郝 殿,李學臣,張清田

(焦作煤業(yè)集團有限責任公司 科學技術研究所,河南 焦作 454002)

中馬村礦主采煤層為山西組二1煤,煤層瓦斯含量高、壓力大,煤層透氣性差,抽采衰減速度快,瓦斯治理難度大。為深入研究有效的低透氣性煤層增透技術及工藝,中馬村礦根據(jù)煤層條件,實施了虛擬儲層壓裂增透工藝,但壓裂后煤層瓦斯賦存有何變化,增透效果如何,能否為優(yōu)化鉆孔布置、縮短抽采達標時間提供依據(jù),需開展相關研究。

1 虛擬儲層水力壓裂增透機理

水力壓裂的對象必須是彈性體,只有彈性體在高壓水的作用下才可能發(fā)生破裂,形成裂縫,實現(xiàn)增透;而軟煤作為塑性體,本身是不可壓裂的,煤體結構為軟煤時,水力壓裂裂縫即是達到煤層,但軟煤力學殘余強度低,水力壓裂只能形成擠脹或穿刺,無法形成有效的裂隙增透,且瓦斯流態(tài)仍是兩級擴散方式,速度緩慢。但水力壓裂把煤層和圍巖抽采層統(tǒng)一作為改造對象,采用水力壓裂在圍巖抽采層內形成多級和多類型的復雜裂隙網(wǎng)絡,促使裂隙增容,提高圍巖抽采層的整體滲透率,實現(xiàn)單一低滲煤層瓦斯高效抽采。因為瓦斯不是從真正的煤儲層中抽出的,所以把強化了的頂?shù)装鍑鷰r層段稱為“虛擬儲層”。但隨后考慮到該層不是一個虛擬的東西,而是一個實實在在的產層,所以更加直接地采用被人們熟知的“圍巖”一詞來表征[1-3]。

2 27021工作面水力壓裂基本情況

2.1 水力壓裂基本情況

27021工作面走向長約694 m,傾斜寬約93 m,面積約64 542 m2,煤層厚度變化較大,一般為0.1 m～7.2 m,平均3.1 m,虛擬儲層水力壓裂試驗區(qū)位于軌道巷頂部27021工作面區(qū)域內,如圖1所示。使用千米鉆機施工多分支鉆孔對27021回風巷條帶區(qū)域內瓦斯進行抽采。該鉆孔主孔深411 m,分支孔累計施工783 m,共施工分支孔11 個,鉆孔見煤長度累計110 m。

2.2 水力壓裂區(qū)域CYT探測分析

為了檢測27021多分支鉆孔水力壓裂效果,在本次壓裂前后,采用大地電位場巖性探測法(CYT)進行了測試,CYT以天然交變電磁場為場源,根據(jù)交變電磁場在地層中傳播時的趨膚作用,利用不同周期的電磁波具有不同的穿透能力的特性,在地面采集數(shù)據(jù),然后經過一定的計算繪制出反映電性垂向變化的曲線,根據(jù)曲線的變化來推測地下巖層及其屬性變化狀況。在本次壓裂后測試的108個點中,有85個點存在異常反應,占測試點數(shù)的78.7%。根據(jù)測試數(shù)據(jù)勾繪的異常范圍平面圖,較好地反應出壓裂出現(xiàn)的異常范圍分布形態(tài),在某種程度上能夠反應出壓裂的影響范圍，具體見圖1。

圖1 煤層異常范圍示意圖Fig.1 Anomaly range of coal seam

27021工作面回風巷經抽采達標評判后,于2014年10月開始掘進,掘進期間采用“三參數(shù)”指標法對掘進工作面進行區(qū)域驗證。27021工作面回風巷總長1 075 m,回風巷長904 m,外圍巷道長171 m,于2015年10月掘進到位。為考察水力壓裂對采掘作業(yè)的影響,統(tǒng)計了27021工作面回風巷掘進期間的區(qū)域驗證指標、瓦斯涌出量數(shù)據(jù),繪制對比分析見圖2—圖5。

圖2 27021回風巷CYT探測異常范圍圖Fig.2 Anomaly range detected with CYT in No.27021 return airway

3 水力壓裂影響區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律

3.1 回風巷掘進期間區(qū)域驗證及瓦斯涌出規(guī)律

從圖3可以看出,27021回風巷掘進期間,區(qū)域驗證指標整體比較均衡,但是也出現(xiàn)了幾處偏小的地段。對比圖4、圖5,這幾處偏小的地段煤層厚度較小或沖煤量較大,煤層透氣性增大,殘余瓦斯含量低,是區(qū)域驗證參數(shù)偏小的主要原因。同時,27021回風巷掘進期間,瓦斯涌出量有逐漸變小的趨勢,主要原因是該巷道瓦斯抽采時間從西至東依次增加,殘余瓦斯含量逐漸減少。

圖3 27021回風巷區(qū)域驗證指標參數(shù)及瓦斯涌出量折線圖Fig.3 Line chart of parameters of regional verification index and gas emission in No. 27021 return airway

圖5 27021工作面回風巷煤層賦存情況剖面圖Fig.5 Profile of coal seam occurrence in No.27021 return airway

3.2 27021回風巷探測異常區(qū)與井下驗證結果綜合分析

根據(jù)圖2所示,將27021回風巷劃分為壓裂影響區(qū)及壓裂非影響區(qū),將兩個區(qū)域驗證參數(shù)及瓦斯涌出量情況進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 27021回風巷區(qū)域驗證及瓦斯涌出量統(tǒng)計表Table 1 Regional verification index parameters and gas emission of No. 27021 return airway

如表1 所示,從解析強度Δh2、鉆孔瓦斯涌出量q、風排瓦斯涌出量三個指標來看,壓裂影響區(qū)均小于壓裂非影響區(qū),主要是壓裂影響區(qū)煤層透氣性增加,提高了抽采效果,殘余瓦斯含量較低,所以27021回風巷在掘進過程中驗證指標和瓦斯涌出量均有所較低。

3.3 27021工作面回采期間區(qū)域驗證指標及瓦斯涌出規(guī)律

對27021工作面回采期間區(qū)域驗證指標等相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后,繪制參數(shù)對比分析圖見圖6和圖7所示。因主要考察煤層瓦斯賦存規(guī)律,因此選取煤層異常區(qū)和工作面驗證指標色階圖進行融合對比。

從圖6和圖7可以看出,區(qū)域驗證指標色彩圖(q、Δh2)呈現(xiàn)比較明顯的中間顏色深,兩邊顏色淺,東邊顏色較深,西邊顏色較淺,工作面回采期間瓦斯涌出量也是逐漸降低的,以上情況主要有以下幾方面原因:①沿工作面傾向,回風巷、運輸巷掘進后,工作面兩側煤體應力降低,煤層透氣性增大,瓦斯抽采效果較好,殘余瓦斯含量低。沿工作面走向,工作面自右向左抽放時間依次增加,故殘余瓦斯含量自右向左也是依次降低的。②二1煤層兩層煤厚度自右向左都有逐漸減小的趨勢,也是造成區(qū)域驗證指標及瓦斯涌出量逐漸減小的原因。

圖6 27021工作面區(qū)域驗證指標色彩圖(q)Fig.6 Color map of regional verification index in No.27021 working face (q)

圖7 27021工作面區(qū)域驗證指標色彩圖(Δh2)Fig.7 Color map of regional verification index in No.27021 working face (Δh2)

3.4 27021工作面探測異常區(qū)與井下驗證結果綜合分析

仔細觀察可以發(fā)現(xiàn),驗證指標較大的區(qū)域大多處于異常范圍的邊緣地帶,主要原因是水力壓裂后煤體應力由壓裂區(qū)向外運移,在壓裂影響范圍的邊緣形成應力集中帶,從而造成回采過程中這些區(qū)域驗證指標較其它區(qū)域偏大。

為定量分析,將驗證指標邊緣區(qū)域的驗證指標和其它地區(qū)驗證指標進行綜合對比,如表2所示。

表2 壓裂范圍邊緣區(qū)及其它地區(qū)驗證指標對比表Table 2 Verification index comparison of marginal area of fracturing and other areas

從解析強度Δh2、鉆孔瓦斯涌出量q兩個指標可以看出, 壓裂范圍邊緣區(qū)均明顯大于其它地區(qū),因此,在其它工作面采取水力壓裂時,應根據(jù)探測出的壓裂影響范圍,將邊緣地帶作為重點區(qū)域,通過加密抽采鉆孔,延遲抽采時間等加強措施實現(xiàn)工作面均勻消突。

4 結論

通過CYT技術探測出虛擬儲層水力壓裂影響范圍,將27021回風巷及工作面瓦斯相關參數(shù)進行統(tǒng)計,總結得出壓裂影響范圍內瓦斯賦存規(guī)律及增透效果。

1)煤層厚度、沖煤量大小、抽采時間是影響區(qū)域驗證參數(shù)及瓦斯涌出量的幾個重要因素,在煤層厚度較小或沖煤量較大、抽采時間較長的區(qū)域,區(qū)域驗證參數(shù)及瓦斯涌出量往往較其它地區(qū)偏小。

2)水力壓裂能夠有效提高煤層透氣性,縮短抽采達標時間,27021回風巷在掘進過程中壓裂影響區(qū)域驗證指標和瓦斯涌出量較壓裂非影響區(qū)均有所降低。

3)水力壓裂能夠造成煤體內應力重新分布,水力壓裂后煤體應力由壓裂區(qū)向外運移,在壓裂影響范圍的邊緣形成應力集中帶,從而造成回采過程中這些區(qū)域驗證指標較其它區(qū)域偏大。

4)采取水力壓裂增透技術時,應根據(jù)探測出的壓裂影響范圍,將邊緣地帶作為重點區(qū)域,通過加密抽采鉆孔、延遲抽采時間等加強措施實現(xiàn)工作面均勻消突。

參考文獻：

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