陳二瑞　趙 磊　陳彥平.安徽理工大學 .陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司

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綜合水力壓裂技術在丁集礦的應用分析

陳二瑞1趙 磊2陳彥平1
1.安徽理工大學 2.陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司

【摘 要】水力壓裂技術被廣泛應用于煤層增透及煤巖體結構改造。針對常規(guī)水力壓裂注水壓力大、壓裂操作時間長等問題，提出綜合水力壓裂技術，先對穿層鉆孔的煤層段進行高壓旋轉水射流割縫擴孔，再對擴孔后的鉆孔進行水力壓裂。闡述了水力壓裂的過程及機理，介紹了綜合水力壓裂的工藝流程?，F(xiàn)場應用表明，相對于常規(guī)水力壓裂，綜合水力壓裂能夠縮短壓裂所用時間降低裂隙起裂壓力，對提高瓦斯抽放效果具有一定的促進作用。

【關鍵詞】煤層增透；水力壓裂；水射流割縫；瓦斯抽放

礦井瓦斯是威脅煤礦安全生產及井下工作人員生命安全的主要自然因素之一，高瓦斯礦井及煤與瓦斯突出礦井占國有礦井總量的50%左右[1]。我國高瓦斯突出煤層透氣性低，瓦斯抽采效果差，平均抽采率僅有23%[2]。大量試驗結果表明，煤層透氣性系數(shù)隨著開采深度的增加而減小，這在很大程度上制約著煤層瓦斯的抽采效果[2]。針對此問題，目前主要采取區(qū)域卸壓增透技術來提高煤層透氣性，主要采取水力割縫、水力沖孔、水力壓裂、深孔松動爆破等[3]。水力壓裂增透技術具有操作成本低、現(xiàn)場試用簡單等特點，且卸壓增透效果顯著，能大大提高瓦斯抽采效率[4]。文章闡述了綜合水力壓裂技術，以降低水力壓裂泵注壓力及縮短壓裂時間為出發(fā)點，為煤礦井下水力壓裂的順利進行提供技術支持。

1　綜合水力壓裂基本原理

1.1 水力壓裂基本原理

煤體是一種多孔介質，具有大量的原生裂隙和孔隙，同時由于地質構造等的作用在煤層內部生成了一系列構造裂隙。水力壓裂過程中，鉆孔周圍煤巖體應力降低，煤體原生裂隙弱面在高壓水流的作用下發(fā)生起裂、擴展和延伸[5]。弱面的擴展增加了原生裂隙的空間體積同時由于原生裂隙的延伸增加了裂隙之間的連通，打通了瓦斯的運移通道致使煤層滲透率大大提高[6]。

1.2 高壓旋轉水射流割縫擴孔基本原理

當高壓水射流接觸到煤巖體后，在較短的時間內，由于水射流的傾斜沖擊對煤巖體表面產生拉伸作用，煤巖體表面在拉伸應力的作用下發(fā)生損傷。首先，出現(xiàn)一環(huán)形裂隙帶，該環(huán)形裂隙帶的直徑隨高壓旋轉射流切向速度與軸向速度比值的增大而增大。隨著射流的沖擊，裂隙逐漸積累并匯聚，煤巖快速的在徑向和軸向發(fā)展，且徑向的發(fā)展速度大于軸向[7]。

2　綜合水力壓裂技術工藝

首先在煤巖體中施工一個小直徑鉆孔，以便于

割縫噴頭的推進，然后通過高壓旋轉水射流鉆桿帶動割縫噴頭沿鉆孔軸向方向向前推進。小直徑鉆孔的施工，使其周圍一定范圍內的煤體發(fā)生塑性破壞，增加了煤巖體的裂隙，這為后續(xù)的水力割縫創(chuàng)造了條件。

鉆孔完成后，當周圍的應力超過煤體的彈性極限時，鉆孔周圍就會產生塑性區(qū)，隨著載荷的繼續(xù)增加，塑性區(qū)的大小也隨之增加。

圖1　鉆孔周圍破壞區(qū)示意圖

由于煤巖自重，鉆孔周圍會產生應力集中，如果在應力集中區(qū)域外取出一個矩形區(qū)域，此矩形區(qū)域的邊界上可以設為不受煤巖體內開孔的影響（如圖1所示），其周邊所受的力為煤巖體中的原始應力（初應力），于是鉆孔周圍的變形問題轉化為如圖1中所示的矩形區(qū)域圓孔問題。

為了使問題簡化，當鉆孔不受地質構造等地質災害影響時，假設Px=Py，那么該問題就轉化為等應力的彈塑性問題，根據(jù)彈性力學的相關理論，計算得塑性區(qū)的半徑可表示為：

式中：

λp—塑性摩擦系數(shù)；

εcp—煤巖體的塑性粘性。

可以看出，在埋深及煤巖自身性質等各力學參數(shù)一定的條件下，鉆孔周圍塑性區(qū)的半徑隨著鉆孔半徑的增大而增大。因此，通過高壓旋轉水射流擴大鉆孔直徑，可以擴大鉆孔周圍煤體的卸壓范圍。

3　煤巖體壓裂效果主要影響因素

3.1 地應力

地應力是影響煤礦井下水力壓裂效果的關鍵性因素，制約著裂縫起裂壓力大小、起裂點位置及裂縫擴展形態(tài)。大量試驗結果表明，隨著水平和垂直地應力差值的增加，起裂壓力隨之降低，差值越大，越易產生較為平直的裂縫，差值越小，裂隙通常沿徑向以網狀形式擴展，差值為零時，裂縫擴展趨于復雜化[8]。

3.2 煤巖體力學性質

力學性質主要包括彈性力學特性和破壞特性兩方面。彈性力學特性包括彈性模量、泊松比及密度等，袁志剛等經過大量測試指出：煤巖體的彈性模量較低，泊松比高[9]；破壞特性包括內摩擦角、壓拉比及均質度等，門曉溪等通過數(shù)值模擬指出：模型的層理角度越大，其破壞所需的壓力也越大，煤巖體強度越低，所受層理面的影響越小[10]。

3.3 天然裂隙

宋晨鵬等經過模擬發(fā)現(xiàn)：擴展裂隙與天然裂隙相遇后會出現(xiàn)兩種情況，一種是擴展裂縫直接穿過天然裂縫沿最大水平主應力方向繼續(xù)擴展，一種是擴展裂隙與天然裂隙延伸方向一致，但最后仍然后沿最大水平主應力方向擴展[11]。

4　工程實例

試驗選在11-2煤層，該煤層瓦斯壓力為1.06MPa （-880m標高），瓦斯含量為3.63~7.13m3/t，瓦斯流量衰減系數(shù)為0.4061d-1，透氣性系數(shù)為0.0071~0.0075 m2/（MPa2·d），抽采難易程度為較難抽采。試驗共在西11-2運輸大巷施工鉆孔102個，其中綜合水力壓裂鉆孔20個，其余的為效果考察孔，考察鉆孔同時兼做水力壓裂控制鉆孔，每一個水力割縫及壓裂鉆孔和4~6個效果考察鉆孔作為一組進行試驗，通過比較試驗前后瓦斯抽采量及抽采濃度的大小來衡量試驗效果。試驗以第19組鉆孔為例，第19組鉆孔包括水力割縫及壓裂鉆孔S19及四個考察鉆孔K1、K2、K3和K4。各考察鉆孔與試驗鉆孔見煤點距離均按13m施工，如圖2。

圖2　鉆孔布置示意圖

首先依次施工各考察鉆孔K1、K2、K3、K4，待考察鉆孔施工完成下入Φ50mm的封孔鋼管并用水泥砂漿封孔。然開始施工綜合試驗鉆孔S19，S19的前15m孔徑為Φ133mm，后部的孔徑為Φ113mm，且鉆孔完成后前15m下入Φ108mm的無縫鋼管，在鋼管與鉆孔之間注入水泥砂漿用以固定無縫鋼管。一切準備就緒后，開始進行綜合水力壓裂并接入瓦斯抽采系統(tǒng)進行效果考察。

5　試驗效果分析

S19組鉆孔包括效果考察孔K1、K2、K3、K4。于12 月12日對鉆孔S19進行了水力割縫試驗，試驗水壓10MPa，持續(xù)時間40min，割出煤量約0.4t。12月16日進行了水力壓裂試驗，壓力達到18MPa，持續(xù)時間約為5min，K2孔內有水流出，顏色為黑色并帶有少量煤屑，持續(xù)壓裂約10min，未見水量增加。將水壓調至20MPa以后，K2孔內出水量明顯增加，K3孔內有水流出，呈黑色帶有煤屑，壓裂半徑為13m。試驗鉆孔S19在16天的考察期內瓦斯?jié)舛仁冀K維持在10%以上，最高濃度為56.3%，最大單日抽采純瓦斯量為119.02m3，16天內抽采總瓦斯量為1039m3。試驗鉆孔S19在16天內抽采瓦斯量為其他鉆孔單孔抽采量最大值的2.15倍，平均值的3.28倍。S19鉆孔瓦斯抽采濃度及瓦斯抽采量情況，如圖3。

圖3　抽采效果圖

6　結束語

（1）經過試驗前后對比分析可得，綜合水力壓裂壓裂時間明顯減少，壓裂半徑也明顯增大，較單純的水力壓裂平均提高近1.31倍；

（2）高壓旋轉水射流割縫過程中割出大量的煤，平均出煤量在0.91t，其中S19鉆孔在割縫期間共出煤2504噸；

（3）綜合水力壓裂，在水力割縫期間，不僅擴大了鉆孔直徑，增加了煤層的暴露面積，同時還改變了煤層的應力狀態(tài)，為降低煤與瓦斯突出危險性提供了一定的保障。

參考文獻

[1] 張國樞.通風安全學[M].江蘇:中國礦業(yè)大學出版社,2007

[2] 孫炳興,王兆豐,伍厚榮.水力壓裂增透技術在瓦斯抽采中的應用[J].煤炭科學技術,2010,38(11):78-80

[3] 林柏泉,孟杰,寧俊,等.含瓦斯煤體水力壓裂動態(tài)變化特征研究[J].采礦與安全工程學報,2012,29(1):107-110

[4] 史小衛(wèi),林萌,王思鵬.低滲煤層井下水力壓裂增透技術應用研究[J].中國煤炭,2011,37(4):7-9

[5] 郭啟文,韓煒,張文勇,等.煤礦井下水力壓裂增透抽采機理及應用研究[J].煤炭科學技術,2011,39(12):60-64

[6] 覃道雄,朱紅清,張民波,等.煤層水力壓裂技術研究與應用[J].煤炭科學技術,2013,41(5):79-85

[7] 于洪,陸庭侃.高壓水射流割縫提高瓦斯抽放效率的研究[J].煤炭科學技術,2009,37(4):44-46

[8] 林英松,周雪,韓帥.煤層氣壓裂裂隙起裂擴展規(guī)律研究[J].煤炭技術,2014,33(4):115-117

[9] 袁志剛.煤巖體水力壓裂裂縫擴展及對瓦斯運移影響研究[D].重慶:重慶大學,2014

[10] 門曉溪,唐春安,馬天輝.水力致裂作用下巖體參數(shù)對裂紋擴展影響的數(shù)值模擬[J].東北大學學報,2013,34(5):701-703

[11] 宋晨鵬,盧玉義,夏彬偉,等.天然裂縫對煤層水力壓裂裂縫擴展的影響[J].東北大學學報,2014,35(5):756-760