賈同千，饒　孜，何慶兵,，宋潤(rùn)權(quán)，白　鑫

(1.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030 ； 2.川煤集團(tuán)芙蓉公司白皎煤礦，四川 珙縣 644501)

0　引言

我國(guó)大部分高瓦斯突出煤層屬于低透氣性煤層，煤層瓦斯抽采技術(shù)難度大、成本高[1-3]。因此，學(xué)者們提出了水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)，進(jìn)一步提高煤層透氣性，使煤層瓦斯進(jìn)一步解析，減少瓦斯賦存，提高瓦斯抽采量，實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)[4-6]。唐書(shū)恒等[7]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了地應(yīng)力對(duì)水力壓裂的影響。鄧廣哲等[8]通過(guò)對(duì)9塊大型煤樣進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)，研究了水壓裂縫發(fā)育過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，為控制水壓裂縫發(fā)育提高科學(xué)依據(jù)。沈春明等[9]運(yùn)用數(shù)值模擬與相似模型實(shí)驗(yàn)研究了割縫前后煤體的滲透性變化。林柏泉等[10]利用FLAC軟件研究發(fā)現(xiàn)水力割縫可有效消除“瓶塞效應(yīng)”，提高抽采鉆孔的抽采半徑。

白皎煤礦為全國(guó)有名的極難抽采煤層高突出危險(xiǎn)礦井，煤層透氣性極低、瓦斯含量高、瓦斯壓力高、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為此，該礦采取多種治理措施取得一定成果，但并未滿(mǎn)足該礦實(shí)際生產(chǎn)需要。特別是在煤巷掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生數(shù)次煤與瓦斯突出與瓦斯超限事故，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。

因此，針對(duì)這一情況，綜合使用水力壓裂與水力割縫2種技術(shù)，不僅解決了煤巷掘進(jìn)過(guò)程中遇到的瓦斯超限和煤與瓦斯突出問(wèn)題，也為之后的回采工作創(chuàng)造了有力條件。同時(shí)提出了以水力壓裂為主，水力割縫為輔并與瓦斯抽采相結(jié)合的瓦斯治理技術(shù)，為治理低滲高地應(yīng)力煤巷條帶瓦斯提供了一種新的途徑。

1　復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)原理

水力壓裂與水力割縫這2種水力化措施均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)：水力壓裂作用范圍大效果好，但由于煤層地質(zhì)條件的影響水力壓裂裂紋方向不易控制，壓裂影響范圍大并不均勻易存在“盲區(qū)”，適用于區(qū)域化瓦斯增滲；而水力割縫定位精準(zhǔn)能夠?qū)γ簩拥木植窟M(jìn)行快速有效的割縫作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯問(wèn)題的快速治理，可以作為水力壓裂的有力補(bǔ)充，但是水力割縫的影響范圍較小，適用于局部瓦斯增滲。因此可以綜合運(yùn)用這2種水力化技術(shù)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以提高煤層瓦斯問(wèn)題的綜合治理效果。復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)體系如圖1所示。

圖1　復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)體系流程Fig.1　The complex geology of low permeability coal seam hydraulic fracturing-slotted comprehensive gas permeability increasing technology

根據(jù)水力壓裂與水力割縫的特點(diǎn)，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件低滲煤層提出復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)。即結(jié)合煤層地質(zhì)資料以及瓦斯賦存資料，對(duì)該煤層進(jìn)行區(qū)域瓦斯抽采達(dá)標(biāo)檢驗(yàn)或根據(jù)準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)、回采過(guò)程中瓦斯是否超限，確定瓦斯含量未達(dá)標(biāo)區(qū)域。并對(duì)該瓦斯含量未達(dá)標(biāo)區(qū)域進(jìn)行穿層水力壓裂作業(yè)，從而迅速提高該區(qū)域煤層的滲透性以及瓦斯抽采的效果。

水力壓裂施工完成后，對(duì)抽采孔的抽采效果進(jìn)行考查，確定抽采效果欠佳的區(qū)域作為水力壓裂“盲區(qū)”，掘進(jìn)、回采過(guò)程中瓦斯超限也作為“盲區(qū)”，使用水力割縫局部增透強(qiáng)化抽采，從而使煤層局部瓦斯含量迅速降低，達(dá)到相應(yīng)作業(yè)要求。

通過(guò)使用復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)，不僅能使區(qū)域煤層瓦斯問(wèn)題得到有效治理而且對(duì)于煤層內(nèi)部由于地質(zhì)構(gòu)造造成的局部瓦斯問(wèn)題也有較強(qiáng)的針對(duì)性，從而提高復(fù)雜地質(zhì)條件下低滲煤層瓦斯問(wèn)題的治理水平。

2　試驗(yàn)地點(diǎn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)位于白皎煤礦B4煤層2382工作面，工作面走向長(zhǎng)度約392 m，煤層堅(jiān)固性系數(shù)(f)為2～4，煤層走向275°，煤層傾向185°，傾角13～23°，平均傾角16°。其中B4煤層瓦斯含量平均為12.412 43/t，瓦斯含量系數(shù)為7.69 m3/(t·MPa0.5)。

白皎煤礦井田范圍內(nèi)存在白皎背斜、巡場(chǎng)向斜、青山背斜，發(fā)現(xiàn)地面斷層10條，隱伏斷層11條，煤礦生產(chǎn)揭露落差大于2 m的隱伏斷層千余條。煤系地層中眾多的小斷層造成煤層在短距離內(nèi)局部重復(fù)、缺失或增厚、變薄。同時(shí)，煤層埋深大，地應(yīng)力大，煤層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育。復(fù)雜的地質(zhì)條件導(dǎo)致礦井瓦斯超限、煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害異常嚴(yán)重，建礦至今已發(fā)生煤與瓦斯突出231次，年均突出達(dá)5.12次。

3　水力壓裂瓦斯增透技術(shù)應(yīng)用及效果分析

水力壓裂是通過(guò)將高壓水注入煤層鉆孔中，當(dāng)高壓水的壓力達(dá)到煤層起裂壓力時(shí)，在鉆孔周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生裂縫。隨著高壓水的不斷注入裂縫不斷發(fā)育擴(kuò)展，最終在煤層中形成完整的裂縫系統(tǒng)，從而提高煤層的滲透性。由于其較好的增透效果，水力壓裂在煤礦中的應(yīng)用日益廣泛。

3.1　水力壓裂鉆孔布置方式

為了考查水力壓裂的區(qū)域性增透效果，在2382工作面的238底板巷布置了3個(gè)壓裂孔，孔間距控制60 m，鉆孔傾角47°，鉆孔穿透兩層煤體，終孔距煤系最上煤層B4頂板0.5 m，壓裂鉆孔施工完成后立即封孔。鉆孔施工布置如圖2所示。

圖2　鉆孔施工布置Fig.2　layout of drill hole construction

3.2　壓裂壓力的確定

地應(yīng)力不僅影響煤層的滲透性而且在水力壓裂過(guò)程中還影響著壓裂裂縫的起裂與發(fā)育。為有效計(jì)算水力壓裂參數(shù)，提高水力壓裂效果，在238底板道運(yùn)用套孔應(yīng)力解除法測(cè)定地應(yīng)力[11]，確定主應(yīng)力大小和方向(見(jiàn)表1)。

根據(jù)拉應(yīng)力準(zhǔn)則，破裂壓力的確定依據(jù)公式為[7,12-15]：

pf≥3σ3-σ1+T

(1)

式中：σ1，σ3分別為最大、最小水平主應(yīng)力；T為煤體抗拉強(qiáng)度，MPa，取1.6[16]。

表1　地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

注：地應(yīng)力分量以大地坐標(biāo)系為參考，大地坐標(biāo)為Z軸向上，Y軸向北，X軸向東，主應(yīng)力方位由北起順時(shí)針計(jì)算，傾角上傾為正、下傾為負(fù)。

經(jīng)(1)式計(jì)算得此次井下鉆孔水力壓裂破裂壓力為27 MPa?？紤]到煤層裂隙發(fā)育以及煤層含水的影響，實(shí)際破裂壓力會(huì)少于此值。

3.3　水力壓裂實(shí)施過(guò)程

水力壓裂工作分3次實(shí)施，壓裂順序依次為3#壓裂孔、2#壓裂孔、1#壓裂孔。各壓裂孔壓力數(shù)據(jù)及壓裂時(shí)間[16]如表2所示。

表2　各孔壓裂數(shù)據(jù)

3.4　壓裂效果分析

3.4.1裂縫延伸方向及影響范圍分析

根據(jù)水力壓裂后巷道周邊的出水情況，可以判斷1#壓裂孔的影響范圍為從1#孔向壓裂區(qū)外延伸了80余米，向區(qū)內(nèi)2#孔方向僅有少量延伸；2#鉆孔向3#鉆孔方向延伸已影響至3#孔，即影響范圍達(dá)60 m，但2#孔未和1#孔聯(lián)通?？梢钥闯銎鋲毫寻l(fā)育分布不均勻，裂縫主要沿著煤層走向即垂直于最小水平主應(yīng)力的方向上發(fā)育。

水力壓裂后，在壓裂范圍內(nèi)施工穿層抽采鉆孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，所有鉆孔均有水流出，結(jié)合理論計(jì)算的壓裂影響范圍綜合分析可知，1#壓裂孔的影響范圍為以向外延伸為主的不規(guī)則的形狀。2#壓裂孔與3#壓裂孔的影響范圍為1#壓裂孔向內(nèi)20 m開(kāi)始到3#壓裂孔向里30 m止的區(qū)域。圖3為水力壓裂影響范圍示意圖。

圖3　水力壓裂影響范圍示意Fig.3　Schematic diagram of water drilling in the coal seam after fracturing

由于3#壓裂鉆孔抽采瓦斯流量遠(yuǎn)小于其他2個(gè)壓裂孔，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，決定對(duì)3#壓裂孔進(jìn)行二次壓裂。對(duì)3#壓裂孔進(jìn)行二次壓裂時(shí)出現(xiàn)壓力急劇上升至47.6 MPa而無(wú)法壓入的異常情況，因此立即停止了壓裂作業(yè)。分析由于該區(qū)域煤層底板為黏土巖，遇水會(huì)發(fā)生形變，且壓裂管上的篩眼較小，該鉆孔進(jìn)行第一次壓裂后，回流的煤泥水已將多數(shù)篩眼以及煤體中的裂隙堵塞，從而造成了瓦斯抽采量小且無(wú)法壓入的情況。該孔的壓裂情況證明白皎煤礦238底板道區(qū)域的巖性不適合進(jìn)行反復(fù)壓裂。

3.4.2壓裂鉆孔瓦斯抽采效果分析

表3為壓裂鉆孔與238底板道常規(guī)穿層抽采鉆孔瓦斯抽采參數(shù)。1#壓裂孔抽采瓦斯?jié)舛容^238底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯抽采濃度提高2倍，抽采純流量提高12倍。2#壓裂孔抽采瓦斯?jié)舛鹊陀?38底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯抽采濃度，但其日抽采純流量較238底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯日抽采純流量提高2.6倍。結(jié)合壓裂鉆孔施工情況：2#壓裂孔穿煤深度為1.5 m，而1#壓裂孔穿煤深度為6 m。該區(qū)域存在地質(zhì)構(gòu)造煤層賦存變化較大，使水力壓裂裂縫發(fā)育不充分，造成區(qū)域內(nèi)局部瓦斯含量低。3#壓裂孔由于進(jìn)行二次壓裂，抽采瓦斯?jié)舛扰c238底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯抽采濃度持平，抽采純流量低于238底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯日抽采純流量。

表3　瓦斯抽采參數(shù)

壓裂結(jié)束后，將壓裂孔連入抽采系統(tǒng)并對(duì)其抽采情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖4分別為1#、2#、3#壓裂鉆孔的瓦斯日抽采濃度變化圖和日抽采純量變化圖。

圖4　1～3#孔瓦斯抽采濃度及純量變化曲線(xiàn)Fig.4　Variation curve of gas drainage concentration and purity in 1-3# hole

由圖4可以看出： 1#壓裂孔瓦斯抽采量呈現(xiàn)出穩(wěn)定上升趨勢(shì)，瓦斯抽采濃度及流量均較238底板常規(guī)道穿層抽采鉆孔有較大的提高，且瓦斯?jié)舛燃傲髁克p較小，壓裂后瓦斯抽采鉆孔存活時(shí)間較長(zhǎng)。由于2#壓裂孔所處區(qū)域存在地質(zhì)構(gòu)造并且煤層賦存變化較大，影響了水力壓裂裂縫發(fā)育，使 2#壓裂孔瓦斯抽采濃度及流量均低于1#壓裂孔。但2者具有類(lèi)似的特征，即瓦斯抽采濃度及流量穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，瓦斯抽采衰減慢，瓦斯抽采鉆孔存活時(shí)間長(zhǎng)。3#壓裂孔由于二次壓裂，使煤層滲透率降低，造成瓦斯抽采純流量偏低。壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔平均抽采濃度58.6% ，鉆孔平均單孔抽采純量約為34.94 L/min。對(duì)比白皎煤礦日均單孔瓦斯抽采濃度計(jì)流量。說(shuō)明水力壓裂區(qū)域化瓦斯增滲技術(shù)適用于區(qū)域增滲，具有較好的效果。

由3個(gè)壓裂孔的瓦斯抽采參數(shù)和圖2 水力壓裂影響范圍示意圖可以看出：水力壓裂區(qū)域化瓦斯增滲技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下存在壓裂效果不均勻，壓裂裂縫發(fā)育不充分等不足，不能很好的適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件。該礦水力壓裂實(shí)施后2372機(jī)巷掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)迎頭區(qū)域仍發(fā)生了瓦斯超限事故，這是由于壓裂裂縫發(fā)育不均勻，存在“盲區(qū)”。因此在實(shí)施水力壓裂區(qū)域化瓦斯增滲技術(shù)時(shí)需要增加一種局部化處理措施，即對(duì)水力壓裂存在的盲區(qū)進(jìn)行增滲，強(qiáng)化抽采。而水力割縫能夠?qū)γ簩拥奶囟ㄎ恢眠M(jìn)行割縫，強(qiáng)化抽采，具有定位精準(zhǔn)的特點(diǎn)，是水力壓裂區(qū)域化瓦斯增滲技術(shù)的有效補(bǔ)充。

4　水力割縫瓦斯增滲技術(shù)應(yīng)用及效果分析

水力割縫是利用高壓水對(duì)鉆孔周?chē)拿后w進(jìn)行切割并將切割的煤屑排出孔外，從而在煤層中形成一個(gè)圓餅形的縫槽，增加煤層的暴露面積，促進(jìn)瓦斯的解析；同時(shí)由于地應(yīng)力的作用，縫槽附近的煤體發(fā)生位移，在煤層中形成新的裂隙，為瓦斯的運(yùn)移提供新的通道。

4.1　水力割縫鉆孔布置方式

水力割縫鉆孔共8組，開(kāi)孔位置位于237底板道，間隔5 m，每組4個(gè)鉆孔，終孔位于B4煤層2372機(jī)巷掘進(jìn)東磧頭處。每個(gè)鉆孔割縫完工后立即封孔并及時(shí)投抽。水力割縫鉆孔布置如圖5所示。

圖5　水力割縫鉆孔布置Fig.5　Hydraulic slotting borehole layout

4.2　水力割縫效果分析

在實(shí)施水力割縫工作前對(duì)割縫孔的瓦斯抽采情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用以確定割縫效果。割縫期間1#、2#孔的抽采濃度及純流量如圖6所示(由于篇幅有限只列舉1#、2#監(jiān)測(cè)孔)。

圖6　1#、2#孔瓦斯抽采濃度及純量變化曲線(xiàn)Fig.6　Variation curve of gas drainage concentration and purity in 1#， 2# hole

水力割縫后，割縫孔瓦斯抽采參數(shù)較割縫前均有一定提高，同時(shí)割縫增透區(qū)內(nèi)抽采鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄岣?.9倍，瓦斯純流量平均提高3.3倍；但瓦斯抽采有效期較短約為20 d。

對(duì)比表3中的水力壓裂孔抽采參數(shù)可以看出割縫孔的瓦斯抽采流量及濃度較小，這是由于水力割縫半徑僅為0.4 m，割縫影響范圍有限導(dǎo)致游離瓦斯含量低，僅適用于局部增滲。

5　結(jié)論

1) 3個(gè)壓裂鉆孔平均瓦斯抽采純流量較238底板道常規(guī)抽采鉆孔單孔瓦斯抽采純流量提高了15.8倍，瓦斯抽采濃度提高4%，壓裂區(qū)瓦斯抽采純流量較對(duì)比區(qū)提高2.1倍；水力割縫增透區(qū)內(nèi)抽采鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄岣?.9倍，瓦斯純流量平均提高3.3倍。

2)水力壓裂具有影響范圍大瓦斯抽采時(shí)間長(zhǎng)、抽采量大的特點(diǎn)，適用于區(qū)域瓦斯治理但對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差；而水力割縫的特點(diǎn)是割縫位置精確可控、抽采有效抽采時(shí)間短，對(duì)不同地質(zhì)條件均有較好的適應(yīng)性，適合用于對(duì)局部瓦斯問(wèn)題進(jìn)行快速有效治理。

3)復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂-割縫綜合瓦斯增滲技術(shù)，不僅可以用于區(qū)域煤層瓦斯治理，而且對(duì)于局部瓦斯問(wèn)題如：煤巷掘進(jìn)遇到的煤與瓦斯突出、瓦斯超限等也有較好的治理效果，全面提高了復(fù)雜地質(zhì)煤層的瓦斯治理水平，同時(shí)也為之后的回采工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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