徐鐵托

摘要：文章研究了高位瓦斯抽采巷采用水力壓裂技術(shù)掩護(hù)煤巷掘進(jìn)的主要技術(shù)原理，闡述了水力壓裂措施的實施效果，著重總結(jié)了水力壓裂技術(shù)的要點。研究表明，在嚴(yán)重煤與瓦斯突出的礦井，平煤神馬集團(tuán)十二礦區(qū)采用水力壓裂技術(shù)后，通過瓦斯抽放，有效地降低了突出煤層的瓦斯含量，釋放了巷道煤巖的彈性能，達(dá)到了防治煤與瓦斯突出的效果，使突出煤層巷道掘進(jìn)速度提高了兩倍左右。

關(guān)鍵詞：水力壓裂；突出煤層；防突措施

中圖分類號：TS713文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2012）22-0121-031概述

十二礦位于平頂山礦區(qū)東部，從1989年至今共發(fā)生煤與瓦斯突出27次。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力、瓦斯壓力、瓦斯涌出量都不斷增加，各種動力災(zāi)害變得比以往更為復(fù)雜和嚴(yán)重，煤與瓦斯突出危險直接威脅著礦井的安全生產(chǎn)。結(jié)合多種防突措施的局限性，針對目前開采的己15煤層的特點研究出有針對性的防突措施，對于礦井安全生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。

2水力壓裂技術(shù)的作用機(jī)理

水力壓裂作用于煤體是一個逐漸濕潤煤體、壓裂破碎煤體的過程。在水力壓裂的前期，注水壓力和注水流量呈線性升高；隨后，注水壓力與流量反向變化，并呈波浪狀。這直觀反映出了在注水初期，具有一定壓力和流速的壓力水通過鉆孔進(jìn)入煤體裂隙，克服裂隙阻力運動；隨后，當(dāng)壓裂液充滿現(xiàn)有裂隙后，水流動受到阻礙，由于煤體滲透性較低，水流量降低，壓力增高而積蓄勢能；當(dāng)積蓄的勢能足以破裂煤體形成新的裂隙時，勢能轉(zhuǎn)化為動能，壓力降低，水流速增加；當(dāng)壓力水?dāng)y帶煤泥堵塞裂隙時，煤體滲透性降低，水難以流動，使流量下降，壓力上升。己15－17200進(jìn)風(fēng)巷采用水力壓裂作為區(qū)域瓦斯防突主要技術(shù)，通過施工穿層水力壓裂鉆孔，實施高壓注水可以濕潤煤體，增加煤層硬度，增加煤層透氣性，提高瓦斯抽放濃度，改變煤層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布，對水力壓裂影響區(qū)域進(jìn)行卸壓，以解決己15煤層掘進(jìn)期間的煤與瓦斯突出問題，從而達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

3工作面概況

己15-17200進(jìn)風(fēng)巷位于己7采區(qū)中部，該巷道設(shè)計總工程量984.5m，沿己15煤層頂板掘進(jìn)。己15

－17200進(jìn)風(fēng)巷標(biāo)高－567～－551m，對應(yīng)地面標(biāo)高190～230m，垂深741～797m之間。己15煤層產(chǎn)狀105°∠8～20°，煤厚3～3.7m，瓦斯壓力2.1MPa，原始煤層瓦斯含量24.35m3/t。己15

－17200進(jìn)風(fēng)巷位于己14－17200進(jìn)風(fēng)巷上部30m，己14－17200進(jìn)風(fēng)巷與己15－17200進(jìn)風(fēng)巷層間距為12～14m，兩巷內(nèi)錯布置。

4區(qū)域瓦斯治理方案

己15-17200進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域瓦斯治理采用配套技術(shù)措施，使用穿層水力壓裂和穿層抽放鉆孔相結(jié)合治理瓦斯。從己14－17200進(jìn)風(fēng)巷向己15－17200進(jìn)風(fēng)巷實施穿層預(yù)抽孔、壓裂以及重復(fù)壓裂等區(qū)域防突

措施。

4.1穿層水力壓裂孔

結(jié)合己15-17200工作面區(qū)域自身煤層埋藏深、地應(yīng)力大、瓦斯壓力高等特點，確定水力壓裂影響半徑為10m。設(shè)計從己14－17200進(jìn)風(fēng)巷向己15

－17200進(jìn)風(fēng)巷施工穿層水力壓裂鉆孔，鉆孔設(shè)計孔徑75mm，孔間距為20m，開孔高度距巷道底板0.4m，布置在相鄰兩組抽放鉆孔的中間位置，終孔以進(jìn)入己15煤層底板0.5m為準(zhǔn)。

4.2穿層抽放鉆孔

通過瓦斯抽放，可以有效地降低己15煤層的瓦斯含量，釋放煤巖的彈性能，達(dá)到防治煤與瓦斯突出的效果。設(shè)計從己14－17200進(jìn)風(fēng)巷向己15－17200進(jìn)風(fēng)巷施工穿層抽放鉆孔，在巷幫上每5m設(shè)計1組穿層抽放鉆孔，每組7個鉆孔，分別控制巷道輪廓線外15m、10m、5m及巷道中心位置，穿層抽放鉆孔設(shè)計孔徑75mm，孔深以進(jìn)入己15煤層底板0.5m

為準(zhǔn)。

5水力壓裂技術(shù)要點

5.1水力壓裂設(shè)備及選型

水力壓裂注水系統(tǒng)由注水泵、水箱、壓力表等部分組成。注水泵選用無錫威順煤礦機(jī)械有限公司產(chǎn)額定壓力為31.5MPa、額定流量為400L的BRW400/31.5-37X4A型煤礦用乳化液泵。為便于操作和控制，注水泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，水箱容積2m3。高壓供水管路選用直徑51mm、壓力31.5MPa的高壓油管。水力壓裂孔孔內(nèi)封孔段采用直徑32mm的無縫鋼管，提前將快速接頭四周棱角打磨平滑，無縫鋼管兩端焊接中間接頭，無縫鋼管管路之間用快速接頭進(jìn)行連接，孔口用快速接頭將無縫鋼管和高壓油管連接起來。

5.2封孔深度和工藝

壓裂孔里面封孔深度為煤巖結(jié)合處。施工完水力壓裂孔后，使用高壓風(fēng)將孔內(nèi)粉塵和碎渣排凈，用無縫鋼管對該鉆孔進(jìn)行順通，確定無阻礙物后方可開始進(jìn)行孔內(nèi)注漿段的封堵，在無縫鋼管前端5m左右處用毛巾包裹封孔藥進(jìn)行鉆孔的前端封堵。待封孔藥發(fā)效并將鉆孔封堵嚴(yán)實后，用注漿泵將稀釋濃度為50%的水泥漿注入穿層壓裂鉆孔內(nèi)；凝固48小時后，進(jìn)行水力壓裂。壓裂結(jié)束孔內(nèi)壓力穩(wěn)定后，聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行抽放并測定瓦斯流量和濃度。

5.3注水壓力

注水壓力是所有水力化措施中的重要參數(shù)。若注水壓力過低，不能壓裂煤體，煤層結(jié)構(gòu)不會發(fā)生明顯的變化，相當(dāng)于低壓注水濕潤措施，短時間內(nèi)注水起不到卸壓防突的作用；若注水壓力過高，導(dǎo)致煤體在地應(yīng)力和水壓綜合作用下迅速變形，形成突出。合理的注水壓力能夠快速、有效破裂松動煤體，進(jìn)而改變煤體孔隙和裂隙的容積及煤體結(jié)構(gòu)，排放煤體瓦斯，達(dá)到消突的目的。起始壓力初步設(shè)定在15MPa以下，每5min升壓2MPa，泵壓穩(wěn)定一段時間后，壓力迅速下降，持續(xù)加壓時壓力無明顯上升，或者觀測孔附近瓦斯?jié)舛让黠@升高時，即說明壓裂孔已經(jīng)完成壓裂，此時即可停泵，關(guān)閉卸壓閥，壓裂程序結(jié)束。

5.4水力壓裂時間

壓裂時間與注水壓力、注水量等參數(shù)密切相關(guān)，注水壓力、流速不同，相同條件下達(dá)到同樣效果的注水時間也不同。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，高壓水在已溝通的裂隙間流動，注水壓力及注水流量等參數(shù)不斷發(fā)生著變化，注水時間可根據(jù)注水過程中壓力及流量的變化來確定；采用動壓注水，從開始注水到水力壓裂措施結(jié)束大約需要120min時間，水力壓裂全過程一般需要3～5小時。

6水力壓裂效果分析

6.1水力壓裂情況

己14-17200進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計施工穿層壓裂鉆孔49個，孔間距20m，孔深37～45m，封孔深度要求在20m以上。在壓裂過程中，部分鉆孔有巷道幫跑水和滲水現(xiàn)象。經(jīng)過補孔施工，累計施工鉆孔65個，壓裂成功49個（達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)），成功率為89.1%。累計組織壓裂72次，合計壓入水量1621.9m?，平均單孔壓入水量33.1m?。單孔最大壓水量75m?。

6.2瓦斯抽放

普通穿層抽放鉆孔，穩(wěn)定抽放一個月后瓦斯?jié)舛葹?%～20%，壓裂鉆孔聯(lián)網(wǎng)后初始瓦斯?jié)舛冗_(dá)到65%～86%，穩(wěn)定抽放一個月后瓦斯?jié)舛葹?8～60%。普通穿層抽放鉆孔單孔瓦斯純流量平均為0.009m3/min，壓裂鉆孔單孔瓦斯純流量平均為0.0212m3/min，抽放濃度穩(wěn)定，大大延長了瓦斯抽放周期。

普通穿層鉆孔7天平均瓦斯抽放量為90.72m3/min，壓裂鉆孔7天平均瓦斯抽放量為245m3/min，壓裂鉆孔瓦斯抽放量是普通抽放鉆孔的2.7倍。

6.3巷道異常情況

進(jìn)行水力壓裂后，以壓裂孔為中心20米范圍內(nèi)巷道頂板平均下沉0.05～0.4ｍ，兩幫有明顯的位移，巷道底板有0.03～0.1ｍ的裂痕，頂板有斷錨索和錨桿現(xiàn)象，煤壁及頂板有淋水現(xiàn)象。

7結(jié)語

根據(jù)壓裂后煤層、瓦斯變化，可以降低煤體中的瓦斯含量和瓦斯壓力，改變煤體內(nèi)部應(yīng)力分布，在一定范圍內(nèi)起到消突的作用，確保安全生產(chǎn)。使瓦斯抽放濃度和抽放量有較大提高，達(dá)到利用條件。同時，壓裂后煤體內(nèi)水含量增加，減少了在開采過程中的粉塵產(chǎn)生量，改善職工作業(yè)環(huán)境。