、發(fā)育和擴展越有利。由于受打鉆設備和工藝安全等因素的限制，當孔徑達到一定值后，再增加孔徑不但提高透氣性效果有限，而且會帶來諸多不利因素，所以定向孔直徑一般在75～100 mm，即可達到導向控制作用的目的。本次現(xiàn)場工業(yè)性試驗定向孔孔徑取89 mm。

2．3 抽放孔抽采

穿層定向水力壓裂后，施工抽放孔并將其接入瓦斯抽放系統(tǒng)，對己15煤層瓦斯進行預抽。要求：必須先施工穿層水力壓裂鉆孔，待壓裂項目結束后，方可施工穿層抽放鉆孔。

3 施工組織

3．1 施工準備

在壓裂之前，確保定向孔已經施工密封完畢。準備作業(yè)包含壓裂施工前的各項基礎設施布置和改進作業(yè)。

1)在壓裂設備運輸前，應對道路、井口、井下巷道及高壓管線拐彎處進行勘察，確保所有設備完好可用。

2)擺放壓裂設備，連接高壓管路流程至孔口。低壓管匯集到壓裂泵組的供水管線必須用鋼絲纏繞膠管，并盡可能減少彎曲。

3)高壓管安裝并備齊封孔劑和封孔材料等。

3．2 壓裂前作業(yè)

1)按設計要求，在壓裂鉆孔內下入壓裂管路，封孔并驗封合格。

2)儀表監(jiān)測和控制面板應擺放在操作指揮車內。

3)儀表、防爆微機、壓裂泵組及遙控操作臺等的調試，由壓裂泵組、高壓管匯、孔口傳送來的信號決定，此信號應穩(wěn)定可靠，通訊暢通。

4)距離壓裂孔10 m內，安設圖像、聲音傳感器等監(jiān)測儀器。

5)采用靜試壓方法試壓，泵壓應達到管路額定工作壓力的1．5倍。

3．3 壓裂施工

壓裂孔封孔完畢后，開泵進行水力壓裂。從開始注水到水力壓裂措施結束大約需要120 min時間，水力壓裂全過程一般需要3～5 h。

4 效果分析

4．1 壓裂前后單孔壓裂抽放流量對比

5#孔壓裂前后流量對比圖見圖2。

圖2 5#孔壓裂前后流量對比圖

5#考察鉆孔距壓裂孔5 m，壓裂前最大抽放濃度為8%，流量為5．9×10－3m3/min，經7天后衰減為零。壓裂后單孔瓦斯抽放濃度到15%，流量達27．8×10－3m3/min，抽放濃度穩(wěn)定。抽放濃度平均增加了70%，瓦斯流量上升了382%。

4．2 壓裂前后煤體含水量變化考察

壓裂前通過打鉆取樣化驗煤體原始水分含量為1．1%左右;壓裂后距壓裂孔每5 m施工一鉆孔分別進行取樣分析，對壓裂前后煤樣的內在含水量進行對比，在30～35 m內，得出壓裂后煤體水分增加34．5%以上，40～60 m 水分增加較少，為 4．5% ～12．7%。煤體注水濕潤，使煤的物理力學性質發(fā)生明顯變化，煤的彈性和強度減小，塑性增大，從而使巷道前方的應力分布發(fā)生根本變化，即隨著煤體的濕潤，高應力區(qū)向煤體深部轉移，應力集中系數(shù)減小。煤體濕潤后，還能使透氣性成百上千倍的降低，上述的各種變化，都表明注水濕潤煤體，可以降低或消除煤層和掘進工作面處的突出危險。

4．3 壓裂對放炮后巷道粉塵濃度的影響

放炮30 min以后，距離工作面5 m處測量粉塵濃度，測量結果見表1。

表1 粉塵濃度測量結果表

實施水力壓裂措施后，從煤體內部，即從塵源上進行了治理，放炮后粉塵濃度平均降低58．5%，井下環(huán)境明顯改善，職工健康得到保證，防塵效果顯著。

4．4 壓裂前后施工安全性對比

進入穿層定向水力壓裂控制區(qū)之前，巷道掘進施工過程中：煤炮頻繁，噴孔夾鉆嚴重，打鉆過程中的鉆屑量多，巷道的瓦斯?jié)舛纫恢碧幱谂R界狀態(tài)，施工受到嚴重威脅。

進入穿層定向水力壓裂控制區(qū)之后：煤炮和噴孔夾鉆現(xiàn)象明顯減少，打鉆順利，工作面瓦斯含量降低。生產中，巷道中的瓦斯?jié)舛纫恢狈€(wěn)定在0．2% ～0．3%，即使炮后也未超過0．5%，水力壓裂后未發(fā)生過瓦斯超限事故。

5 結語

1)論述了穿層定向水力壓裂的卸壓增透機理，并分析了順層起裂和穿層起裂機理，得出：在原巖應力和高壓水壓力雙重作用下壓裂的，其起裂注水壓力不僅與組成鉆孔圍巖的性質相關，還取決于鉆孔周圍軸向與徑向水平應力的大小?？傮w表現(xiàn)為：在徑向上受最弱煤分層的影響，在軸向上則受最弱層理面的控制。

2)理論分析和現(xiàn)場實踐表明，穿層定向水力壓裂有效發(fā)揮了高能動力和水力的優(yōu)勢，并將其有機地結合起來。具有以下優(yōu)勢：a)改變煤體的物理力學性質。b)增加并控制卸壓帶長度和方向。c)增透。d)防塵。

3)首次把穿層定向水力壓裂技術應用在高瓦斯、高應力及低透氣性煤層中的煤與瓦斯突出防治方面，并確定了穿層水力壓裂的形式：即從己14煤層高位巷道施工下行孔，穿過己15－31010機風巷上部至己16、己17煤層底部，進行穿層壓裂;壓裂后，布置實施抽采孔，接入瓦斯抽放系統(tǒng)，對下部煤層瓦斯進行預抽。

4)現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明：實施穿層水力壓裂技術前后，各項參數(shù)和指標明顯變化，增強了防突措施的有效性，縮短了防突措施執(zhí)行時間，達到了良好的卸壓增透效果，達到了防治煤與瓦斯突出的目的;軟化了硬巖頂板，改善了生產過程中的頂板管理;煤體內部含水量大幅增加，提高了降塵率，改善了工作面作業(yè)環(huán)境;有效阻止了煤層的自燃發(fā)火，對煤礦安全生產及綜合治理起到了顯著作用。

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