田忠友

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京市海淀區(qū)，100083）

告成礦“三軟”煤層壓裂增透技術(shù)研究

田忠友

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京市海淀區(qū)，100083）

針對(duì)告成礦“三軟”煤層瓦斯抽采遇到的難題，對(duì)水力壓裂增透技術(shù)機(jī)理進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水力壓裂前的瓦斯抽采量4.6%，日平均抽采瓦斯量0.970m3；水力壓裂后的瓦斯抽采濃度達(dá)到22.1%，日平均抽采瓦斯量10.437m3，效果明顯。

瓦斯抽采 三軟煤層 水力壓裂增透 點(diǎn)源模型

1 水力壓裂試驗(yàn)區(qū)域簡(jiǎn)介

告成礦水力壓裂試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在21采區(qū)的21031工作面，它的設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1409m，傾斜寬147m，面積209941m2。煤層傾角7～10°，平均傾角9°，煤層平均厚度4.9m，該工作面開采二1煤層，東北部與－110運(yùn)輸大巷和－100回風(fēng)大巷相鄰，南接21采區(qū)3條集中下山，東為已回采的21021工作面，西為正在回采的21041工作面。

21采區(qū)屬于典型的“三軟”煤層，全層發(fā)育為IV類構(gòu)造軟煤，堅(jiān)固性系數(shù)0.3，煤層瓦斯含量10.5m3／t，瓦斯壓力0.42MPa。該巷掘進(jìn)期間，瓦斯噴孔、夾鉆現(xiàn)象較嚴(yán)重。從煤體結(jié)構(gòu)參數(shù)、瓦斯賦存情況及動(dòng)力現(xiàn)象來看，該采區(qū)煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性很大。目前，主要采取穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、淺孔排放瓦斯等綜合防突措施，采用q、s復(fù)合指標(biāo)法進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和效果檢驗(yàn)。

2 水力壓裂增透機(jī)理

水力壓裂增透技術(shù)是將高壓液注入煤（巖）體中，使煤（巖）中的固有裂隙擴(kuò)展并與壓裂后的裂縫、裂隙溝通，從而提高煤層的透氣性，增加瓦斯的可抽采性。

注入壓裂液使孔壁發(fā)生開裂的瞬時(shí)壓力稱為初始破裂壓力。掌握破裂壓力對(duì)分析研究煤層的壓裂規(guī)律和選擇確定壓裂施工設(shè)備是十分重要的。

水力壓裂部位可視作無限大球體中的一個(gè)中心點(diǎn)源，見圖1，它屬于空間問題球坐標(biāo)形式。

圖1 點(diǎn)源模型示意圖

該模型適于水平與垂直應(yīng)力差別不大的厚煤層，在三維地應(yīng)力相差不大的情況下，有：

式中：σR——地層中一點(diǎn)相對(duì)球中心的徑向主應(yīng)力，MPa；

σvT、σHT——地層中一點(diǎn)相對(duì)球中心的兩個(gè)相互正交的切向應(yīng)力，MPa；

a、b——分別為中空?qǐng)A球的內(nèi)、外半徑，m；

R——該點(diǎn)距球心的空間距離，m；

P1——孔內(nèi)水壓力，MPa；

P2——地應(yīng)力，MPa。

根據(jù)固體力學(xué)材料強(qiáng)度理論，可對(duì)材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是否發(fā)生破壞進(jìn)行判別的理論有6種，即最大主應(yīng)力理論、最大主應(yīng)變理論、最大剪應(yīng)力理論、總應(yīng)變能理論、畸變應(yīng)變能理論和莫爾應(yīng)力圓理論。

由于煤巖脆性較大，一般情況下用最大主應(yīng)力理論作為煤層初始破裂壓力Pco的計(jì)算依據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)可得煤的單軸抗拉強(qiáng)度σbt，可得破裂壓力：

3 水力壓裂增透方案設(shè)計(jì)

3.1 水力壓裂方案選擇

為全面掌握水力壓裂技術(shù)在告成礦煤田地質(zhì)條件下的適應(yīng)性，理應(yīng)選擇穿層鉆孔和順層鉆孔兩種方式分別進(jìn)行試驗(yàn)。但是，由于順層鉆孔對(duì)工作面的日常生產(chǎn)與管理工作影響較大，故本次試驗(yàn)主要針對(duì)穿層鉆孔，具體壓裂試驗(yàn)地點(diǎn)為21031抽放巷（北段）1＃鉆場(chǎng)。

3.2 水力壓裂方案設(shè)計(jì)

21采區(qū)壓裂孔的布置如圖2所示，壓裂孔孔徑94mm，孔長(zhǎng)34.5m，封孔深度25m，垂直巷幫以＋12°角度施工。壓裂孔均采用內(nèi)徑25mm封孔管，用水泥砂漿封孔。

圖2 21031抽放巷（北段）1＃鉆場(chǎng)壓裂孔布置圖

3.3 水力壓裂技術(shù)要求

（1）注水壓力：注水壓力是試驗(yàn)的重要參數(shù)。若注水壓力過低，不能壓裂煤體，煤層結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯變化，相當(dāng)于低壓注水濕潤(rùn)措施，短時(shí)間內(nèi)注水起不到卸壓防突的作用；若注水壓力過高，導(dǎo)致煤體在地應(yīng)力和水壓綜合作用下迅速變形，可能誘發(fā)事故。因此，合理的注水壓力應(yīng)該能夠快速、有效破裂松動(dòng)煤體，進(jìn)而排放煤體瓦斯，達(dá)到消除煤與瓦斯突出的目的。

（2）壓裂時(shí)間：壓裂時(shí)間與注水壓力、注水量等參數(shù)密切相關(guān)。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，高壓水在已溝通的裂隙間流動(dòng)，注水壓力隨注水流量的變化而波動(dòng)，當(dāng)注水泵壓降達(dá)峰值的30%左右時(shí)，可以作為注水結(jié)束時(shí)間。

（3）壓裂層段：煤層作為壓裂目的層宜有適當(dāng)?shù)耐咚购亢秃穸?，一般瓦斯含量?m3／t以上，厚度1.5m以上。煤層壓裂層段及其上下圍巖賦存完好，無斷裂構(gòu)造，以保證壓裂時(shí)不發(fā)生串槽、卸壓事故。

4 水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

各項(xiàng)參數(shù)選擇完畢后，開始實(shí)施水力壓裂試驗(yàn)。21031抽放巷（北段）穿層鉆孔壓裂試驗(yàn)于2010年10月12日實(shí)施，最高壓力21.09MPa，用時(shí)160min，注水量64.9m3。試驗(yàn)過程中壓力和累計(jì)流量變化曲線如圖3所示。

壓裂結(jié)束后，頂板產(chǎn)生1cm左右的裂縫，并有脫皮；觀察孔有大量出水；一聯(lián)巷向南20m處瓦斯抽采孔出水；一聯(lián)巷向南抽放巷頂板12m處頂板有輕微脫皮、40m往里頂板有明顯淋水。

圖3 21031抽放巷（北段）穿層鉆孔壓力和累計(jì)流量曲線圖

5 水力壓裂增透效果考察分析

在21031抽放巷（北段）壓裂鉆孔的左右兩側(cè)各施工了一個(gè)考察孔，用于效果考察，鉆孔參數(shù)如表1所示，鉆孔布置同壓裂孔，參見圖2。

現(xiàn)場(chǎng)考察分兩個(gè)階段，壓裂前從2010年10月1日到10月11日，壓裂后從2010年10月14日到2010年11月13日，瓦斯平均抽采濃度由壓裂前的4.6%到壓裂后的22.1%，提高了380%；日平均抽采瓦斯量由壓裂前的0.970m3到壓裂后的10.437m3，提高了9.76倍。21031抽放巷的瓦斯抽采效果在水力壓裂后有明顯改善。

表1 21031抽放巷（北段）考察孔參數(shù)表

6 結(jié)論及展望

采取水力壓裂技術(shù)措施后，瓦斯抽采量大幅度上升，煤（巖）壁出水，這些現(xiàn)象表明，壓裂效果良好。

水力壓裂后，瓦斯抽采濃度由4.6%上升至22.1%，雖然提高了3.8倍，但是，瓦斯抽采的濃度還不是很高，這是由于鉆孔的封孔質(zhì)量較差的緣故。因此，提高瓦斯抽放鉆孔封孔質(zhì)量是瓦斯抽采的重要問題，亟待進(jìn)一步研究。

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Research on hydraulic fracturing increased permeability technology for soft coal seam with soft roof and floor in Gaocheng coal mine

Tian Zhongyou

（China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China）

Aimed at the difficulties of gas drainage in soft coal seam with soft roof and floor in Gaocheng coal mine，the mechanism of hydraulic fracturing increased permeability was further studied and the site application was carried out.The results showed that the drained gas amount was enhanced from 4.6%to 22.1%and the average gas amount per day was increased from 0.970m3to 10.437m3after using the technology of hydraulic fracturing increased permeability，suggesting agood gas drainage effect.

gas drainage，soft coal seam with soft roof and floor，hydraulic fracturing increased permeability，point－source model

TD712.6

A

田忠友（1961－），男，黑龍江五常人，在讀博士生，教授，現(xiàn)在華北科技學(xué)院從事教學(xué)與科研工作。

（責(zé)任編輯 梁子榮）