劉朝陽(yáng)

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司， 山西 陽(yáng)泉 045008）

山西新元煤炭有限責(zé)任公司目前實(shí)際生產(chǎn)能力為600 萬(wàn)t/年，現(xiàn)開采3 號(hào)煤層，該煤層沒(méi)有大型構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造整體比較簡(jiǎn)單。頂?shù)装鍘r性相差不大，都是以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，煤的灰分平均為17.82%，全硫平均為0.31%，屬于低灰、低硫、易選的以無(wú)煙煤為主煤層。該礦井為突出礦井，煤層為突出煤層，煤層厚度0.40～4.75 m，平均2.58 m，瓦斯含量達(dá)14.89 m3/t，瓦斯壓力為2.44 MPa，透氣性系數(shù)為0.017 mD，硬度f(wàn)＜0.4，在對(duì)該煤層進(jìn)行采掘作業(yè)前，必須進(jìn)行瓦斯抽采。

新元礦目前采取的區(qū)域防突措施主要是三巷掘進(jìn)，即進(jìn)風(fēng)巷、輔助進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷。三條巷道都采取區(qū)域鉆孔水力造穴和氣相壓裂措施對(duì)掘進(jìn)工作面消突，施工中要求在工作面和巷道的兩側(cè)布置26 個(gè)鉆孔，分三排布置，孔徑105 mm。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后需要對(duì)煤層中的抽采效果進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明殘余瓦斯含量的臨界值約為18.2 m3/t，大于國(guó)家防突規(guī)定的8 m3/t為標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明達(dá)到了區(qū)域消突的目的，需要開發(fā)新的消突控制方案。

為了有效解決井下瓦斯突出問(wèn)題，結(jié)合我國(guó)學(xué)者對(duì)井下水力壓裂技術(shù)的研究成果[1]，本文提出了一種基于水力壓裂技術(shù)的降低煤層突出系數(shù)的方案，并對(duì)水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，新的控制技術(shù)能夠?qū)⒚簩油笟庑韵禂?shù)提升34.7 倍，將煤層內(nèi)瓦斯的抽采流量提升了58.6%以上，對(duì)提升煤礦井下綜采作業(yè)安全性具有十分重要的意義。

1 水力壓裂實(shí)施方案

為了提高井下水力壓裂的應(yīng)用效果、提高水力壓裂應(yīng)用可靠性，采用了“兩堵一注”的密封鉆孔方案[2]，水力壓裂系統(tǒng)主要由1 個(gè)供水水箱和2 組壓裂泵構(gòu)成，井下水力壓裂鉆孔布置方案如圖1 所示。

圖1 井下水力壓裂鉆孔布置結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行水力壓裂的過(guò)程中，通過(guò)壓裂泵對(duì)水進(jìn)行加壓，將其注入到壓力孔內(nèi)，直到距離壓裂孔約40 m處的壓裂邊界出現(xiàn)掉渣及滲水現(xiàn)象時(shí)停止注水，整個(gè)過(guò)程中的注水量約為144 m3，在水力壓裂過(guò)程中孔口壓力變化情況如圖2 所示。

圖2 水力壓裂鉆口壓力變化曲線

由圖2 可知，在向壓裂孔內(nèi)注入高壓水后，孔口的壓力迅速上升到約21 MPa，并且隨著時(shí)間的增加孔口處的壓力不斷波動(dòng)，這主要是由于煤層不斷的被壓裂而且由于煤層內(nèi)存在大量的原生裂隙[3]，在高壓水的作用下裂隙不斷的擴(kuò)展，直到達(dá)到損傷區(qū)，當(dāng)煤層被完全壓裂后停止注水，整個(gè)施工過(guò)程約29 h。

2 水力壓裂孔特性分析

通過(guò)對(duì)水力壓裂孔結(jié)構(gòu)分析，該水力壓裂井的埋深為592 m，挖出井筒長(zhǎng)度為3.6 m，射孔孔徑為1.3～1.6 cm，射孔呈90°螺旋分布，每3 個(gè)射孔為一簇，簇間距約15～16 cm，孔數(shù)總共68 個(gè)。固井水泥環(huán)厚度分布較均勻，厚度15～18 cm。井下套管射穿率高，在井筒靠近套管一側(cè)約有1 m 長(zhǎng)度上表面可見(jiàn)凹陷且扭曲面明顯，分析為井下地應(yīng)力分布不均或者煤體結(jié)構(gòu)差異較大導(dǎo)致的應(yīng)力擠壓引起[4]。

在貫通巷道的橫貫中，在距井筒1.3～3.0 m 范圍內(nèi)可見(jiàn)一條高度為2.5 m 垂直壓裂裂縫，縫寬0.8～1.2 cm，壓裂砂支撐劑充填密實(shí)，該填砂裂縫從煤層頂板依次穿透半暗煤、夾矸、半亮煤分層，延伸至煤層底部的光澤較亮的糜棱煤中，但是未延伸至底板。該壓裂裂縫上半段較為平直，高度較大約為1.4 m，產(chǎn)狀238°∠58°，在中部的碎粒煤中出現(xiàn)輕微轉(zhuǎn)折，產(chǎn)狀變?yōu)?40°∠60°，該處煤層中發(fā)育大量的近水平天然裂縫，天然裂縫的產(chǎn)狀與垂直壓裂裂縫有較大的差異，可能是導(dǎo)致壓裂裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向的原因。在井筒的同一側(cè)，糜棱煤中中斷的垂直支撐裂縫下方可見(jiàn)一條水平充填壓裂砂的裂縫，該裂縫從井筒向外延伸至2.2 m，裂縫曲折不規(guī)則，迂曲度明顯增加，壓裂砂非平面鋪展，厚度3～7 cm。在靠近煤層底板的糜棱煤中，還發(fā)育一條較短較窄的壓裂裂縫，產(chǎn)狀235°∠55°，從煤層中一直延伸至底板，可見(jiàn)長(zhǎng)度0.7 m。該井筒附近煤層中含水率明顯升高，裂縫中有滲水現(xiàn)象連續(xù)不斷。水力壓裂孔分層結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 井煤層煤巖類型和煤體結(jié)構(gòu)分層示意圖

另外，該井壓裂支撐裂縫既有煤層內(nèi)部的垂直裂縫，也有位于煤層底部構(gòu)造煤分層內(nèi)部的水平堆積裂縫，同時(shí)還有在煤層頂板和煤層之間沿層面裂開的水平裂縫，整體形態(tài)為“工”字形多裂縫。由于煤層下部存在構(gòu)造軟煤層分層，壓裂裂縫首先在該分層內(nèi)部水平擴(kuò)展，但是距離較短，隨后再向上擴(kuò)展為垂直壓裂裂縫，當(dāng)煤層與頂板間層面被打開后，壓裂裂縫又轉(zhuǎn)為較長(zhǎng)的水平裂縫，因此具有水平短裂縫- 倒“T”形裂縫- 非對(duì)稱“工”形裂縫的擴(kuò)展過(guò)程，能夠滿足井下水力壓裂效果。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

壓裂完成后，可以采用交叉鉆孔[5]的方案對(duì)井下煤層的實(shí)際壓力效果進(jìn)行對(duì)比，為了提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，在監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置了10 m×7 m 和10 m×10 m 兩種規(guī)格的網(wǎng)格孔[6]來(lái)對(duì)井下煤層的瓦斯壓力及透氣性系數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，井下監(jiān)測(cè)孔的布置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 井下監(jiān)測(cè)控制布置結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)優(yōu)化前后的瓦斯抽采效果進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化后井下抽采單元內(nèi)瓦斯的平均濃度變化情況如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前后瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖4 可知，井下煤層內(nèi)的平均瓦斯?jié)舛燃s為63.2%，采用水力壓裂抽采后，在10 m×7 m 的抽采單元內(nèi)的平均瓦斯?jié)舛燃s為74.1%，在10 m×10 m 的抽采單元內(nèi)的平均瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）約為77.6%，表明采用水力壓裂后，在抽采單元內(nèi)的瓦斯?jié)舛蕊@著上升，對(duì)提升井下瓦斯抽采效率具有十分重要的意義。

水力壓裂前后瓦斯抽采純流量的變化如圖5所示。

圖5 瓦斯抽采純流量變化曲線

由圖5 可知，原始煤層中的抽采純流量約為0.58 m3/min，采用水力壓裂技術(shù)后，在10 m×7 m 的抽采單元內(nèi)的平均瓦斯純流量約為0.96 m3/min，比優(yōu)化前提升了65.5%。在10 m×10 m 的抽采單元內(nèi)的平均瓦斯純流量約為0.92 m3/min，比優(yōu)化前提升了58.6%，顯著的提升了井下瓦斯的抽采效率。同時(shí)在抽采30 d后對(duì)井下煤層瓦斯含量進(jìn)行測(cè)定，其井下瓦斯含量最高約為2.2 m3/t，遠(yuǎn)小于國(guó)家防突規(guī)定的8 m3/t 為標(biāo)準(zhǔn)，滿足井下綜采作業(yè)安全的需求。

同時(shí)通過(guò)鉆孔徑向不穩(wěn)定流量法[7]對(duì)水力壓裂后的煤層透氣性系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，優(yōu)化后的透氣性系數(shù)約為0.73 m2/（MPa2·d），比優(yōu)化前的0.021 m2/（MPa2·d）提高了34.7 倍。

4 結(jié)論

為了解決煤礦井下高瓦斯、低透氣性煤層在綜采作業(yè)時(shí)所面臨的瓦斯抽采困難的問(wèn)題，提出了一種新的基于水力壓裂技術(shù)，對(duì)水力壓裂技術(shù)方案、水力壓裂孔結(jié)構(gòu)、水力壓裂后的瓦斯抽采效果等進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）為了提高井下水力壓裂的應(yīng)用效果、提高水力壓裂應(yīng)用可靠性，可采用“兩堵一注”的密封鉆孔方案。

2）采用交叉鉆孔的方案能夠?qū)γ旱V井下的瓦斯抽采情況進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。

3）新的控制技術(shù)能夠?qū)⒚簩油笟庑韵禂?shù)提升34.7 倍，將煤層內(nèi)瓦斯的抽采流量提升了58.6%以上，對(duì)提升煤礦瓦斯抽采效率和安全性具有十分重要的意義。