董國(guó)福 翟 軍 鄒立雙 尹曉雷

(1.重慶能源集團(tuán)松藻煤電有限責(zé)任公司同華煤礦，重慶 401442;2.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232000)

0 引言

同華煤礦井田屬上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，含煤11層，開(kāi)采 K1、K3b煤層，煤層傾角 23°～27°，埋藏深度343 m～428 m;K1煤層厚度0.55 m～1.2 m，平均厚度0.7 m，屬一般性突出煤層，作為下保護(hù)層首先開(kāi)采，煤層原始瓦斯含量16.5814 m3/t、瓦斯壓力1～3 MPa、煤層透氣性系數(shù)D=0.08～0.15 m2/MPa2.d、普氏硬度系數(shù)f=0.5～2;煤層為強(qiáng)突出煤層，作為被保護(hù)層開(kāi)采。

隨著礦井向深部水平延伸開(kāi)采，煤層埋藏深度加深，礦山壓力、地應(yīng)力、瓦斯壓力越來(lái)越大，瓦斯含量逐漸增加，發(fā)生煤與瓦斯突出事故機(jī)率與強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，瓦斯治理難度越來(lái)越難。瓦斯抽采嚴(yán)重制約K1煤層石門揭煤及其工作面掘進(jìn)，從而造成“三超前”部署脫節(jié)。為此，在2011年引進(jìn)了高壓水力壓裂增透技術(shù)，對(duì)K1煤層掘進(jìn)條帶進(jìn)行高壓水力壓裂增透試驗(yàn)，取得一定成效，并在2012年全面推廣該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于K1煤層石門揭煤及掘進(jìn)條帶，大大縮短K1煤層石門揭煤及巷道掘進(jìn)時(shí)間，瓦斯抽采量及掘進(jìn)單進(jìn)均大幅度增加，杜絕了瓦斯事故發(fā)生，確保礦井安全生產(chǎn)。

1 壓裂增透原理及系統(tǒng)組成

1.1 壓裂增透原理［1］

井下水力定向壓裂增透技術(shù)基本原理是借助高壓水流對(duì)煤層滲透作用，通過(guò)氣、固、液多相多場(chǎng)耦合，使弱面發(fā)生張開(kāi)、擴(kuò)展和延伸形成裂隙。一方面原生孔裂隙的張開(kāi)和擴(kuò)展，增加了煤體孔隙率;另一方面原生孔裂隙的延伸增加了裂隙之間的連通。從而形成相互交織的多裂隙連通網(wǎng)絡(luò)，增加了瓦斯的運(yùn)移通道，正是由于這種裂隙連通網(wǎng)絡(luò)的形成，致使煤層滲透率大大提高，煤體實(shí)現(xiàn)整體均勻卸壓，吸附瓦斯快速解析，從而增加瓦斯抽采量。

1.2 壓裂系統(tǒng)組成［2］

水力壓裂系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、壓裂系統(tǒng)三部分組成，其中壓裂系統(tǒng)由注水泵、水箱、遠(yuǎn)方控制箱、監(jiān)控系統(tǒng)、鉆孔孔內(nèi)壓裂管、高壓連接膠管及相關(guān)裝置連接接頭等組成，核心設(shè)備選用南京六合煤機(jī)廠生產(chǎn)的BZW56/200型高壓煤層注水泵提供系統(tǒng)壓力，如圖1、圖2所示。

2 壓裂增透關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高壓水力壓裂鉆孔布置

壓裂鉆孔布置在K1煤層底板茅口巷灰?guī)r淺鉆場(chǎng)，巖柱10m以上，壓裂半徑≤100m，控制預(yù)處理整個(gè)區(qū)域。如圖3所示。

2.2 高壓水力壓裂孔封孔

2.2.1 封孔器具及材料［3］

鉆孔內(nèi)壓裂管采用重慶邁爾公司生產(chǎn)的無(wú)縫高壓鋼管?？椎锥藶?根2 m長(zhǎng)、內(nèi)徑25 mm、外徑42 mm、螺紋連接且分布直徑為12 mm篩孔的篩管;篩管下方通過(guò)螺紋連接直管，連接直管長(zhǎng)度為1.6 m/根，壁厚為8.5 mm，連接直管通過(guò)一根變徑管連接1.6 m×25 mm×13 mm孔口連接管，孔口連接管下端安裝有孔口連接底座。底座一端連接孔口連接管，一端帶一個(gè)內(nèi)徑25 mm的快速接頭?？卓谶B接座上的快速接頭連接高壓鋼編管即可，為確保封孔過(guò)程中鋼管不從孔內(nèi)向下滑，還需在孔口最后一根鋼管外露段加工支撐塊?？變?nèi)連接管如圖4所示，封孔示意如圖5所示。

孔內(nèi)密封材料為水泥漿，水泥漿按照水泥:白水泥:膨脹劑:水=56∶16∶7∶30的比例進(jìn)行配置，并需迅速攪拌均勻，嚴(yán)禁將大顆粒送入封孔泵內(nèi)。

圖1 壓裂系統(tǒng)示意圖

圖2 BZW56/200型高壓煤層注水泵現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

圖3 壓裂鉆孔剖面圖

圖4 孔內(nèi)壓裂管總成

圖5 壓裂鉆孔封孔示意圖

2.2.2 封孔工藝［4］

壓裂鉆孔施工成功后，用Φ91 mm鉆頭擴(kuò)孔至K1煤層底板，并用常壓水清洗鉆孔。

壓裂管采用鉆機(jī)送入，直接送入壓裂鉆孔孔底，壓裂管孔內(nèi)連接順序?yàn)椋?］:篩管→連接直管→變徑管→孔口連接管。篩管下部50～100 mm段使用紗布將篩孔蒙住，以防止水泥砂漿進(jìn)入壓裂管造成堵塞。篩管與第一根連接管連接處，使用12#鐵絲將棉紗纏繞于鋼管上，棉紗纏繞長(zhǎng)度為20 cm左右，棉紗纏繞厚度以纏繞后該部分剛好能通過(guò)Φ91 mm鉆孔為宜，且保證在將壓裂管送入孔底過(guò)程中棉紗不下滑。此處棉紗起到封堵水泥砂漿及過(guò)濾水的作用。

注漿管采用φ16 mm膠管，篩管以下2 m與孔內(nèi)直管一同捆扎同時(shí)送入鉆孔內(nèi)。將壓裂管及注漿管都送達(dá)指定位置后，再將他們一齊后退2 m，然后將最后一根壓裂連接直管與注漿管使用棉紗纏繞在一起，然后使用馬麗散澆灌在棉紗上，馬麗散必須混合均勻，且充分澆灌于棉紗上。澆灌馬麗散后再迅速將壓裂管送入孔底。待馬麗散完全凝固后，方可進(jìn)行注漿。注漿管口與截止閥連接，截止閥與注漿泵注漿管連接;注漿時(shí)開(kāi)啟球閥，注漿結(jié)束后及時(shí)關(guān)閉截止閥。

圖6 BFK－15/2.4型高壓封孔泵

采用BFK－15/2.4型高壓封孔泵(圖6所示)進(jìn)行注漿，水泥漿配比需嚴(yán)格按上文要求執(zhí)行，一次注漿待壓裂管內(nèi)流出水后即停止，關(guān)閉注漿管上截止閥，斷開(kāi)注漿管與封孔泵的連接，再打開(kāi)截止閥，將注漿管內(nèi)水泥漿放完。養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后，再使用此注漿管進(jìn)行二次注漿。二次注漿待壓裂管內(nèi)流出水后即停止，關(guān)閉截止閥、斷開(kāi)注漿管與封孔泵的連接，養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后方可進(jìn)行壓裂。

3 壓裂增透應(yīng)用

從2011年起水力壓力增透技術(shù)分別應(yīng)用于K1煤層石門揭煤及掘進(jìn)條帶。2124－3工作面切割進(jìn)行2個(gè)鉆孔壓裂(如圖7所示)、－60 m階段抬高八石門揭K1煤層進(jìn)行1個(gè)鉆孔壓裂(如圖8所示)、3111－1－2運(yùn)輸巷掘進(jìn)條帶進(jìn)行3個(gè)鉆孔壓裂(如圖9所示)。壓裂情況如表1所示。

圖7 2124－3工作面切割壓裂鉆孔布置圖

圖8 －60m階段抬高八石門揭K1煤層壓裂鉆孔布置圖

圖9 3111－1－2運(yùn)巷掘進(jìn)條帶壓裂鉆孔布置圖

表1 壓裂應(yīng)用實(shí)施情況表

壓裂后立即施工區(qū)域措施穿層預(yù)抽鉆孔。施工情況見(jiàn)表2。

表2 預(yù)抽鉆孔實(shí)施情況表

4 應(yīng)用效果

4.1 增透效果

前期采用水力割縫進(jìn)行煤層增透，K1煤層石門揭煤及掘進(jìn)條帶穿層高壓水力壓裂與同等條件水力割縫相比，增透效果十分明顯。如表3所示。

由圖10可知:(1)石門揭煤日抽采量壓裂比割縫增加134.53%;(2)工作面切割掘進(jìn)條帶日抽采量壓裂比割縫增加124.52%;(3)運(yùn)巷掘進(jìn)條帶日抽采量壓裂比割縫增加10.58倍。

從表3可知:(1)單孔流量:石門揭煤壓裂是割縫的5.59倍;切割掘進(jìn)條帶壓裂是割縫的5.46倍;運(yùn)巷掘進(jìn)條帶壓裂是割縫的3.23倍。(2)打防突預(yù)測(cè)孔:石門揭煤壓裂后掘進(jìn)K1值無(wú)超標(biāo)、無(wú)噴孔現(xiàn)象，而割縫后掘進(jìn)K1值超標(biāo)3個(gè)、噴孔1個(gè);工作面切割壓裂后掘進(jìn)K1值無(wú)超標(biāo)、無(wú)噴孔現(xiàn)象，而割縫后掘進(jìn)K1值超標(biāo)7個(gè)、噴孔2個(gè);運(yùn)巷掘進(jìn)條帶壓裂后掘進(jìn)K1值超標(biāo)4個(gè)、無(wú)噴孔現(xiàn)象，而割縫后掘進(jìn)K1值超標(biāo)20個(gè)、噴孔5個(gè)。(3)掘進(jìn)瓦斯:石門揭煤壓裂后掘進(jìn)最高瓦斯?jié)舛?.25%、無(wú)瓦斯超限，而割縫后掘進(jìn)最高瓦斯?jié)舛?.24%、瓦斯超限3次;工作面切割壓裂后掘進(jìn)最高瓦斯?jié)舛?.38%、無(wú)瓦斯超限，而割縫后掘進(jìn)最高瓦斯?jié)舛?.53%、瓦斯超限4次;運(yùn)巷掘進(jìn)條帶壓裂后掘進(jìn)最高瓦斯?jié)舛?.52%、無(wú)瓦斯超限，而割縫后掘進(jìn)最高瓦斯?jié)舛?.58%、瓦斯超限12次。(4)巷道掘進(jìn):壓裂比割縫提前13天揭開(kāi)K1煤層石門;壓裂比割縫提前20天貫通94 m工作面切割巷;壓裂比割縫提前223天貫通430 m運(yùn)巷防突掘進(jìn)工作面。

4.2 生產(chǎn)效率分析

通過(guò)對(duì)K1煤層進(jìn)行穿層水力壓裂大范圍增加煤層透氣性，石門揭煤、巷道掘進(jìn)區(qū)域控制范圍內(nèi)單孔預(yù)抽濃度及流量均大幅度提高，從而達(dá)到日抽采量及日掘進(jìn)單進(jìn)增產(chǎn)的目的，為礦井“三超前”掘進(jìn)、抽采及回采贏得時(shí)間和空間，并杜絕掘進(jìn)過(guò)程瓦斯超限及突出事故發(fā)生。其增產(chǎn)如圖11所示。

表3 預(yù)抽效果對(duì)比表

圖10 日抽采量增加示意圖

圖11 日掘進(jìn)單進(jìn)增加示意圖

從圖11可知:(1)石門揭煤日掘進(jìn)單進(jìn)壓裂比割縫增加108.33%;(2)工作面切割掘進(jìn)條帶日掘進(jìn)單進(jìn)壓裂比割縫增加80%;(3)運(yùn)巷掘進(jìn)條帶日掘進(jìn)單進(jìn)壓裂比割縫增加93.70%。

5 結(jié)論

1)利用水力壓裂技術(shù)能夠提高水力壓裂影響范圍內(nèi)煤層的透氣性，瓦斯的流動(dòng)性顯著增強(qiáng)。

2)水力壓裂的效果與水力壓裂的壓力，封孔材料，鉆孔布置密切相關(guān)，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究，提高水力壓裂的效果。

3)實(shí)施水力壓裂后，大幅度提高了瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采流量，使掘進(jìn)面瓦斯抽放率提高了120%，從而達(dá)到抽采量和掘進(jìn)單進(jìn)增產(chǎn)的目的，為“三超前”部署贏得時(shí)間和空間，確保了礦井安全生產(chǎn)。

［1］ 林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

［2］ 胡殿明，林柏泉.煤層瓦斯賦存規(guī)律及防治技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006

［3］ 余長(zhǎng)林.提高低透氣性煤層鉆孔抽放瓦斯的途徑［J］.煤礦安全，1999，(5):35－36

［4］ 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009

［5］ 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.調(diào)查研究第15期期刊:運(yùn)用定向壓裂增透新技術(shù)破解煤礦瓦斯抽采和防突問(wèn)題［M］.北京:2009