劉增亮董 強(qiáng)

（1.山西馬堡煤業(yè)有限公司；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

煤層透氣性是嚴(yán)重制約瓦斯抽采效果的技術(shù)參數(shù)，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。對(duì)于提高煤層透氣性，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究［1］，其中水力壓裂增透措施［2-6］是一種安全無(wú)污染的技術(shù)，既可以通過高壓水增加煤層裂隙發(fā)育，進(jìn)而破裂，從而增加煤層透氣性，達(dá)到增透促抽的目的，又可以濕潤(rùn)煤體；其施工簡(jiǎn)便，安全可靠。

以某煤礦8205 運(yùn)輸順槽穿層預(yù)抽鉆孔為研究對(duì)象，首先進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，初步確定增透技術(shù)參數(shù)，再進(jìn)行高壓水射流增透技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以優(yōu)化抽采方案。最終確定一套適合現(xiàn)有采掘條件下的水力壓裂增透技術(shù)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。

1 8205綜采工作面概況

8205 綜采工作面位于井田8#煤層二采區(qū)，工作面布置運(yùn)順順槽、回風(fēng)順槽，走向長(zhǎng)1 130 m，傾向長(zhǎng)160 m，煤厚平均為2.1 m。東側(cè)為8204 采空區(qū)，西側(cè)未布置工作面，南側(cè)為3條下山，北側(cè)為井田邊界線。工作面2個(gè)順槽現(xiàn)尚未掘進(jìn)，目前布置了運(yùn)輸順槽底抽巷、回風(fēng)順槽底抽巷，施工穿層瓦斯預(yù)抽鉆孔，用于區(qū)域瓦斯治理，見圖1。

8205 運(yùn)輸順槽底抽巷外錯(cuò)8205 運(yùn)輸順槽40 m，8205 回風(fēng)順槽底抽巷內(nèi)錯(cuò)8205 回風(fēng)順槽30 m，兩底抽巷距8#煤層底板約15 m，巷道長(zhǎng)約980 m，斷面尺寸為4 m×3 m（寬×高）。

2 水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

此次水力壓裂增透地點(diǎn)選為8205 運(yùn)輸順槽底抽巷250 m處的第40組鉆孔，剖面圖見圖2。

第40 組鉆孔共計(jì)8 個(gè)穿層鉆孔，上下排各布置4個(gè)鉆孔，終孔位置間距為5 m，覆蓋了巷道及巷道兩側(cè)15 m范圍。鉆孔開孔位置如圖3所示：

上排開孔距頂板0.2 m，下排開孔距頂板0.7 m，開孔間距為1 m，排間距為0.5 m，具體參數(shù)見表1。

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考慮到上排孔傾角較大，施工過程中返水返渣情況觀察較方便，故此選定40-4、40-5號(hào)孔作為水力壓裂鉆孔，其余鉆孔（包括第40 組其余鉆孔、第39 組和第41組鉆孔）作為觀測(cè)孔，用于觀測(cè)水力壓裂過程中返水情況。

3 水力壓裂數(shù)值仿真

為研究高壓水力壓裂注水壓力與裂隙發(fā)展范圍，使用RFPA2D-Flow 數(shù)值仿真平臺(tái)建立40-4、40-5號(hào)孔水力壓裂數(shù)值仿真模型［7-8］，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論指導(dǎo)。

模擬地點(diǎn)埋深為500 m，垂直地應(yīng)力為22 MPa，水平地應(yīng)力為32 MPa，當(dāng)圍壓恒定時(shí)將單步增量設(shè)為零。按Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，均質(zhì)度m=2，滲流邊界為零，煤體力學(xué)參數(shù)如表2所示［9-10］。

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40-4、40-5 號(hào)孔終孔位置落在8205 運(yùn)輸順槽兩側(cè)，兩孔終孔間距4 m，鉆孔進(jìn)入8#煤層角度分別為21°和20°，設(shè)計(jì)見煤長(zhǎng)度為5.9和6.2 m。

在RFPA2D-Flow 中建立24 m×2 m 的模型，初始水壓為5 MPa，每步加壓1 MPa，程序計(jì)算分10 步，即加壓至15 MPa。孔內(nèi)水壓力場(chǎng)分布云圖見圖4（僅展示煤層區(qū)域）。

當(dāng)注水壓力為7 MPa 時(shí)（圖4（a）），2 個(gè)鉆孔的裂隙（圖中黑色區(qū)域表示裂隙）都開始萌生，隨著注水壓力的變大，裂隙向2個(gè)鉆孔之間萌生，并且逐步擴(kuò)展。圖4（b）～圖4（d）為注水壓力9～13 MPa條件下，裂隙萌生的程度。直至注水壓力為15 MPa時(shí)（圖4（e）），2個(gè)鉆孔之間裂隙發(fā)育達(dá)到最大，形成裂隙通道。

由以上分析，兩相鄰鉆孔都進(jìn)行高壓水力壓裂的情況下，當(dāng)注水壓力為15 MPa時(shí)，鉆孔之間萌生裂隙并且導(dǎo)通，經(jīng)測(cè)量，壓裂范圍為3.36 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及增透促抽效果

4.1 試驗(yàn)鉆孔施工

2020 年9 月1 日，在8205 運(yùn)輸?shù)壮橄?50 m 處開展了此次水力壓裂試驗(yàn)。通過觀察水力壓裂鉆孔周圍普通孔的瓦斯和返水情況，以此判斷8#煤層的裂隙發(fā)育程度。

水力壓裂施工完畢后，立即將鉆孔封孔，并入抽采系統(tǒng)，對(duì)抽采的濃度、流量進(jìn)行觀測(cè)，與距離此次試驗(yàn)地點(diǎn)100 m 范圍內(nèi)未經(jīng)水力壓裂增透措施的普通抽采鉆孔抽采參數(shù)相比較，以此考察水力壓裂效果。

4.2 高壓水力壓裂設(shè)備

水力壓裂設(shè)備采用2BZ-125/20 型煤層注水泵，其技術(shù)參數(shù)見表3。

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4.3 高壓水力壓裂煤層增透施工流程

高壓水力壓裂煤層增透技術(shù)的施工流程如下：

（1）在8205工作面運(yùn)輸順槽底抽巷250 m處按設(shè)計(jì)施工各鉆孔。

（2）在施工完畢的壓裂鉆孔內(nèi)，使用FKSS 高壓膠囊封孔器進(jìn)行封孔。

（3）連接高壓注水泵，對(duì)40-4、40-5 號(hào)孔進(jìn)行高壓注水，初始?jí)毫φ{(diào)為5 MPa，檢查管路是否完好。確認(rèn)無(wú)誤后，按每次加壓1 MPa并維持10 min的方式（最大可增加至20 MPa）進(jìn)行加壓，然后保持壓力不變直至壓力表值無(wú)明顯變化時(shí)結(jié)束。應(yīng)始終注意壓力表的變化及鉆孔出水情況，并做好記錄（圖5）。

（4）水力壓裂結(jié)束后，關(guān)閉高壓注水泵，斷開注水泵電源。打開卸壓閥使高壓水力壓裂系統(tǒng)卸壓至零。

4.4 水力壓裂增透促抽試驗(yàn)效果分析

在對(duì)40-5 號(hào)鉆孔壓裂30 min 后，40-4 號(hào)鉆孔封孔管內(nèi)開始返水，說明40-4 和40-5 號(hào)孔通過水力壓裂措施后導(dǎo)通，40-4、40-5 號(hào)鉆孔實(shí)際見煤段間距為3～3.81 m，說明水力壓裂范圍為3～3.81 m，與數(shù)值仿真結(jié)果相符。

對(duì)40-4、40-5號(hào)孔封孔后立即并入抽采系統(tǒng)，對(duì)第40組鉆孔抽采參數(shù)進(jìn)行了為期30 d的觀測(cè)。作為對(duì)比，也觀測(cè)了第39 組、第41 組以及距離第40 組鉆孔100 m 位置的第17 組鉆孔抽采參數(shù)（第17 組和第40 組抽采負(fù)壓相同），如圖6 所示。統(tǒng)計(jì)抽采30 d 的抽采混合流量和抽采濃度數(shù)據(jù)見表4。

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由圖6 和表4 可以看出，經(jīng)過水力壓裂增透措施后，平均的抽采純量是未經(jīng)過壓力組的10.28 倍左右，平均抽采濃度是未壓裂組的2.93 倍。而且，經(jīng)過水力壓裂增透措施后，附近的第39 組、第41 組的抽采純量也會(huì)提高，說明水力壓裂增透措施會(huì)增加鉆孔附近內(nèi)的裂隙，促進(jìn)瓦斯抽采。

5 結(jié) 論

（1）針對(duì)某礦8205 運(yùn)輸?shù)壮橄锎鱼@孔瓦斯抽采問題，提出了水力壓裂增加煤層透氣性，進(jìn)而促進(jìn)瓦斯抽采的技術(shù)方案。

（2）使用RFPA2D-Flow 數(shù)值仿真軟件，對(duì)40-4、40-5 號(hào)孔進(jìn)行了高壓水力壓裂數(shù)值模擬，當(dāng)注水壓力為15 MPa時(shí)，相鄰兩鉆孔之間萌生裂隙并且導(dǎo)通，壓裂范圍為3.36 m。

（3）對(duì)40-4號(hào)孔進(jìn)行高壓水力壓裂，注水壓力為15 MPa，壓裂30 min，40-5 號(hào)孔有水返出，說明兩鉆孔間有裂隙導(dǎo)通，根據(jù)鉆孔實(shí)際情況，判斷水力壓裂范圍為3～3.81 m，與數(shù)值仿真結(jié)果相符。

（4）經(jīng)過水力壓裂增透措施后，平均的抽采純量是普通組的10.28 倍，平均抽采濃度是普通組的2.93倍。而且，經(jīng)過水力壓裂增透措施后，附近的第39組、第41組的抽采純量也會(huì)有提高，說明水力壓裂增透措施會(huì)增加鉆孔附近的裂隙，促進(jìn)瓦斯抽采。