于 紅 王曉麗 張瑞林

(1. 河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南省鄭州市，451191；2.河南省工業(yè)和信息化高級(jí)技工學(xué)校，河南省新鄭市，451199)

★ 煤礦安全 ★

松軟煤層頂板水力壓裂技術(shù)研究

于 紅1王曉麗2張瑞林1

(1. 河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南省鄭州市，451191；2.河南省工業(yè)和信息化高級(jí)技工學(xué)校，河南省新鄭市，451199)

針對(duì)松軟煤層水力壓裂鉆孔易出現(xiàn)塌孔、抽采效率低等問題，提出頂板水力壓裂技術(shù)，在新安煤礦14170工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并對(duì)壓裂效果進(jìn)行考察分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，頂板水力壓裂措施未造成巷道變形，對(duì)巷道維護(hù)沒有產(chǎn)生負(fù)面影響；壓裂鉆孔接抽瓦斯后，瓦斯?jié)舛缺３衷?0%以上，單孔抽采純量高達(dá)31500 m3；采用頂板壓裂措施后，工作面防突預(yù)測(cè)指標(biāo)均有下降趨勢(shì)。

松軟煤層 水力壓裂 抽采量 高壓水 封孔

據(jù)統(tǒng)計(jì)2016年全國(guó)共發(fā)生煤礦事故249起、死亡人數(shù)538人，其中瓦斯事故13起、死亡170人，事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別約占總事故的5%和32%，可見瓦斯事故災(zāi)害嚴(yán)重，且重大事故多發(fā)，瓦斯治理依然是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。

多年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者的理論研究與實(shí)踐表明，煤層強(qiáng)力卸壓增透、強(qiáng)化瓦斯抽采可以有效釋放煤層地應(yīng)力，增大煤層透氣性和瓦斯抽采量，是煤層瓦斯治理的有效措施。近年來，隨著瓦斯治理工作的深入開展，煤礦井下水力壓裂技術(shù)在我國(guó)高瓦斯突出礦井進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，并取得較好的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)顯示，我國(guó)煤礦所采用的水力壓裂鉆孔主要為本煤層鉆孔和底板巖巷穿層鉆孔，壓裂的主體主要為煤層，對(duì)于煤質(zhì)較為堅(jiān)硬，即破壞不嚴(yán)重的煤層，一般均能取得較好的增透效果，無論瓦斯抽采量還是鉆孔高效利用時(shí)間都有數(shù)倍甚至幾十倍的提高和增加，但對(duì)于煤質(zhì)較為松軟，即所謂的松軟煤層，鉆孔瓦斯流量的增加以及抽采鉆孔高效利用時(shí)間均沒達(dá)到理想狀態(tài)，松軟煤層水力壓裂技術(shù)所引起的塌孔、流量低等問題在高成本的實(shí)施工藝面前舉步維艱。因此，水力壓裂技術(shù)在松軟煤層礦井的應(yīng)用需要從工藝、措施上進(jìn)行改進(jìn)與革新。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)介紹

1.1 礦井概況

洛陽新安煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井投產(chǎn)以來有統(tǒng)計(jì)瓦斯突出已達(dá)10多次，瓦斯突出威脅一直是影響礦井安全生產(chǎn)的主要因素。礦井開采二疊系山西組二1煤層，煤層厚度0～18.88 m，平均厚度4.22 m。煤層瓦斯含量為7～20 m3/t，煤層瓦斯壓力0.26～1.0 MPa，礦井生產(chǎn)期間瓦斯涌出量大且不均衡。二1煤層煤巖成分多以亮煤為主，暗煤次之，其中夾微量絲炭和少許鏡煤條帶。平均容重1.39 t/m3，比重為1.5 t/m3，孔隙度為7%～12%。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度極低，多呈參差狀斷口，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組織疏松，粉狀，易污手。原煤機(jī)械性能測(cè)定結(jié)果顯示，靜止角27°，摩擦角35.7°，散煤容重0.954 t/m3；原煤灰分平均產(chǎn)率為20.01%，屬中灰煤；水分為0.58%，可燃體揮發(fā)分為15.52%，爆炸指數(shù)為15.53%～16.82%，具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性。根據(jù)2004年7月煤炭科學(xué)研究總院重慶分院對(duì)新安礦進(jìn)行的煤炭自燃傾向性鑒定結(jié)果，屬不易自燃煤，自然發(fā)火期為6個(gè)月。局部見有少量硫化物，呈結(jié)核狀及浸染狀分布，煤層下部煤質(zhì)一般較劣。

二1煤層頂板由偽頂、直接頂、老頂組成，其中，偽頂為0～1.5 m厚的炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，隨采隨落；直接頂為2.5 m厚的砂質(zhì)泥巖、泥巖，該巖層裂隙發(fā)育，底部含黃鐵礦，具有滑面；老頂由粉砂巖、中砂巖組成，厚度為19.5 m。厚層狀層理，裂隙發(fā)育，局部中夾二2煤。

1.2 瓦斯抽采現(xiàn)狀

目前新安煤礦主要采用底板巖巷穿層鉆孔和順層鉆孔抽采煤層瓦斯，但由于煤層較松軟、透氣性差、煤層厚度變化較大等原因，造成瓦斯抽采濃度低、流量小、效率差，分析其主要原因有以下幾個(gè)方面。

(1)煤層透氣性差。采用徑向流量法測(cè)定礦井二1煤層透氣性系數(shù)為0.0277～0.1313 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0542～0.0577 d-1，屬于較難抽采煤層。煤層透氣性差直接關(guān)系到鉆孔抽采半徑大小，透氣性越差，鉆孔抽采氣體來源越少，抽采流量小。

(2)煤體松軟破碎。采用落錘法測(cè)定礦井二1煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.17～0.22，極為松軟，打鉆難度較大，經(jīng)常出現(xiàn)壓死鉆桿和掉鉆桿現(xiàn)象，鉆桿和鉆頭消耗量較大，且鉆進(jìn)深度很難滿足要求。同時(shí)，由于煤體松軟破碎造成已經(jīng)打成的抽采鉆孔塌孔嚴(yán)重，有效抽采鉆孔深度比較小，從而使鉆孔抽采瓦斯量和瓦斯?jié)舛缺容^低，而且在抽采后很短時(shí)間內(nèi)急劇衰減。因此，瓦斯抽采效果很差。

(3)煤層賦存不穩(wěn)定。二1煤層厚度為0～18.88 m，煤層底板起伏較大，經(jīng)常出現(xiàn)沿煤層走向局部區(qū)域煤層厚度突然增厚或變薄的現(xiàn)象。新安煤礦一般采用回采工作面煤巷沿頂掘進(jìn)的方式推進(jìn)，在煤層厚度增大(遠(yuǎn)大于煤巷高度)的區(qū)域，布置順層條帶預(yù)抽鉆孔或順層抽采鉆孔的有效抽采范圍難以覆蓋整個(gè)煤層，容易形成抽采空白帶，留下瓦斯突出的隱患。

對(duì)于新安煤礦這種煤質(zhì)較為松軟、透氣差的煤層，采用一般的水力壓裂方法，即高壓水作用于煤層時(shí)，常出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，且新形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)會(huì)很快重新壓實(shí)，鉆孔抽采效率較低，抽采量較小，因此，在新安煤礦設(shè)計(jì)采用煤層頂板壓裂技術(shù)，即壓裂鉆孔施工于煤層頂板，高壓水作用于煤層頂板，使高壓水形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)與煤層溝通，利用這些裂隙網(wǎng)絡(luò)可較長(zhǎng)時(shí)間保留的特點(diǎn)對(duì)煤層進(jìn)行高效抽采。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

煤層水力壓裂理論的核心就是通過鉆孔向煤巖體壓入流體，當(dāng)液體壓入的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煤巖體的自然吸水能力時(shí)，由于流動(dòng)阻力的增加，進(jìn)入煤巖體的液體壓力就會(huì)逐漸上升，當(dāng)液體壓力超過煤巖體的擠聚力時(shí)，煤巖體就會(huì)發(fā)生破壞和開裂，從而形成加速液體或氣體滲流的裂隙網(wǎng)絡(luò)通道，即煤巖體滲透性就會(huì)大大增加，從而達(dá)到提高瓦斯抽采效果的目的。

煤層頂板水力壓裂治理瓦斯技術(shù)的關(guān)鍵和核心是通過對(duì)煤層上覆頂板的致裂，起到對(duì)煤巖體的卸壓和增透，進(jìn)而打破煤層原始應(yīng)力和瓦斯賦存狀態(tài)，為瓦斯解吸-擴(kuò)散-滲流創(chuàng)造良好條件，這種壓裂方式也被有關(guān)專家稱為虛擬儲(chǔ)層壓裂。頂板壓裂增透示意圖見圖1。

澳大利亞、加拿大等國(guó)在礦山治理和礦業(yè)綠色實(shí)踐上有不少創(chuàng)新。澳大利亞實(shí)施生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和生物多樣性保護(hù)戰(zhàn)略，制定了礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展框架[10]，并建立“礦山關(guān)閉基金”，要求礦山企業(yè)邊開采、邊恢復(fù)。同時(shí)還要求礦山企業(yè)繳納土地復(fù)墾抵押金和年度環(huán)境報(bào)告，建立了監(jiān)察員巡檢制度 [11]。

這種方法在新安煤礦14170工作面回風(fēng)巷進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)頂板水力壓裂鉆孔布置在第四高位鉆場(chǎng)內(nèi)，鉆孔設(shè)計(jì)開口位置位于偽頂內(nèi)，距直接頂1.5～2.0 m處。壓裂鉆場(chǎng)內(nèi)共施工2個(gè)鉆孔，分別是壓裂鉆孔和導(dǎo)向孔。壓裂鉆孔深90 m，垂直巷道+3°向下巷鉆進(jìn)；導(dǎo)向孔孔深90 m，位于壓裂鉆孔右側(cè)1.0 m同等高度處呈45°偏角開孔，壓裂鉆孔及導(dǎo)向鉆孔終孔進(jìn)入直接頂12 m。14170工作面回風(fēng)巷壓裂鉆孔圖見圖2。

圖1 煤層頂板壓裂卸壓增透示意圖

圖2 14170工作面回風(fēng)巷壓裂鉆孔圖

2.2 壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

頂板壓裂工藝中水泵施工壓力較為重要，主要取決于巖石埋深、楊氏模量、巖石泊松比、巖石硬度、孔隙度、含水飽和度、滲透率等參數(shù)。對(duì)新安煤礦頂板巖石特性進(jìn)行全面測(cè)試以便獲得準(zhǔn)確壓裂壓力。

泵注施工壓力Pw為：

Pw=Pk-Ph+Pr+Pf

(1)

式中：Pw——施工泵壓，MPa；

Pk——地層破裂壓力，MPa；

Ph——壓裂管路液柱壓力，MPa；

Pr——壓裂液沿程摩阻，MPa；

Pf——壓裂液在高壓尾管處孔眼摩阻，MPa。

2.3 封孔方式

封孔對(duì)于水力壓裂措施至關(guān)重要，若封孔不嚴(yán)一方面會(huì)造成注水時(shí)大量壓力水涌入鉆場(chǎng)，使得鉆場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，對(duì)巷道支護(hù)也有較大負(fù)面影響；另一方面造成整個(gè)壓裂過程中注水壓力無法達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，不能達(dá)到應(yīng)有的壓裂效果，使得整套工藝失敗，而且破壞最佳布孔位置，造成不可彌補(bǔ)的巨大經(jīng)濟(jì)、技術(shù)損失。因此，封孔質(zhì)量是水力壓裂措施成功的基本保障，要求封孔深度在應(yīng)力集中帶以內(nèi)，裂隙方向和地應(yīng)力場(chǎng)方向與鉆孔方向不匹配時(shí)可適當(dāng)加長(zhǎng)封孔深度，封孔段應(yīng)能抵抗高強(qiáng)度水壓。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用“兩堵一注”方法進(jìn)行封孔。

(1)壓裂鉆孔封孔段兩端封堵。采用特種膨脹水泥漿封孔，具體封孔工藝如圖3所示，封孔深度為40 m。

圖3 注漿封孔工藝示意圖

封孔段內(nèi)端(A端)采用化學(xué)漿與棉紗雙重封孔方法，在壓裂注水管上焊接兩個(gè)?85 mm圓形堵頭，堵頭呈圓弧形，兩堵頭間距0.5 m，其間采用高分子有機(jī)漿液(聚氨酯或馬麗散)充填。其方法是將兩根細(xì)長(zhǎng)塑料袋分別灌滿A、B液，兩頭扎緊，螺旋式纏繞于注水管兩個(gè)圓形堵頭之間。當(dāng)注水管被送至預(yù)定封孔深度時(shí)，通過預(yù)先置入的控制裝置同時(shí)扯爛兩根塑料袋，使兩種有機(jī)漿液混合反應(yīng)膨脹封堵鉆孔。采用棉紗在有機(jī)漿液封孔段前捆扎以輔助堵嚴(yán)封孔，起到雙重堵漿的作用。

封孔段外端(C端)采用有機(jī)漿液封孔的方法，其工藝與A端封孔工藝相同，堵頭開一個(gè)槽，以利于安放封孔注漿管。

(2)注漿封孔管安裝。如圖3中B段所示，在注水管每隔10 m焊接一個(gè)?85 mm圓形支撐片，起到支撐注水管離開孔壁的作用，支撐片上對(duì)稱開3個(gè)槽，以利于安放封孔注漿管和漿液流動(dòng)。將封孔注漿管安放在支撐片凹槽內(nèi)，用鐵絲與注水管捆扎牢固，隨注水管一起伸入孔內(nèi)距封孔段內(nèi)端10 m。

封孔注漿管采用6分鋼管，每根鋼管長(zhǎng)3 m，兩頭套絲，采用管箍連接；距孔口10 m的注漿管加工有鉆孔，一周3個(gè)孔，不在同一圓周上，孔間距0.2 m，孔徑8 mm?？卓谧{管管長(zhǎng)2 m，注漿管口焊接?16 mm的快速接頭。

2.4 壓裂主要設(shè)備

煤礦水力壓裂治理瓦斯措施是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，既涉及到基礎(chǔ)理論的研究，又涉及到成套技術(shù)和裝備的研發(fā)和有機(jī)配合。井下壓裂相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和裝備的有效研發(fā)是煤礦水力壓裂技術(shù)成功應(yīng)用的保證。水力壓裂裝備主要包括壓裂泵、高壓管路、鉆孔內(nèi)部管路、封孔裝置、混液箱、操作指揮艙等，附屬設(shè)備包括水閥、壓力表、流量表、電控柜等。井下壓裂裝備連接系統(tǒng)如圖4所示。壓裂泵組是煤礦水力壓裂實(shí)施主要?jiǎng)恿υ?，是壓裂?shí)施的基礎(chǔ)。

圖4 井下鉆孔水力壓裂裝備系統(tǒng)示意圖

此次試驗(yàn)采用的壓裂專用泵組型號(hào)為YL400/315，形式為防爆電機(jī)+三缸臥式單作用柱塞泵，可進(jìn)行單機(jī)和多機(jī)聯(lián)合施工作業(yè)，能夠在-30℃～40℃溫度下保證8 h連續(xù)正常工作。最高工作壓力達(dá)到52 MPa，最大工作排量達(dá)到1.128 m3/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 巷道變形及頂板淋水情況考察

頂板水力壓裂試驗(yàn)是通過水力作用在頂板與煤層之間產(chǎn)生裂隙，通過外力作用改變煤層頂板應(yīng)力分布和裂隙發(fā)育狀況，該做法是否對(duì)巷道支護(hù)、巷道維護(hù)造成負(fù)面影響一直是學(xué)者們關(guān)心的問題。因此，有必要對(duì)試驗(yàn)前后巷道變形量及出水點(diǎn)進(jìn)行考察。設(shè)計(jì)在壓裂鉆場(chǎng)前后100 m每隔10 m布置一組測(cè)點(diǎn)(每組兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，左幫和右?guī)透饕粋€(gè))。壓裂前后，對(duì)比20組巷道變形量測(cè)定，結(jié)果表明巷道無明顯變形，表明頂板水力壓裂措施對(duì)巷道支護(hù)、維護(hù)等方面基本沒有負(fù)面影響。

3.2 壓裂后鉆孔瓦斯流量觀測(cè)

通過頂板水力壓裂技術(shù)提高系統(tǒng)抽采量是措施的根本目的。因此，壓裂完成后，先使用煤氣水分離器將鉆孔內(nèi)的高壓煤水排干凈，再連接瓦斯抽采管路進(jìn)行抽采。為了考察壓裂鉆孔試驗(yàn)效果，對(duì)壓裂鉆孔和導(dǎo)向孔進(jìn)行連續(xù)瓦斯抽采數(shù)據(jù)觀測(cè)，壓裂孔瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采總流量情況如圖5和圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓裂后的兩個(gè)月內(nèi)，壓裂鉆孔純瓦斯抽采量平均在600～800 m3/d，最高值近1200 m3/d；單孔累計(jì)抽采純瓦斯量達(dá)31500 m3，最高抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)80%；在經(jīng)歷了兩個(gè)月的抽采后，抽采瓦斯?jié)舛热员３衷?0%以上。導(dǎo)向孔累計(jì)抽采純瓦斯量達(dá)到4000 m3以上。試驗(yàn)取得較好的效果，說明頂板水力壓裂技術(shù)適合煤層松軟礦井。

圖5 壓裂孔瓦斯抽采濃度

圖6 壓裂孔瓦斯單天抽采總流量

3.3 壓裂前后效檢指標(biāo)對(duì)比分析

為了全面考察頂板壓裂鉆孔對(duì)本煤層開采影響，考察了14170工作面回采期間的部分突出預(yù)測(cè)參數(shù)和壓裂過程中巷道瓦斯涌出情況，詳見表1。

表1 壓裂前后效檢指標(biāo)對(duì)比表

由表1可以看出，壓裂后的效檢指標(biāo)整體小于壓裂前的數(shù)值，即該措施有效降低了煤層的突出危險(xiǎn)性。

為了保證頂板壓裂措施安全進(jìn)行，在壓裂鉆場(chǎng)下風(fēng)向側(cè)安裝瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)器，對(duì)壓裂過程中巷道瓦斯涌出進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。

4 結(jié)論

(1)頂板水力壓裂措施可用于煤層松軟、透氣性較差的煤礦，可避免水力壓裂孔布置在煤層中時(shí)，常出現(xiàn)的鉆孔塌陷、有效抽采時(shí)間較短等問題。

(2)頂板水力壓裂措施可增加抽采鉆孔與煤層之間的裂隙網(wǎng)絡(luò)，提高抽采鉆孔使用時(shí)間和抽采量，大大提高水力壓裂鉆孔利用率。

(3)但頂板水力壓裂措施依然存在不完善之處，例如在頂板裂隙較發(fā)育區(qū)域會(huì)出現(xiàn)致裂裂隙方向不可控現(xiàn)象，導(dǎo)致抽采孔與煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)不發(fā)育，抽采效果較差，可見水力壓裂措施定向致裂技術(shù)將會(huì)是頂板水力壓裂措施的一個(gè)發(fā)展方向。

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Studyonhydraulicfracturingtechniquesofsoftcoalseamroof

Yu Hong1, Wang Xiaoli2, Zhang Ruilin1

(1. School of Safety Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou, Henan 451191, China; 2.Senior Technical School of Industry and Information Technology of Henan Province, Xinzheng, Henan 451199, China)

Aiming at the problems of borehole collapsing and low-rate gas drainage of hydraulic fracturing in soft coal seam, techniques for roof hydraulic fracturing were proposed and the field test was carried out at 14170 work face in Xin'an Mine. The experimental results showed that: the fracturing of roof had not resulted in roadway deformation and not made negative effect on roadway maintenance. After gas drainage by fracturing drilling, the gas concentration of borehole remained above 40%, the highest gas drainage of single borehole was up to 31500 m3. After the fracturing measure for roof, the prediction indexes of gas outburst prevention had a tendency to decrease.

soft coal seam, hydraulic fracturing, gas drainage quantity, high pressure water, borehole sealing

國(guó)家自然科學(xué)基金(51474094)，河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102310322)，微生物治理瓦斯技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室開放基金(2016A04)

于紅，王曉麗，張瑞林.松軟煤層頂板水力壓裂技術(shù)研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(12)：134-141.

Yu Hong, Wang Xiaoli, Zhang Ruilin. Study on hydraulic fracturing techniques of soft coal seam roof [J]. China Coal, 2017，43(12):134-141.

TD713.34

A

于紅(1985-)，河南濟(jì)源人，講師，博士，主要從事瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治科研和教學(xué)工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)