馬金飛，范永平

(山西潞安化工集團左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600)

隨著煤礦開采深度的增加、大型機械化生產(chǎn)能力的提升，煤巖地應(yīng)力增高、滲透率降低，瓦斯含量和壓力相應(yīng)升高，高瓦斯和突出煤礦日益增多，瓦斯災(zāi)害日趨嚴重。瓦斯突出嚴重影響和制約了煤礦安全生產(chǎn)[1-4]，治理煤礦瓦斯災(zāi)害仍然是當前我國煤礦安全領(lǐng)域中的重大技術(shù)課題[5-8]。

井下預(yù)抽煤層瓦斯受到諸多局限，煤層透氣性是影響煤層瓦斯預(yù)抽效果的決定性因素。國內(nèi)95%的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的煤層透氣性系數(shù)約為0.04～0.004 m2/(MPa2·d)，遠小于0.1 m2/(MPa2·d)的可抽采要求[9-12]，瓦斯預(yù)抽效果差。同時，傳統(tǒng)的本煤層瓦斯抽采工藝，鉆孔密集，施工強度大，抽采周期長，不利于礦井采掘銜接，技術(shù)工藝有待進一步改進。

國內(nèi)外實踐證明，通過壓裂技術(shù)手段配合抽采方式將煤層中賦存的瓦斯開采出來，不僅可以降低煤層瓦斯含量，預(yù)防瓦斯突出，還可為社會提供豐富的潔凈能源。

自美國KANSAS第一次水壓致裂試驗成功后，歷經(jīng)70余年的發(fā)展，水壓致裂技術(shù)從理論到應(yīng)用都取得了豐碩的成果，成為石油、天然氣、非常規(guī)天然氣等油氣井增滲的有效技術(shù)措施[13-15]。GIDLEY[16]、MURDONCH[17]、鄧廣哲[18]、黃炳香[19]、雷毅[20]等都曾對水壓致裂技術(shù)的發(fā)展進行了總結(jié)與研究。近幾年，水壓致裂治理區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)逐漸在全國的地下煤礦試驗并得到推廣[21-23]。

筆者針對沁水煤田北部五里堠煤礦15號煤層瓦斯含量高、滲透性差、抽采周期長等制約煤礦安全生產(chǎn)的問題，開展了本煤層壓裂抽采技術(shù)研究。

1 礦井概況

五里堠煤礦井田位于山西省左權(quán)縣境內(nèi)、沁水煤田北部,礦井井田面積9.860 2 km2。礦井批準開采3～15號煤層，現(xiàn)開采15號煤層，核定生產(chǎn)能力120萬t/a。

15號煤層采用走向長壁綜采放頂煤工藝，其2101工作面長度約200 m，煤層平均厚度約6.17 m，賦存穩(wěn)定；煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖，煤層傾角為8°～18°。煤層絕對瓦斯涌出量為18.26 m3/min，相對瓦斯涌出量為10.85 m3/t，瓦斯壓力最大為0.46 MPa，屬于高瓦斯礦井。

15號煤層瓦斯抽采屬性介于可以抽采和較難抽采之間，需要采用一定的強化抽采方法才能取得預(yù)期抽采效果?，F(xiàn)有的抽采設(shè)計方案為在15號煤層回采工作面內(nèi)，利用垂直和斜交于工作面進風(fēng)巷向煤層施工的加密交叉鉆孔對工作面煤層進行預(yù)抽。利用鉆孔周圍的應(yīng)力疊加擴大塑性區(qū)的范圍和連通性，增加煤體的裂隙，提高煤體透氣性，預(yù)期達到提高預(yù)抽瓦斯效果的目的。加密交叉鉆孔預(yù)抽回采工作面本煤層瓦斯方法的鉆孔布置如圖1所示。該瓦斯抽采方式鉆孔密度大、數(shù)量多、抽采成本高、施工強度大，短期內(nèi)抽采效果不佳。

圖1 15號煤層工作面加密交叉鉆孔瓦斯抽采方案

針對上述問題，本項目擬采用煤層水壓致裂抽采瓦斯技術(shù)對15號煤層回采工作面瓦斯進行壓裂抽采試驗研究，以期在降低鉆孔施工量的同時提高工作面瓦斯抽采效果，實現(xiàn)工作面的安全高效開采。

2 壓裂鉆孔方案設(shè)計

2.1 地應(yīng)力測試

為設(shè)計水壓致裂方案，針對2101工作面回風(fēng)巷采用空芯包體應(yīng)力解除法進行地應(yīng)力測試。測孔實測的主應(yīng)力分布網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 測孔實測的主應(yīng)力分布網(wǎng)絡(luò)圖

測試結(jié)果表明：彈性模量和泊松比分別為14.28 GPa和0.25；工作面最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其值為18.3 MPa，方向角為N31.65°E；最小主應(yīng)力為水平應(yīng)力，均值為10.2 MPa，方向角為N121.32°E；中間主應(yīng)力為垂直應(yīng)力，均值為11.7 MPa，方向角為N214.95°E。測孔的地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 1號測孔的地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

2.2 壓裂鉆孔布置方案

15號煤層煤體強度較低，經(jīng)順煤層鉆孔采樣進行物理力學(xué)測試，平行層理方位單軸抗壓強度為0.86～1.44 MPa，抗拉強度為0.2～0.5 MPa，視密度為1.41 t/m3，單位質(zhì)量孔隙率為8.44%，孔裂隙發(fā)育但連通性較差，單位質(zhì)量煤體天然含水率約為2.3%。

根據(jù)地應(yīng)力參數(shù)，確定水壓致裂裂紋形態(tài)為沿最大主應(yīng)力方向、垂直于煤層層理面產(chǎn)生垂向斜交水力裂縫，方向角為N31.65°E。

試驗孔裸眼壓裂參數(shù)：回風(fēng)巷巷幫豎直方向約4.0 m高度布孔，孔徑133 mm，順層方向水平鉆進120 m，封孔段15 m，采用清水壓裂液，流量1 000 L/min。試驗孔壓力與壓裂時間曲線如圖3所示。

圖3 試驗孔壓裂壓力與時間曲線

試驗孔起裂壓力為25～29 MPa，單孔注水量約300 t。試驗孔壓裂完成后，在壓裂孔兩側(cè)3、5、8、10、12 m位置分別鉆孔取樣(深100 m)進行含水率測試，每個鉆孔內(nèi)間隔約20 m測定一組試樣含水率(測定結(jié)果見表2)，與原煤含水率(約2.3%)進行對比。

表2 觀測孔含水率測試數(shù)據(jù)

從表2可看出，單孔壓裂影響半徑為5～8 m，考慮到煤體非均質(zhì)及裂隙發(fā)育的復(fù)雜性，局部裂紋可能產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)，為進一步加強壓裂影響效果，達到預(yù)期高效抽采目標，選擇較小的影響范圍，確定壓裂孔間距為5.0 m。壓裂抽采孔采用雙排“三花眼”布置形式，順層布置120 m孔進行壓裂，具體布置參數(shù)見圖4。

圖4 2101工作面順層壓裂鉆孔抽采布置示意圖

3 壓裂試驗效果及分析

為檢驗壓裂后抽采效果，對瓦斯抽采周期進行統(tǒng)計分析，對殘存瓦斯含量進行測試對比。

該礦及周邊礦井原有的15號煤層抽采瓦斯資料顯示：煤層百米鉆孔(單孔)初始瓦斯抽采量平均約為0.055 6 m3/min(約80 m3/d)，其逐月累計抽采瓦斯數(shù)據(jù)見表3。

表3 原設(shè)計抽采鉆孔逐月累計抽采瓦斯數(shù)據(jù)匯總

采用本煤層壓裂抽采工藝后，對1#～7#鉆孔的抽采瓦斯情況進行了追蹤統(tǒng)計，15號煤層試驗段壓裂后百米鉆孔(單孔)初始瓦斯抽采量平均約為0.217 m3/min，各鉆孔逐月累計抽采數(shù)據(jù)匯總見表4。

表4 壓裂抽采鉆孔逐月累計抽采數(shù)據(jù)匯總

從表4中可看出，在抽采3個月后，從第4個月開始累計抽采量急劇下降，抽采量增加不多，到第5個月增加量已經(jīng)不明顯。與表3原設(shè)計方案對比，壓裂后單孔累計抽采量，在第3個月已經(jīng)與原始未壓裂的6個月單孔累計抽采量持平，甚至總量略有提升，抽采效果明顯。為保障抽采效果，壓裂后對煤層的抽采周期應(yīng)維持在至少4個月。

壓裂抽采4個月后，在2#壓裂抽采孔兩側(cè)間隔2.5 m及5.0 m位置布置2個取樣鉆孔(深30 m)，對取樣總長度不小于40 cm的煤樣進行采集，共制取5組樣品，從采樣到裝入煤樣罐密封的時間不超過10 min。依據(jù)GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法(DGC瓦斯含量測定)》，對煤層抽采的殘存瓦斯含量進行測定。壓裂抽采4個月后相對瓦斯含量測試數(shù)據(jù)見表5。

表5 壓裂抽采4個月后相對瓦斯含量數(shù)據(jù)

從表5中可看出，壓裂抽采4個月后抽采瓦斯效果顯著，相對瓦斯含量從10.85 m3/t下降到了2.63 m3/t。

試驗結(jié)果表明，壓裂后抽采周期大約縮短2～3個月，殘存瓦斯含量也相對較低，抽采效果明顯。

4 結(jié)語

1)五里堠煤礦2101工作面最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其值為18.3 MPa，方向角為N31.65°E；中間主應(yīng)力為垂直應(yīng)力。壓裂裂縫形態(tài)以垂直裂縫為主，方向角為N31.65°E。

2)鉆孔起裂壓力為25～29 MPa，壓裂有效影響半徑為5～8 m。與原有抽采孔密度相比，壓裂鉆孔密度為原有的1/2，單位距離內(nèi)鉆孔施工量可縮減一半。

3)與傳統(tǒng)本煤層直接抽采工藝相比，現(xiàn)有壓裂抽采瓦斯工藝可縮短抽采工期近3個月，且瓦斯含量可降低至2.63 m3/t，壓裂抽采效果顯著。

4)新的壓裂抽采工藝不僅大大縮減了鉆孔工程量，且顯著縮短了瓦斯抽采工期，降低了工人的勞動強度，縮短了回采周期，可顯著提高煤礦經(jīng)濟效益。該工藝對掘進工作面的快速掘進施工亦有重要的借鑒意義。