賈同千，饒　孜，何慶兵,，宋潤權(quán)，白　鑫

(1.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030 ； 2.川煤集團(tuán)芙蓉公司白皎煤礦，四川 珙縣 644501)

0　引言

我國大部分高瓦斯突出煤層屬于低透氣性煤層，煤層瓦斯抽采技術(shù)難度大、成本高[1-3]。因此，學(xué)者們提出了水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)，進(jìn)一步提高煤層透氣性，使煤層瓦斯進(jìn)一步解析，減少瓦斯賦存，提高瓦斯抽采量，實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)[4-6]。唐書恒等[7]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了地應(yīng)力對水力壓裂的影響。鄧廣哲等[8]通過對9塊大型煤樣進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)，研究了水壓裂縫發(fā)育過程中的各項(xiàng)參數(shù)，為控制水壓裂縫發(fā)育提高科學(xué)依據(jù)。沈春明等[9]運(yùn)用數(shù)值模擬與相似模型實(shí)驗(yàn)研究了割縫前后煤體的滲透性變化。林柏泉等[10]利用FLAC軟件研究發(fā)現(xiàn)水力割縫可有效消除“瓶塞效應(yīng)”，提高抽采鉆孔的抽采半徑。

白皎煤礦為全國有名的極難抽采煤層高突出危險(xiǎn)礦井，煤層透氣性極低、瓦斯含量高、瓦斯壓力高、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為此，該礦采取多種治理措施取得一定成果，但并未滿足該礦實(shí)際生產(chǎn)需要。特別是在煤巷掘進(jìn)過程中發(fā)生數(shù)次煤與瓦斯突出與瓦斯超限事故，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。

因此，針對這一情況，綜合使用水力壓裂與水力割縫2種技術(shù)，不僅解決了煤巷掘進(jìn)過程中遇到的瓦斯超限和煤與瓦斯突出問題，也為之后的回采工作創(chuàng)造了有力條件。同時(shí)提出了以水力壓裂為主，水力割縫為輔并與瓦斯抽采相結(jié)合的瓦斯治理技術(shù)，為治理低滲高地應(yīng)力煤巷條帶瓦斯提供了一種新的途徑。

1　復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)原理

水力壓裂與水力割縫這2種水力化措施均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)：水力壓裂作用范圍大效果好，但由于煤層地質(zhì)條件的影響水力壓裂裂紋方向不易控制，壓裂影響范圍大并不均勻易存在“盲區(qū)”，適用于區(qū)域化瓦斯增滲；而水力割縫定位精準(zhǔn)能夠?qū)γ簩拥木植窟M(jìn)行快速有效的割縫作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯問題的快速治理，可以作為水力壓裂的有力補(bǔ)充，但是水力割縫的影響范圍較小，適用于局部瓦斯增滲。因此可以綜合運(yùn)用這2種水力化技術(shù)，取長補(bǔ)短，以提高煤層瓦斯問題的綜合治理效果。復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)體系如圖1所示。

圖1　復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)體系流程Fig.1　The complex geology of low permeability coal seam hydraulic fracturing-slotted comprehensive gas permeability increasing technology

根據(jù)水力壓裂與水力割縫的特點(diǎn)，針對復(fù)雜地質(zhì)條件低滲煤層提出復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)。即結(jié)合煤層地質(zhì)資料以及瓦斯賦存資料，對該煤層進(jìn)行區(qū)域瓦斯抽采達(dá)標(biāo)檢驗(yàn)或根據(jù)準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)、回采過程中瓦斯是否超限，確定瓦斯含量未達(dá)標(biāo)區(qū)域。并對該瓦斯含量未達(dá)標(biāo)區(qū)域進(jìn)行穿層水力壓裂作業(yè)，從而迅速提高該區(qū)域煤層的滲透性以及瓦斯抽采的效果。

水力壓裂施工完成后，對抽采孔的抽采效果進(jìn)行考查，確定抽采效果欠佳的區(qū)域作為水力壓裂“盲區(qū)”，掘進(jìn)、回采過程中瓦斯超限也作為“盲區(qū)”，使用水力割縫局部增透強(qiáng)化抽采，從而使煤層局部瓦斯含量迅速降低，達(dá)到相應(yīng)作業(yè)要求。

通過使用復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術(shù)，不僅能使區(qū)域煤層瓦斯問題得到有效治理而且對于煤層內(nèi)部由于地質(zhì)構(gòu)造造成的局部瓦斯問題也有較強(qiáng)的針對性，從而提高復(fù)雜地質(zhì)條件下低滲煤層瓦斯問題的治理水平。

2　試驗(yàn)地點(diǎn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)位于白皎煤礦B4煤層2382工作面，工作面走向長度約392 m，煤層堅(jiān)固性系數(shù)(f)為2～4，煤層走向275°，煤層傾向185°，傾角13～23°，平均傾角16°。其中B4煤層瓦斯含量平均為12.412 43/t，瓦斯含量系數(shù)為7.69 m3/(t·MPa0.5)。

白皎煤礦井田范圍內(nèi)存在白皎背斜、巡場向斜、青山背斜，發(fā)現(xiàn)地面斷層10條，隱伏斷層11條，煤礦生產(chǎn)揭露落差大于2 m的隱伏斷層千余條。煤系地層中眾多的小斷層造成煤層在短距離內(nèi)局部重復(fù)、缺失或增厚、變薄。同時(shí)，煤層埋深大，地應(yīng)力大，煤層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育。復(fù)雜的地質(zhì)條件導(dǎo)致礦井瓦斯超限、煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害異常嚴(yán)重，建礦至今已發(fā)生煤與瓦斯突出231次，年均突出達(dá)5.12次。

3　水力壓裂瓦斯增透技術(shù)應(yīng)用及效果分析

水力壓裂是通過將高壓水注入煤層鉆孔中，當(dāng)高壓水的壓力達(dá)到煤層起裂壓力時(shí)，在鉆孔周圍會產(chǎn)生裂縫。隨著高壓水的不斷注入裂縫不斷發(fā)育擴(kuò)展，最終在煤層中形成完整的裂縫系統(tǒng)，從而提高煤層的滲透性。由于其較好的增透效果，水力壓裂在煤礦中的應(yīng)用日益廣泛。

3.1　水力壓裂鉆孔布置方式

為了考查水力壓裂的區(qū)域性增透效果，在2382工作面的238底板巷布置了3個(gè)壓裂孔，孔間距控制60 m，鉆孔傾角47°，鉆孔穿透兩層煤體，終孔距煤系最上煤層B4頂板0.5 m，壓裂鉆孔施工完成后立即封孔。鉆孔施工布置如圖2所示。

圖2　鉆孔施工布置Fig.2　layout of drill hole construction

3.2　壓裂壓力的確定

地應(yīng)力不僅影響煤層的滲透性而且在水力壓裂過程中還影響著壓裂裂縫的起裂與發(fā)育。為有效計(jì)算水力壓裂參數(shù)，提高水力壓裂效果，在238底板道運(yùn)用套孔應(yīng)力解除法測定地應(yīng)力[11]，確定主應(yīng)力大小和方向(見表1)。

根據(jù)拉應(yīng)力準(zhǔn)則，破裂壓力的確定依據(jù)公式為[7,12-15]：

pf≥3σ3-σ1+T

(1)

式中：σ1，σ3分別為最大、最小水平主應(yīng)力；T為煤體抗拉強(qiáng)度，MPa，取1.6[16]。

表1　地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

注：地應(yīng)力分量以大地坐標(biāo)系為參考，大地坐標(biāo)為Z軸向上，Y軸向北，X軸向東，主應(yīng)力方位由北起順時(shí)針計(jì)算，傾角上傾為正、下傾為負(fù)。

經(jīng)(1)式計(jì)算得此次井下鉆孔水力壓裂破裂壓力為27 MPa?？紤]到煤層裂隙發(fā)育以及煤層含水的影響，實(shí)際破裂壓力會少于此值。

3.3　水力壓裂實(shí)施過程

水力壓裂工作分3次實(shí)施，壓裂順序依次為3#壓裂孔、2#壓裂孔、1#壓裂孔。各壓裂孔壓力數(shù)據(jù)及壓裂時(shí)間[16]如表2所示。

表2　各孔壓裂數(shù)據(jù)

3.4　壓裂效果分析

3.4.1裂縫延伸方向及影響范圍分析

根據(jù)水力壓裂后巷道周邊的出水情況，可以判斷1#壓裂孔的影響范圍為從1#孔向壓裂區(qū)外延伸了80余米，向區(qū)內(nèi)2#孔方向僅有少量延伸；2#鉆孔向3#鉆孔方向延伸已影響至3#孔，即影響范圍達(dá)60 m，但2#孔未和1#孔聯(lián)通。可以看出其壓裂發(fā)育分布不均勻，裂縫主要沿著煤層走向即垂直于最小水平主應(yīng)力的方向上發(fā)育。

水力壓裂后，在壓裂范圍內(nèi)施工穿層抽采鉆孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，所有鉆孔均有水流出，結(jié)合理論計(jì)算的壓裂影響范圍綜合分析可知，1#壓裂孔的影響范圍為以向外延伸為主的不規(guī)則的形狀。2#壓裂孔與3#壓裂孔的影響范圍為1#壓裂孔向內(nèi)20 m開始到3#壓裂孔向里30 m止的區(qū)域。圖3為水力壓裂影響范圍示意圖。

圖3　水力壓裂影響范圍示意Fig.3　Schematic diagram of water drilling in the coal seam after fracturing

由于3#壓裂鉆孔抽采瓦斯流量遠(yuǎn)小于其他2個(gè)壓裂孔，沒有達(dá)到預(yù)期效果，決定對3#壓裂孔進(jìn)行二次壓裂。對3#壓裂孔進(jìn)行二次壓裂時(shí)出現(xiàn)壓力急劇上升至47.6 MPa而無法壓入的異常情況，因此立即停止了壓裂作業(yè)。分析由于該區(qū)域煤層底板為黏土巖，遇水會發(fā)生形變，且壓裂管上的篩眼較小，該鉆孔進(jìn)行第一次壓裂后，回流的煤泥水已將多數(shù)篩眼以及煤體中的裂隙堵塞，從而造成了瓦斯抽采量小且無法壓入的情況。該孔的壓裂情況證明白皎煤礦238底板道區(qū)域的巖性不適合進(jìn)行反復(fù)壓裂。

3.4.2壓裂鉆孔瓦斯抽采效果分析

表3為壓裂鉆孔與238底板道常規(guī)穿層抽采鉆孔瓦斯抽采參數(shù)。1#壓裂孔抽采瓦斯?jié)舛容^238底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯抽采濃度提高2倍，抽采純流量提高12倍。2#壓裂孔抽采瓦斯?jié)舛鹊陀?38底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯抽采濃度，但其日抽采純流量較238底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯日抽采純流量提高2.6倍。結(jié)合壓裂鉆孔施工情況：2#壓裂孔穿煤深度為1.5 m，而1#壓裂孔穿煤深度為6 m。該區(qū)域存在地質(zhì)構(gòu)造煤層賦存變化較大，使水力壓裂裂縫發(fā)育不充分，造成區(qū)域內(nèi)局部瓦斯含量低。3#壓裂孔由于進(jìn)行二次壓裂，抽采瓦斯?jié)舛扰c238底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯抽采濃度持平，抽采純流量低于238底板道常規(guī)穿層鉆孔瓦斯日抽采純流量。

表3　瓦斯抽采參數(shù)

壓裂結(jié)束后，將壓裂孔連入抽采系統(tǒng)并對其抽采情況進(jìn)行監(jiān)測。圖4分別為1#、2#、3#壓裂鉆孔的瓦斯日抽采濃度變化圖和日抽采純量變化圖。

圖4　1～3#孔瓦斯抽采濃度及純量變化曲線Fig.4　Variation curve of gas drainage concentration and purity in 1-3# hole

由圖4可以看出： 1#壓裂孔瓦斯抽采量呈現(xiàn)出穩(wěn)定上升趨勢，瓦斯抽采濃度及流量均較238底板常規(guī)道穿層抽采鉆孔有較大的提高，且瓦斯?jié)舛燃傲髁克p較小，壓裂后瓦斯抽采鉆孔存活時(shí)間較長。由于2#壓裂孔所處區(qū)域存在地質(zhì)構(gòu)造并且煤層賦存變化較大，影響了水力壓裂裂縫發(fā)育，使 2#壓裂孔瓦斯抽采濃度及流量均低于1#壓裂孔。但2者具有類似的特征，即瓦斯抽采濃度及流量穩(wěn)定時(shí)間長，瓦斯抽采衰減慢，瓦斯抽采鉆孔存活時(shí)間長。3#壓裂孔由于二次壓裂，使煤層滲透率降低，造成瓦斯抽采純流量偏低。壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔平均抽采濃度58.6% ，鉆孔平均單孔抽采純量約為34.94 L/min。對比白皎煤礦日均單孔瓦斯抽采濃度計(jì)流量。說明水力壓裂區(qū)域化瓦斯增滲技術(shù)適用于區(qū)域增滲，具有較好的效果。

由3個(gè)壓裂孔的瓦斯抽采參數(shù)和圖2 水力壓裂影響范圍示意圖可以看出：水力壓裂區(qū)域化瓦斯增滲技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下存在壓裂效果不均勻，壓裂裂縫發(fā)育不充分等不足，不能很好的適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件。該礦水力壓裂實(shí)施后2372機(jī)巷掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)迎頭區(qū)域仍發(fā)生了瓦斯超限事故，這是由于壓裂裂縫發(fā)育不均勻，存在“盲區(qū)”。因此在實(shí)施水力壓裂區(qū)域化瓦斯增滲技術(shù)時(shí)需要增加一種局部化處理措施，即對水力壓裂存在的盲區(qū)進(jìn)行增滲，強(qiáng)化抽采。而水力割縫能夠?qū)γ簩拥奶囟ㄎ恢眠M(jìn)行割縫，強(qiáng)化抽采，具有定位精準(zhǔn)的特點(diǎn)，是水力壓裂區(qū)域化瓦斯增滲技術(shù)的有效補(bǔ)充。

4　水力割縫瓦斯增滲技術(shù)應(yīng)用及效果分析

水力割縫是利用高壓水對鉆孔周圍的煤體進(jìn)行切割并將切割的煤屑排出孔外，從而在煤層中形成一個(gè)圓餅形的縫槽，增加煤層的暴露面積，促進(jìn)瓦斯的解析；同時(shí)由于地應(yīng)力的作用，縫槽附近的煤體發(fā)生位移，在煤層中形成新的裂隙，為瓦斯的運(yùn)移提供新的通道。

4.1　水力割縫鉆孔布置方式

水力割縫鉆孔共8組，開孔位置位于237底板道，間隔5 m，每組4個(gè)鉆孔，終孔位于B4煤層2372機(jī)巷掘進(jìn)東磧頭處。每個(gè)鉆孔割縫完工后立即封孔并及時(shí)投抽。水力割縫鉆孔布置如圖5所示。

圖5　水力割縫鉆孔布置Fig.5　Hydraulic slotting borehole layout

4.2　水力割縫效果分析

在實(shí)施水力割縫工作前對割縫孔的瓦斯抽采情況進(jìn)行監(jiān)測，用以確定割縫效果。割縫期間1#、2#孔的抽采濃度及純流量如圖6所示(由于篇幅有限只列舉1#、2#監(jiān)測孔)。

圖6　1#、2#孔瓦斯抽采濃度及純量變化曲線Fig.6　Variation curve of gas drainage concentration and purity in 1#， 2# hole

水力割縫后，割縫孔瓦斯抽采參數(shù)較割縫前均有一定提高，同時(shí)割縫增透區(qū)內(nèi)抽采鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄岣?.9倍，瓦斯純流量平均提高3.3倍；但瓦斯抽采有效期較短約為20 d。

對比表3中的水力壓裂孔抽采參數(shù)可以看出割縫孔的瓦斯抽采流量及濃度較小，這是由于水力割縫半徑僅為0.4 m，割縫影響范圍有限導(dǎo)致游離瓦斯含量低，僅適用于局部增滲。

5　結(jié)論

1) 3個(gè)壓裂鉆孔平均瓦斯抽采純流量較238底板道常規(guī)抽采鉆孔單孔瓦斯抽采純流量提高了15.8倍，瓦斯抽采濃度提高4%，壓裂區(qū)瓦斯抽采純流量較對比區(qū)提高2.1倍；水力割縫增透區(qū)內(nèi)抽采鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄岣?.9倍，瓦斯純流量平均提高3.3倍。

2)水力壓裂具有影響范圍大瓦斯抽采時(shí)間長、抽采量大的特點(diǎn)，適用于區(qū)域瓦斯治理但對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差；而水力割縫的特點(diǎn)是割縫位置精確可控、抽采有效抽采時(shí)間短，對不同地質(zhì)條件均有較好的適應(yīng)性，適合用于對局部瓦斯問題進(jìn)行快速有效治理。

3)復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂-割縫綜合瓦斯增滲技術(shù)，不僅可以用于區(qū)域煤層瓦斯治理，而且對于局部瓦斯問題如：煤巷掘進(jìn)遇到的煤與瓦斯突出、瓦斯超限等也有較好的治理效果，全面提高了復(fù)雜地質(zhì)煤層的瓦斯治理水平，同時(shí)也為之后的回采工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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