徐濤，馮文軍，蘇現(xiàn)波

(1.重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶400060;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶400037; 3.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454003)

煤礦井下水力壓沖增透強(qiáng)化抽采技術(shù)試驗(yàn)研究*

徐濤1，馮文軍2，蘇現(xiàn)波3

(1.重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶400060;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶400037; 3.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454003)

∶新河煤礦為煤與瓦斯嚴(yán)重突出的基建礦井，煤層透氣性低、瓦斯含量高。采用頂板抽放巷下向穿層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽煤層瓦斯，抽采效率低，條帶消突周期長(zhǎng)。為提高新河煤礦抽采效果，先后嘗試了水力壓裂、水力沖孔增透措施，抽采效率有所改善，但持續(xù)時(shí)間短。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了水力壓沖一體化技術(shù)，以“水力壓裂單元增透，水力沖孔出煤卸壓”為技術(shù)思路，探討了其技術(shù)流程、卸壓增透及多級(jí)裂縫的形成機(jī)理，通過現(xiàn)場(chǎng)水力壓沖增透抽采試驗(yàn)，結(jié)果表明，水力壓裂后進(jìn)行水力沖孔，瓦斯涌出嚴(yán)重，平均單孔涌出瓦斯1 485 m3，是未進(jìn)行水力壓裂的4.9倍，試驗(yàn)后最大日抽采純量1 731 m3/d，平均623 m3/d，是試驗(yàn)前的2.9倍。

∶水力壓沖;增透;多級(jí)裂隙;強(qiáng)化抽采

0 引言

預(yù)抽煤層瓦斯作為瓦斯治理區(qū)域措施，在不具備解放層開采的高瓦斯礦井中得到廣泛應(yīng)用。為提高低透氣煤層抽采效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞低透氣煤層增透、增流展開深入研究，并結(jié)合具體試驗(yàn)條件得到水力壓裂［1-3］、水力沖孔［4］、深孔松動(dòng)爆破［5］、水力割縫［6］等技術(shù)，且不同程度地提高了抽采效果，這些技術(shù)受到各自試驗(yàn)條件限制，未能全面推廣應(yīng)用。為盡快實(shí)現(xiàn)新河礦井首采工作面條帶消突，河南理工大學(xué)與焦煤集團(tuán)合作，展開水力增透強(qiáng)化抽采試驗(yàn)，并探索出適合新河礦煤層特點(diǎn)的“水力壓沖”增透模式，即先進(jìn)行水力壓裂在煤層中產(chǎn)生主裂縫、降低煤體強(qiáng)度，后進(jìn)行水力沖孔出煤卸壓、誘導(dǎo)鉆孔噴孔，對(duì)控制范圍內(nèi)煤層充分?jǐn)_動(dòng)，最終在控制范圍煤層中形成多級(jí)裂隙。實(shí)踐表明，水力壓沖可大幅提高抽采效果，并適合應(yīng)用于軟硬互層的單一低透氣性煤層。

1 工作面情況

新河煤礦12091首采工作面煤層傾角為11.5°～12.5°，走向長(zhǎng)度913 m，傾向長(zhǎng)130 m，平均煤厚6.08 m，埋深510～530 m，屬穩(wěn)定煤層。原始瓦斯含量6.62～27.86 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.002 MD，瓦斯壓力0.78～2.60 MPa，屬煤與瓦斯突出礦井。礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，受底板L8灰?guī)r、L2灰?guī)r、O2m灰?guī)r等強(qiáng)巖溶裂隙巖承壓水威脅，首采工作面通過在頂板巖巷施工下向穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，掩護(hù)工作面煤巷掘進(jìn)。

在距煤層頂板8～12 m層位布置頂板巖巷，每隔20 m布置一個(gè)抽采鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)迎頭布置4排鉆孔，每排4個(gè)，預(yù)抽煤巷上幫30 m范圍煤層瓦斯，左右兩幫布置2排鉆孔，每排6個(gè)鉆孔，預(yù)抽煤巷下幫15 m范圍煤層瓦斯，如圖1所示。

在距煤層頂板0.4～1.2m處有連續(xù)且不穩(wěn)定的軟煤發(fā)育，煤層直接頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，間接頂板為細(xì)、中粒砂巖(大占砂巖)，底板為灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖。抽放鉆孔容易發(fā)生塌孔和鉆孔變形，常規(guī)密集鉆孔抽采效率低。為盡早實(shí)現(xiàn)條帶消突，需要采用強(qiáng)化措施提高煤層透氣性。

圖1 試驗(yàn)鉆場(chǎng)鉆孔布置圖Fig.1 Test borehole pattern

表1 主要巖石力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 M ain performance parameters of rock mechanics MPa

2 水力壓沖增透抽采技術(shù)

2.1 水力壓沖增透機(jī)理

水力壓裂通過以大于濾失速率向煤層中注入高壓水，最終在一定的范圍煤層內(nèi)形成大量裂縫，并溝通煤層原生和次生裂縫，提高煤層透氣性［7］。在煤礦井下，受到設(shè)備排量限制，不能像地面水力壓裂實(shí)現(xiàn)大面積增透。多數(shù)情況下，水力壓裂的結(jié)果往往僅沿著最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生一條主裂縫，在垂直于最大主應(yīng)力方向的煤層通常得不到有效改造。這一點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)得到驗(yàn)證，主要表現(xiàn)為，壓裂鉆孔和最大主應(yīng)力方向附近鉆孔壓裂后抽采量有明顯提高，其余鉆孔抽采量提高幅度不大，甚至較壓裂前減小。

水力沖孔利用高壓水射流的沖擊力，破壞、剝離作用范圍內(nèi)的煤體，在鉆孔周圍形成大的孔洞，孔洞周圍煤體在地應(yīng)力作用下向孔洞移動(dòng)，煤體膨脹變形，煤體得到充分卸壓，煤層透氣性大幅度增高，促進(jìn)瓦斯解吸和排放［8-9］。然而，對(duì)于硬煤或者軟硬互層的煤層，水力沖孔往往不能有效破碎煤層致使增透效果大打折扣。

水力壓沖將兩者結(jié)合起來，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，通過水力壓裂在煤層中形成主裂縫，形成瓦斯運(yùn)移高速通道，形成單元增透，并降低煤體強(qiáng)度。通過水力沖孔出煤卸壓，造成孔洞周圍煤體膨脹變形，增加裂縫數(shù)目;并借助水力沖孔誘導(dǎo)鉆孔噴孔，其周圍裂隙在高壓瓦斯作用下產(chǎn)生以拉伸為主的破壞［10］，同時(shí)形成徑向引張裂隙、周緣引張裂隙、剪切裂隙和轉(zhuǎn)向裂隙。

水力壓沖最終通過“水力壓裂單元增透，水力沖孔出煤卸壓”，在作用范圍內(nèi)形成多級(jí)裂隙體系，使煤層中縫網(wǎng)分布更加均勻，煤層透氣性得到最大程度的提高。

2.2 水力壓沖增透技術(shù)流程

水力壓沖流程如圖2所示。

圖2 水力壓沖實(shí)施工藝圖Fig.2 Hydraulic pressure implementation process

水力壓沖期間注意以下事項(xiàng)。

1)水力壓裂過程中，記錄施工壓力和流量，根據(jù)生成的水力壓裂曲線初步判斷水力壓裂效果;

2)水力壓裂后施工抽采鉆孔、進(jìn)行臨時(shí)封孔，并測(cè)量統(tǒng)計(jì)各鉆孔15～30 d的抽采數(shù)據(jù)，對(duì)抽采效果不理想鉆孔進(jìn)行重點(diǎn)分析;

3)水力沖孔期間記錄沖孔時(shí)間和單孔出煤量，并根據(jù)沖孔期間瓦斯探頭數(shù)據(jù)計(jì)算沖孔期間瓦斯噴出量;

4)水力壓沖完成后進(jìn)行永久封孔，測(cè)量抽采數(shù)據(jù)，結(jié)合水力沖孔出煤量、瓦斯噴出量對(duì)水力壓沖進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，對(duì)于抽采不理想的鉆孔可采取二次沖孔，直至抽采達(dá)標(biāo)。

2.3 安全保障

為保障水力壓沖安全高效實(shí)施，壓沖設(shè)備與施工地點(diǎn)保持不小于200m的安全距離，并有風(fēng)門相隔，通過遠(yuǎn)程操作臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控和操作;壓沖期間，孔口有防護(hù)裝置，以免發(fā)生大規(guī)模的瓦斯噴孔，同時(shí)，作業(yè)地點(diǎn)及上下風(fēng)側(cè)100 m處裝有瓦斯?jié)舛忍筋^，記錄監(jiān)測(cè)作業(yè)期間巷道濃度變化情況，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電閉鎖;作業(yè)期間，嚴(yán)禁人員進(jìn)入作業(yè)地點(diǎn);作業(yè)后，由瓦檢員進(jìn)入測(cè)量瓦斯?jié)舛?，觀測(cè)巷道頂、底、幫的變化情況，并對(duì)異常情況及時(shí)匯報(bào)處理。

3 水力壓沖現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 水力壓裂過程

水力壓裂總注水量70.4 m3，作業(yè)過程中施工壓力19.7～23.2 MPa，最大壓降達(dá)到3.5 MPa，從施工曲線(圖3)中可以看出有明顯的壓降，說明在煤層經(jīng)過壓裂，有裂縫產(chǎn)生并得到延伸。

3.2 水力沖孔過程

在17#鉆場(chǎng)40個(gè)孔內(nèi)選7個(gè)孔進(jìn)行水力沖孔，平均單孔沖出煤量1.31 t.沖孔期間孔內(nèi)瓦斯急劇涌出(圖4(a))平均單孔涌出瓦斯1 485 m3，是未進(jìn)行水力壓裂的4.9倍(表2)。沖孔結(jié)束后，鉆孔附近煤體得到充分卸壓，解吸后的游離瓦斯作用于煤體中的孔隙裂隙，進(jìn)一步破壞煤體，并在瓦斯內(nèi)能的作用下不間斷涌出(圖4(b))。

圖3 17#鉆場(chǎng)水力壓裂施工曲線Fig.3 Operation curve of 17#drilling fracturing

圖4 沖孔作業(yè)期間及結(jié)束后巷道瓦斯探頭檢測(cè)曲線Fig.4 Gas probe test curve during and after the punching operation

表2 水力壓沖與水力沖孔效果比較Tab.2 Com pared of hyd raulic pressure w ith hydraulic punching

3.3 瓦斯抽采效果

17#鉆場(chǎng)共施工瓦斯抽采鉆孔40個(gè)，水力壓裂后開始施工，從抽采數(shù)據(jù)(圖5)中可以得知，抽采初期(2012.10.10—2012.10.24)平均日抽采純量217 m3/d，試驗(yàn)后(2012.11.17—2013.04.02)136 d中，最大日抽采純量1 731 m3/d，平均623 m3/d，是試驗(yàn)前的2.9倍。

圖5 17#鉆場(chǎng)壓沖試驗(yàn)前后瓦斯抽采曲線Fig.5 17#drilling gas extraction curve before and after impact test

4 結(jié)論

1)煤礦井下水力壓裂受設(shè)備排量限制，不能實(shí)現(xiàn)地面水力壓裂大面積增透;水力沖孔對(duì)于硬煤或軟硬互層的煤層增透效果有限;

2)水力壓沖通過水力壓裂形成主裂縫，增加瓦斯解吸面積，降低煤體強(qiáng)度;水力沖孔出煤卸壓，最終在控制范圍煤層中形成多級(jí)裂隙體系，實(shí)現(xiàn)最大程度的煤層增透、增流;

3)水力壓沖通過水力壓裂在煤層產(chǎn)生主裂縫，促進(jìn)瓦斯解吸，再進(jìn)行沖孔過程中瓦斯噴孔劇烈，平均單孔瓦斯涌出量1 485 m3，是僅進(jìn)行水力沖孔的4.9倍。

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Experimental research on enhanced gas extraction application w ith hydraulic fracturing and flushing

XU Tao1，F(xiàn)ENGWen-jun2，SU Xian-bo3

(1.Chongqing Energy Investment Group Science and Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400060，China; 2.Chongqing Research Institute，China Coal Technology＆Engineering Group，Chongqing 400037，China; 3.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China)

∶Xinhemine is a coal and gas outburst constructingmine，characterized as its low permeability and high gas content.When the downward borehole in the roof tunnel is used to extract gas for safety of the later coal tunneling，the extraction efficiency is low and period of eliminating outburst is long.Therefore，in order to improve the extraction effect in Xinhemine，hydraulic fracturing and hydraulic flushing are used to enhance the coal permeability，and then the extraction efficiency was increased，however，the effect can notmaintain for long time.In this paper，the authors presented hydraulic and flushing integration technology based on practice，which relies on the technical ideas of hydraulic fracturing to increase the unit permeability and hydraulic flushing to rush out coal and release the pressure.Besides，the technological processwas discussed，and the formingmechanism of pressure relief，permeability increase and multiple step fracture was clarified.The experiment of hydraulic fracturing and flushing showed that gas gushed seriously during hydraulic flushing and erupted 1 485 m3per borehole，which is4.9 times of before the hydraulic fracturing.Themaximum extraction volume of pure gas is1 731m3/d and the averageis 623 m3/d，which is 2.9 times of before the experiment.

∶hydraulic fracturing and flushing;increasing permeability;multiple step fracture;enhanced extraction

∶TD 712

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0305

∶1672-9315(2015)03-0303-04

∶2015-03-20責(zé)任編輯∶楊忠民

∶教育部高校博士點(diǎn)基金(20134116120006)

∶徐濤(1985-)，男，河南商水人，工程師，E-mail∶xuyoutao1985@163.com