于 紅 王曉麗 張瑞林

(1. 河南工程學院安全工程學院，河南省鄭州市，451191；2.河南省工業(yè)和信息化高級技工學校，河南省新鄭市，451199)

★ 煤礦安全 ★

松軟煤層頂板水力壓裂技術(shù)研究

于 紅1王曉麗2張瑞林1

(1. 河南工程學院安全工程學院，河南省鄭州市，451191；2.河南省工業(yè)和信息化高級技工學校，河南省新鄭市，451199)

針對松軟煤層水力壓裂鉆孔易出現(xiàn)塌孔、抽采效率低等問題，提出頂板水力壓裂技術(shù)，在新安煤礦14170工作面進行現(xiàn)場試驗研究，并對壓裂效果進行考察分析。試驗結(jié)果表明，頂板水力壓裂措施未造成巷道變形，對巷道維護沒有產(chǎn)生負面影響；壓裂鉆孔接抽瓦斯后，瓦斯?jié)舛缺３衷?0%以上，單孔抽采純量高達31500 m3；采用頂板壓裂措施后，工作面防突預測指標均有下降趨勢。

松軟煤層 水力壓裂 抽采量 高壓水 封孔

據(jù)統(tǒng)計2016年全國共發(fā)生煤礦事故249起、死亡人數(shù)538人，其中瓦斯事故13起、死亡170人，事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別約占總事故的5%和32%，可見瓦斯事故災害嚴重，且重大事故多發(fā)，瓦斯治理依然是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。

多年來國內(nèi)外學者的理論研究與實踐表明，煤層強力卸壓增透、強化瓦斯抽采可以有效釋放煤層地應力，增大煤層透氣性和瓦斯抽采量，是煤層瓦斯治理的有效措施。近年來，隨著瓦斯治理工作的深入開展，煤礦井下水力壓裂技術(shù)在我國高瓦斯突出礦井進行了大量試驗研究，并取得較好的應用效果。文獻顯示，我國煤礦所采用的水力壓裂鉆孔主要為本煤層鉆孔和底板巖巷穿層鉆孔，壓裂的主體主要為煤層，對于煤質(zhì)較為堅硬，即破壞不嚴重的煤層，一般均能取得較好的增透效果，無論瓦斯抽采量還是鉆孔高效利用時間都有數(shù)倍甚至幾十倍的提高和增加，但對于煤質(zhì)較為松軟，即所謂的松軟煤層，鉆孔瓦斯流量的增加以及抽采鉆孔高效利用時間均沒達到理想狀態(tài)，松軟煤層水力壓裂技術(shù)所引起的塌孔、流量低等問題在高成本的實施工藝面前舉步維艱。因此，水力壓裂技術(shù)在松軟煤層礦井的應用需要從工藝、措施上進行改進與革新。

1 試驗地點介紹

1.1 礦井概況

洛陽新安煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井投產(chǎn)以來有統(tǒng)計瓦斯突出已達10多次，瓦斯突出威脅一直是影響礦井安全生產(chǎn)的主要因素。礦井開采二疊系山西組二1煤層，煤層厚度0～18.88 m，平均厚度4.22 m。煤層瓦斯含量為7～20 m3/t，煤層瓦斯壓力0.26～1.0 MPa，礦井生產(chǎn)期間瓦斯涌出量大且不均衡。二1煤層煤巖成分多以亮煤為主，暗煤次之，其中夾微量絲炭和少許鏡煤條帶。平均容重1.39 t/m3，比重為1.5 t/m3，孔隙度為7%～12%。煤層結(jié)構(gòu)簡單，機械強度極低，多呈參差狀斷口，結(jié)構(gòu)簡單，組織疏松，粉狀，易污手。原煤機械性能測定結(jié)果顯示，靜止角27°，摩擦角35.7°，散煤容重0.954 t/m3；原煤灰分平均產(chǎn)率為20.01%，屬中灰煤；水分為0.58%，可燃體揮發(fā)分為15.52%，爆炸指數(shù)為15.53%～16.82%，具有煤塵爆炸危險性。根據(jù)2004年7月煤炭科學研究總院重慶分院對新安礦進行的煤炭自燃傾向性鑒定結(jié)果，屬不易自燃煤，自然發(fā)火期為6個月。局部見有少量硫化物，呈結(jié)核狀及浸染狀分布，煤層下部煤質(zhì)一般較劣。

二1煤層頂板由偽頂、直接頂、老頂組成，其中，偽頂為0～1.5 m厚的炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，隨采隨落；直接頂為2.5 m厚的砂質(zhì)泥巖、泥巖，該巖層裂隙發(fā)育，底部含黃鐵礦，具有滑面；老頂由粉砂巖、中砂巖組成，厚度為19.5 m。厚層狀層理，裂隙發(fā)育，局部中夾二2煤。

1.2 瓦斯抽采現(xiàn)狀

目前新安煤礦主要采用底板巖巷穿層鉆孔和順層鉆孔抽采煤層瓦斯，但由于煤層較松軟、透氣性差、煤層厚度變化較大等原因，造成瓦斯抽采濃度低、流量小、效率差，分析其主要原因有以下幾個方面。

(1)煤層透氣性差。采用徑向流量法測定礦井二1煤層透氣性系數(shù)為0.0277～0.1313 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0542～0.0577 d-1，屬于較難抽采煤層。煤層透氣性差直接關(guān)系到鉆孔抽采半徑大小，透氣性越差，鉆孔抽采氣體來源越少，抽采流量小。

(2)煤體松軟破碎。采用落錘法測定礦井二1煤層堅固性系數(shù)為0.17～0.22，極為松軟，打鉆難度較大，經(jīng)常出現(xiàn)壓死鉆桿和掉鉆桿現(xiàn)象，鉆桿和鉆頭消耗量較大，且鉆進深度很難滿足要求。同時，由于煤體松軟破碎造成已經(jīng)打成的抽采鉆孔塌孔嚴重，有效抽采鉆孔深度比較小，從而使鉆孔抽采瓦斯量和瓦斯?jié)舛缺容^低，而且在抽采后很短時間內(nèi)急劇衰減。因此，瓦斯抽采效果很差。

(3)煤層賦存不穩(wěn)定。二1煤層厚度為0～18.88 m，煤層底板起伏較大，經(jīng)常出現(xiàn)沿煤層走向局部區(qū)域煤層厚度突然增厚或變薄的現(xiàn)象。新安煤礦一般采用回采工作面煤巷沿頂掘進的方式推進，在煤層厚度增大(遠大于煤巷高度)的區(qū)域，布置順層條帶預抽鉆孔或順層抽采鉆孔的有效抽采范圍難以覆蓋整個煤層，容易形成抽采空白帶，留下瓦斯突出的隱患。

對于新安煤礦這種煤質(zhì)較為松軟、透氣差的煤層，采用一般的水力壓裂方法，即高壓水作用于煤層時，常出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，且新形成的裂隙網(wǎng)絡會很快重新壓實，鉆孔抽采效率較低，抽采量較小，因此，在新安煤礦設(shè)計采用煤層頂板壓裂技術(shù)，即壓裂鉆孔施工于煤層頂板，高壓水作用于煤層頂板，使高壓水形成的裂隙網(wǎng)絡與煤層溝通，利用這些裂隙網(wǎng)絡可較長時間保留的特點對煤層進行高效抽采。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗方案

煤層水力壓裂理論的核心就是通過鉆孔向煤巖體壓入流體，當液體壓入的速度遠遠超過煤巖體的自然吸水能力時，由于流動阻力的增加，進入煤巖體的液體壓力就會逐漸上升，當液體壓力超過煤巖體的擠聚力時，煤巖體就會發(fā)生破壞和開裂，從而形成加速液體或氣體滲流的裂隙網(wǎng)絡通道，即煤巖體滲透性就會大大增加，從而達到提高瓦斯抽采效果的目的。

煤層頂板水力壓裂治理瓦斯技術(shù)的關(guān)鍵和核心是通過對煤層上覆頂板的致裂，起到對煤巖體的卸壓和增透，進而打破煤層原始應力和瓦斯賦存狀態(tài)，為瓦斯解吸-擴散-滲流創(chuàng)造良好條件，這種壓裂方式也被有關(guān)專家稱為虛擬儲層壓裂。頂板壓裂增透示意圖見圖1。

澳大利亞、加拿大等國在礦山治理和礦業(yè)綠色實踐上有不少創(chuàng)新。澳大利亞實施生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和生物多樣性保護戰(zhàn)略，制定了礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展框架[10]，并建立“礦山關(guān)閉基金”，要求礦山企業(yè)邊開采、邊恢復。同時還要求礦山企業(yè)繳納土地復墾抵押金和年度環(huán)境報告，建立了監(jiān)察員巡檢制度 [11]。

這種方法在新安煤礦14170工作面回風巷進行試驗，設(shè)計頂板水力壓裂鉆孔布置在第四高位鉆場內(nèi)，鉆孔設(shè)計開口位置位于偽頂內(nèi)，距直接頂1.5～2.0 m處。壓裂鉆場內(nèi)共施工2個鉆孔，分別是壓裂鉆孔和導向孔。壓裂鉆孔深90 m，垂直巷道+3°向下巷鉆進；導向孔孔深90 m，位于壓裂鉆孔右側(cè)1.0 m同等高度處呈45°偏角開孔，壓裂鉆孔及導向鉆孔終孔進入直接頂12 m。14170工作面回風巷壓裂鉆孔圖見圖2。

圖1 煤層頂板壓裂卸壓增透示意圖

圖2 14170工作面回風巷壓裂鉆孔圖

2.2 壓裂參數(shù)設(shè)計

頂板壓裂工藝中水泵施工壓力較為重要，主要取決于巖石埋深、楊氏模量、巖石泊松比、巖石硬度、孔隙度、含水飽和度、滲透率等參數(shù)。對新安煤礦頂板巖石特性進行全面測試以便獲得準確壓裂壓力。

泵注施工壓力Pw為：

Pw=Pk-Ph+Pr+Pf

(1)

式中：Pw——施工泵壓，MPa；

Pk——地層破裂壓力，MPa；

Ph——壓裂管路液柱壓力，MPa；

Pr——壓裂液沿程摩阻，MPa；

Pf——壓裂液在高壓尾管處孔眼摩阻，MPa。

2.3 封孔方式

封孔對于水力壓裂措施至關(guān)重要，若封孔不嚴一方面會造成注水時大量壓力水涌入鉆場，使得鉆場工作環(huán)境惡劣，對巷道支護也有較大負面影響；另一方面造成整個壓裂過程中注水壓力無法達到設(shè)計壓力，不能達到應有的壓裂效果，使得整套工藝失敗，而且破壞最佳布孔位置，造成不可彌補的巨大經(jīng)濟、技術(shù)損失。因此，封孔質(zhì)量是水力壓裂措施成功的基本保障，要求封孔深度在應力集中帶以內(nèi)，裂隙方向和地應力場方向與鉆孔方向不匹配時可適當加長封孔深度，封孔段應能抵抗高強度水壓。本次試驗設(shè)計采用“兩堵一注”方法進行封孔。

(1)壓裂鉆孔封孔段兩端封堵。采用特種膨脹水泥漿封孔，具體封孔工藝如圖3所示，封孔深度為40 m。

圖3 注漿封孔工藝示意圖

封孔段內(nèi)端(A端)采用化學漿與棉紗雙重封孔方法，在壓裂注水管上焊接兩個?85 mm圓形堵頭，堵頭呈圓弧形，兩堵頭間距0.5 m，其間采用高分子有機漿液(聚氨酯或馬麗散)充填。其方法是將兩根細長塑料袋分別灌滿A、B液，兩頭扎緊，螺旋式纏繞于注水管兩個圓形堵頭之間。當注水管被送至預定封孔深度時，通過預先置入的控制裝置同時扯爛兩根塑料袋，使兩種有機漿液混合反應膨脹封堵鉆孔。采用棉紗在有機漿液封孔段前捆扎以輔助堵嚴封孔，起到雙重堵漿的作用。

封孔段外端(C端)采用有機漿液封孔的方法，其工藝與A端封孔工藝相同，堵頭開一個槽，以利于安放封孔注漿管。

(2)注漿封孔管安裝。如圖3中B段所示，在注水管每隔10 m焊接一個?85 mm圓形支撐片，起到支撐注水管離開孔壁的作用，支撐片上對稱開3個槽，以利于安放封孔注漿管和漿液流動。將封孔注漿管安放在支撐片凹槽內(nèi)，用鐵絲與注水管捆扎牢固，隨注水管一起伸入孔內(nèi)距封孔段內(nèi)端10 m。

封孔注漿管采用6分鋼管，每根鋼管長3 m，兩頭套絲，采用管箍連接；距孔口10 m的注漿管加工有鉆孔，一周3個孔，不在同一圓周上，孔間距0.2 m，孔徑8 mm?？卓谧{管管長2 m，注漿管口焊接?16 mm的快速接頭。

2.4 壓裂主要設(shè)備

煤礦水力壓裂治理瓦斯措施是一項系統(tǒng)工程，既涉及到基礎(chǔ)理論的研究，又涉及到成套技術(shù)和裝備的研發(fā)和有機配合。井下壓裂相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和裝備的有效研發(fā)是煤礦水力壓裂技術(shù)成功應用的保證。水力壓裂裝備主要包括壓裂泵、高壓管路、鉆孔內(nèi)部管路、封孔裝置、混液箱、操作指揮艙等，附屬設(shè)備包括水閥、壓力表、流量表、電控柜等。井下壓裂裝備連接系統(tǒng)如圖4所示。壓裂泵組是煤礦水力壓裂實施主要動力源，是壓裂實施的基礎(chǔ)。

圖4 井下鉆孔水力壓裂裝備系統(tǒng)示意圖

此次試驗采用的壓裂專用泵組型號為YL400/315，形式為防爆電機+三缸臥式單作用柱塞泵，可進行單機和多機聯(lián)合施工作業(yè)，能夠在-30℃～40℃溫度下保證8 h連續(xù)正常工作。最高工作壓力達到52 MPa，最大工作排量達到1.128 m3/min。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 巷道變形及頂板淋水情況考察

頂板水力壓裂試驗是通過水力作用在頂板與煤層之間產(chǎn)生裂隙，通過外力作用改變煤層頂板應力分布和裂隙發(fā)育狀況，該做法是否對巷道支護、巷道維護造成負面影響一直是學者們關(guān)心的問題。因此，有必要對試驗前后巷道變形量及出水點進行考察。設(shè)計在壓裂鉆場前后100 m每隔10 m布置一組測點(每組兩個測點，左幫和右?guī)透饕粋€)。壓裂前后，對比20組巷道變形量測定，結(jié)果表明巷道無明顯變形，表明頂板水力壓裂措施對巷道支護、維護等方面基本沒有負面影響。

3.2 壓裂后鉆孔瓦斯流量觀測

通過頂板水力壓裂技術(shù)提高系統(tǒng)抽采量是措施的根本目的。因此，壓裂完成后，先使用煤氣水分離器將鉆孔內(nèi)的高壓煤水排干凈，再連接瓦斯抽采管路進行抽采。為了考察壓裂鉆孔試驗效果，對壓裂鉆孔和導向孔進行連續(xù)瓦斯抽采數(shù)據(jù)觀測，壓裂孔瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采總流量情況如圖5和圖6所示。試驗結(jié)果表明，壓裂后的兩個月內(nèi)，壓裂鉆孔純瓦斯抽采量平均在600～800 m3/d，最高值近1200 m3/d；單孔累計抽采純瓦斯量達31500 m3，最高抽采瓦斯?jié)舛冗_80%；在經(jīng)歷了兩個月的抽采后，抽采瓦斯?jié)舛热员３衷?0%以上。導向孔累計抽采純瓦斯量達到4000 m3以上。試驗取得較好的效果，說明頂板水力壓裂技術(shù)適合煤層松軟礦井。

圖5 壓裂孔瓦斯抽采濃度

圖6 壓裂孔瓦斯單天抽采總流量

3.3 壓裂前后效檢指標對比分析

為了全面考察頂板壓裂鉆孔對本煤層開采影響，考察了14170工作面回采期間的部分突出預測參數(shù)和壓裂過程中巷道瓦斯涌出情況，詳見表1。

表1 壓裂前后效檢指標對比表

由表1可以看出，壓裂后的效檢指標整體小于壓裂前的數(shù)值，即該措施有效降低了煤層的突出危險性。

為了保證頂板壓裂措施安全進行，在壓裂鉆場下風向側(cè)安裝瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測器，對壓裂過程中巷道瓦斯涌出進行實時觀察。

4 結(jié)論

(1)頂板水力壓裂措施可用于煤層松軟、透氣性較差的煤礦，可避免水力壓裂孔布置在煤層中時，常出現(xiàn)的鉆孔塌陷、有效抽采時間較短等問題。

(2)頂板水力壓裂措施可增加抽采鉆孔與煤層之間的裂隙網(wǎng)絡，提高抽采鉆孔使用時間和抽采量，大大提高水力壓裂鉆孔利用率。

(3)但頂板水力壓裂措施依然存在不完善之處，例如在頂板裂隙較發(fā)育區(qū)域會出現(xiàn)致裂裂隙方向不可控現(xiàn)象，導致抽采孔與煤層裂隙網(wǎng)絡不發(fā)育，抽采效果較差，可見水力壓裂措施定向致裂技術(shù)將會是頂板水力壓裂措施的一個發(fā)展方向。

[1] 孫炳興,王兆豐,伍厚榮.水力壓裂增透技術(shù)在瓦斯抽采中的應用[J].煤炭科學技術(shù),2010(11)

[2] 林柏泉,李子文,翟成等. 高壓脈動水力壓裂卸壓增透技術(shù)及應用[J].采礦與安全工程學報, 2011(3)

[3] 田洪, 徐濤, 郭臣業(yè).煤礦井下水力壓裂產(chǎn)能主控因素研究[J]. 重慶科技學院學報(自然科學版),2014(3)

[4] 孫可明,張樹翠.含層理頁巖氣藏水力壓裂裂紋擴展規(guī)律解析分析[J].力學學報,2016(5)

[5] 蔡峰,劉澤功.深部低透氣性煤層上向穿層水力壓裂強化增透技術(shù)[J].煤炭學報,2016(1)

[6] 王念紅,任培良.單一低透氣性煤層水力壓裂技術(shù)增透效果考察分析[J].煤礦安全,2011(2)

[7] 付江偉,王公忠,田坤云等.煤礦井下水力壓裂安全保障體系研究[J].煤礦安全,2016(1)

[8] 馮彥軍,康紅普.水力壓裂起裂與擴展分析[J].巖石力學與工程學報,2013(S2)

[9] 夏彬偉,楊沖,盧義玉等. 斷層對煤層水力壓裂裂縫擴展的影響[J].中國石油大學學報(自然科學版), 2016(1)

Studyonhydraulicfracturingtechniquesofsoftcoalseamroof

Yu Hong1, Wang Xiaoli2, Zhang Ruilin1

(1. School of Safety Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou, Henan 451191, China; 2.Senior Technical School of Industry and Information Technology of Henan Province, Xinzheng, Henan 451199, China)

Aiming at the problems of borehole collapsing and low-rate gas drainage of hydraulic fracturing in soft coal seam, techniques for roof hydraulic fracturing were proposed and the field test was carried out at 14170 work face in Xin'an Mine. The experimental results showed that: the fracturing of roof had not resulted in roadway deformation and not made negative effect on roadway maintenance. After gas drainage by fracturing drilling, the gas concentration of borehole remained above 40%, the highest gas drainage of single borehole was up to 31500 m3. After the fracturing measure for roof, the prediction indexes of gas outburst prevention had a tendency to decrease.

soft coal seam, hydraulic fracturing, gas drainage quantity, high pressure water, borehole sealing

國家自然科學基金(51474094)，河南省科技攻關(guān)項目(152102310322)，微生物治理瓦斯技術(shù)與裝備河南省工程實驗室開放基金(2016A04)

于紅，王曉麗，張瑞林.松軟煤層頂板水力壓裂技術(shù)研究[J].中國煤炭，2017,43(12)：134-141.

Yu Hong, Wang Xiaoli, Zhang Ruilin. Study on hydraulic fracturing techniques of soft coal seam roof [J]. China Coal, 2017，43(12):134-141.

TD713.34

A

于紅(1985-)，河南濟源人，講師，博士，主要從事瓦斯災害預測與防治科研和教學工作。

(責任編輯 張艷華)