王惠風(fēng)，陳殿賦

(中國神華神東煤炭集團(tuán) 保德煤礦，山西 保德 036600)

近年來隨著開采深度的逐步增加，我國現(xiàn)有的礦井多數(shù)進(jìn)入了深部開采階段，煤層埋深的增加使礦井的地應(yīng)力增大、煤層的透氣性系數(shù)變差、瓦斯含量增大[1]。我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層具有低壓、低滲、低飽和度等特征，透氣性系數(shù)只有10-3～10-4mD，瓦斯抽采難度極大，想要達(dá)到理想的瓦斯抽采效果可以對煤層采取造穴增透、聯(lián)管抽放，實(shí)施水力壓裂、新型封孔技術(shù)和抽采方式等聯(lián)合布置是易行高效的方法之一[2-13]。

神東保德煤礦屬高瓦斯礦井，隨著開采強(qiáng)度和開采深度的增加，瓦斯超限問題日益突出。8號煤層屬于高瓦斯低透氣性煤層，瓦斯抽采困難，瓦斯的治理工作為亟待解決的難題。根據(jù)81504綜放面煤層特征，結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計了水力壓裂增透試驗方案、“兩堵一注”新型帶壓封孔技術(shù)及聯(lián)管抽放工藝，并進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗，對試驗效果進(jìn)行了考察研究及分析。目前，煤礦井下水力壓裂技術(shù)日趨成熟，實(shí)踐證明多個高突礦井或高瓦斯礦井都已實(shí)施過此技術(shù)，達(dá)到了高突區(qū)域消突或高瓦斯面向低瓦斯面轉(zhuǎn)變的目的。同時，應(yīng)用水力壓裂技術(shù)具有增加煤儲層透氣性系數(shù)、平衡應(yīng)力場及壓力場、抑制瓦斯涌出、降低鉆孔衰減系數(shù)和降塵降溫等作用。

1 試驗區(qū)概況

保德煤礦礦井絕對瓦斯涌出量為95.25m3/min，相對瓦斯涌出量為10.19m3/t。目前開采的8號煤屬于II類自燃煤層，自然發(fā)火期為4～6個月，火焰長度300mm；煤塵具有爆炸危險，爆炸指數(shù)為35.33%。81504工作面位于礦井五盤區(qū)，北為實(shí)煤體，南鄰五盤區(qū)集中輔運(yùn)大巷，以東為81503采空區(qū)，以西為81505備用工作面。工作面長240m，推進(jìn)長度2391m，煤層厚度6.6～8.2m，平均厚度7.4m，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，含夾矸4～5層，煤層傾角3°～9°，平均4°左右，煤層走向近南北。基本頂為中粗粒砂巖，平均厚度27.9m；直接頂為泥巖，平均厚度8.46m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.5m。煤質(zhì)為中-富灰、特低硫、低-中磷高灰熔點(diǎn)的氣煤，煤的堅固性系數(shù)f=0.72，瓦斯含量3.92～4.83m3/t，平均4.38m3/t，瓦斯放散初速度為14.1；工作面沿煤層傾斜布置走向推進(jìn)，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，通風(fēng)方式采用三進(jìn)二回的“U”型通風(fēng)，設(shè)計風(fēng)量為2500m3/min。

2 水力壓裂試驗技術(shù)參數(shù)

水力壓裂選點(diǎn)在81504一號回風(fēng)巷10聯(lián)巷、15聯(lián)巷及20聯(lián)巷，依次布置3個壓裂孔，編號分別為1號、2號、3號孔，間距分別為285m，290m。每個壓裂孔周圍布置3個檢驗孔，編號分別為1號-1，1號-2，1號-3，2號-1，2號-2，2號-3，3號-1，3號-2，3號-3。本文選擇1號壓裂孔進(jìn)行分析研究，鉆孔間布置示意如圖1所示。

圖1 鉆孔間布置示意

2.1 鉆機(jī)及鉆孔參數(shù)

水力壓裂試驗施工壓裂注水孔和檢驗孔選用ZDY-4000S的液壓鉆機(jī)，該鉆機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速、大扭矩的深孔鉆機(jī)，具有靈活擺布、搬遷及運(yùn)輸方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)。鉆桿直徑為73mm，鉆頭直徑選用94mm復(fù)合片鉆頭。鉆機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。依據(jù)81504工作面的地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合煤層厚度、傾角等情況，水力壓裂技術(shù)參數(shù)記錄見表2。

表1 鉆機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)

表2 81504工作面水力壓裂技術(shù)參數(shù)

注：壓裂孔一般設(shè)計為仰角孔，壓裂后水易返排，有利于瓦斯逸散。

2.2 封孔工藝

在總結(jié)多次水力壓裂封孔長度及深度的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤層裂隙發(fā)育程度、地應(yīng)力方向、鉆孔方位等，1號壓裂孔封孔深度為20m，封孔材料為膨脹水泥。采用“兩堵一注”封孔工藝，即囊袋式封孔裝置采用囊袋封堵鉆孔，2個囊袋間有1個出漿嘴，利用注漿管向位于4m和19m位置的囊袋注漿，囊袋膨脹后，囊袋與鉆孔壁緊密接觸，當(dāng)注漿壓力超過注漿嘴的開啟壓力時，注漿嘴向2個囊袋之間的空隙注漿，漿液進(jìn)入囊袋與鉆孔壁的縫隙以及鉆孔周邊一定深度的煤體裂隙，從而實(shí)現(xiàn)抽采鉆孔的封孔?！皟啥乱蛔ⅰ狈饪资疽馊鐖D2所示。

圖2 “兩堵一注”封孔示意

水泥漿液在一定的注漿壓力作用下，能夠充填、膠結(jié)和封閉破碎煤體之間的裂隙，使鉆孔封孔密實(shí)，能有效提高抽采濃度，延長鉆孔有效抽采時間，提高瓦斯抽采效率。實(shí)踐表明此方法封孔抽采瓦斯?jié)舛染?5%左右，封孔效果非常好。檢驗孔采用礦常規(guī)抽采孔封孔方法，即封孔深度7.5m左右，采用散裝瑪麗散、膨脹水泥封孔。

3 水力壓裂試驗及瓦斯參數(shù)測試

水力壓裂過程可以分為應(yīng)力積累、裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展和裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展3個階段。由各個條件下的壓裂過程還可以看出，煤體起裂時并沒有立即導(dǎo)致煤層發(fā)生失穩(wěn)破壞，而是必須繼續(xù)注入高壓水才能使裂紋擴(kuò)展、延伸及形成相互交錯的裂隙網(wǎng)。

3.1 水力壓裂試驗過程

水力壓裂試驗采用BZW-200/56型乳化液作為注水泵使用，其額定壓力為56MPa，額定流量為0.2m3/min，與乳化液泵相連的是容量為1m3的RX1000型乳化液箱，試運(yùn)行正常之后打開水路閥門，泵壓力調(diào)試為2MPa，開始進(jìn)行洗孔作業(yè)。2min后開始對壓裂孔進(jìn)行高壓注水作業(yè)，持續(xù)注水約1min后，壓力急劇升高，表明此時高壓水已經(jīng)充滿鉆孔空間和高壓管匯，開始進(jìn)入煤層，準(zhǔn)備進(jìn)入較大裂隙空間；約5min后，出現(xiàn)一個短暫的憋壓狀態(tài)，壓力由15.3MPa迅速上升至19.2MPa；約15min后，壓力突然從19.2MPa降至10.9MPa，表明此時煤層中部分裂隙已經(jīng)被壓開，煤層起裂壓力為19.2MPa；約16～20min之間，壓力有個瞬間升高又跌落的過程，推斷多次小范圍壓開后，裂紋逐漸擴(kuò)展的過程。在20～90min之間，壓力比較平穩(wěn)，推斷煤層中的裂隙被進(jìn)一步擴(kuò)展并延伸、連通，形成相互交錯的裂隙網(wǎng)，到100min停泵，期間沒有出現(xiàn)大的壓力波動，這段時間為裂隙網(wǎng)的形成過程，最終耗水量為20m3，耗時100min，水力壓裂曲線如圖3所示。停泵卸壓后，打開壓裂孔，有大量水外排，持續(xù)幾個小時，水中夾雜著碎煤塊流出，表明煤層部分被破壞及壓裂孔周圍煤體形成了彈性或塑形狀態(tài)，本次壓裂結(jié)束。

圖3 水力壓裂施工曲線

3.2 瓦斯參數(shù)測試

采用100%光學(xué)瓦檢儀和流量表分別進(jìn)行瓦斯?jié)舛群屯咚沽髁康臏y試，本次測試20d，并對壓裂前、壓裂后匯總進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)壓裂前、后瓦斯?jié)舛炔顒e不大，平均為85%左右；但壓裂后瓦斯流量明顯增大，壓前瓦斯流量平均為0.0341m3/min，壓后瓦斯流量平均為0.182m3/min；壓裂前后自然瓦斯參數(shù)對比如圖4所示。

圖4 壓裂前后自然瓦斯參數(shù)對比

依據(jù)瓦斯流量的測定，結(jié)合保德煤礦81504工作面其他瓦斯參數(shù)，通過井下現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)并計算得出壓裂前、后鉆孔流量衰減系數(shù)和煤層滲透性系數(shù)。壓裂孔壓裂前后鉆孔流量衰減系數(shù)分別為0.0427 d-1和0.0255 d-1，煤層滲透性系數(shù)分別為0.0625m2/(MPa2·d)和0.8396m2/(MPa2·d)，實(shí)現(xiàn)了由較難抽放向可以抽放的轉(zhuǎn)化。

4 瓦斯抽采聯(lián)管系統(tǒng)及效果分析

4.1 瓦斯抽采聯(lián)管設(shè)計

管路中瓦斯?jié)舛鹊痛蠖嗍怯捎诠苈愤B接處漏氣造成的，為了提高瓦斯抽放效果及抽放參數(shù)檢測，聯(lián)管時將10個鉆孔聯(lián)為1組，每組留設(shè)流量過橋計1個，孔與孔之間采用φ100mm支管進(jìn)行連接，然后經(jīng)φ200mm抽放聯(lián)管通過三通與φ820mm瓦斯抽放主管路相連。實(shí)施鉆孔分組抽放及管理，既有利于檢測管路中瓦斯流量、濃度等參數(shù)，又增加了每組數(shù)據(jù)的對比性，能及時辨識出各組支管的質(zhì)量狀況。瓦斯主管路的吊掛應(yīng)靠幫、靠頂，高冒處的吊掛適度調(diào)整，保持管路平直；瓦斯直管及流量計過橋的吊掛高度應(yīng)高于膠帶架，便于人員檢查管路內(nèi)的抽放參數(shù)為宜；抽放負(fù)壓控制在30kPa左右，當(dāng)采面推進(jìn)距鉆孔50m位置時及時對鉆孔進(jìn)行拆除，每次拆除1組抽放支管，然后通過瓦斯抽放孔對工作面進(jìn)行注水工作。瓦斯抽放聯(lián)管系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 瓦斯抽放聯(lián)管系統(tǒng)示意

4.2 水力壓裂影響范圍

在1號壓裂孔向1號-1檢驗孔方向布置φ42mm的考察鉆孔，每隔1m施工1個鉆孔。鉆孔參數(shù)為：垂直煤壁，角度為2°，深度為70m，方向與1號壓裂孔平行，采用馬麗散、膨脹水泥進(jìn)行封孔，封孔深度7.5m，共施工15個鉆孔。每個考察鉆孔取前20d的瓦斯抽放濃度進(jìn)行對比分析，其結(jié)果如圖6所示。由圖6觀測數(shù)據(jù)可知，水力壓裂前后考察鉆孔瓦斯抽放濃度發(fā)生了顯著的變化，壓裂后瓦斯?jié)舛扔辛嗣黠@增加。10m考察鉆孔瓦斯抽放濃度與壓裂前比較平均提高了約16.75%；12m，15m考察鉆孔瓦斯抽放濃度與壓裂前的變化不大，可以近似得出本次水力壓裂的有效影響范圍為11～12m。

圖6 水力壓裂后考察鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

4.3 抽采效果分析

通過20d的時間對壓裂孔及壓后檢驗孔抽采流量及濃度跟蹤測試，其均值如圖7所示。

圖7 瓦斯抽采效果對比

壓裂孔瓦斯?jié)舛绕骄鶠?5.6%，瓦斯抽采流量平均為0.238m3/min；1號檢驗孔瓦斯?jié)舛绕骄鶠?4.9%，瓦斯抽采流量平均為0.180m3/min；2號檢驗孔瓦斯?jié)舛绕骄鶠?3.3%，瓦斯抽采流量平均為0.183m3/min；3號檢驗孔瓦斯?jié)舛绕骄鶠?6.8%，瓦斯抽采流量平均為0.179m3/min；原鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄鶠?0.7%，瓦斯抽采流量平均為0.108m3/min。由測試數(shù)據(jù)可知，壓裂后壓裂孔的瓦斯抽采流量約為壓裂前的2.2倍，濃度提高了約1.6倍；檢驗孔的抽采流量增大了約1.7倍，濃度提高了約1.1倍，有效提高了抽采效果，縮減了抽采時間。壓裂孔的瓦斯流量和濃度都是最大的，檢驗孔瓦斯抽采流量呈現(xiàn)遠(yuǎn)離壓裂孔逐漸減少的趨勢；檢驗孔瓦斯?jié)舛染∮趬毫芽淄咚節(jié)舛龋砻鞑捎谩皟啥乱蛔ⅰ睅悍饪仔Ч?。?jīng)過11個月的聯(lián)管抽采后，81504工作面高瓦斯區(qū)域含量由之前的4.83m3/t降為現(xiàn)在的2.35m3/t，實(shí)現(xiàn)了向低瓦斯工作面的轉(zhuǎn)變。

4.4 煤層含水率變化分析

壓裂結(jié)束后對壓裂孔放水72 h，之后施工3個檢驗孔，測定煤層含水量。煤層原始含水率為3.40%，1號孔壓裂后含水率為9.24%，是原始含水率的2.72倍；1號-1，1號-2及1號-3檢驗孔壓裂后含水率為5.61%～7.53%，平均為6.41%，是原始含水率的1.89倍。各觀測孔的煤樣含水率對比見表3。

表3 壓裂后各觀測孔含水率變化

由表3可知，水力壓裂后各觀測孔的含水率均呈現(xiàn)不等程度的增加，說明水力壓裂后已形成相互交錯的裂隙網(wǎng)，有效地增加了孔隙中的水分，進(jìn)而增加煤體的含水量；隨著與壓裂孔距離增大，煤層含水率增加幅度逐漸減少，說明水力壓裂增透影響半徑是有限的。煤體含水量的增加可以更高效、更全面地潤濕煤體，進(jìn)而降低了浮塵的產(chǎn)塵量，改變了煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，軟化了煤體，減少了煤體的脆性破裂，增加了塑性變形，最終降低了煤塵的產(chǎn)塵量，極大地削弱了粉塵爆炸的危險性。從現(xiàn)場的測塵數(shù)據(jù)對比分析，煤層注水大大降低了工作面割煤、移動支架及煤炭運(yùn)輸過程中的產(chǎn)塵量，為員工作業(yè)提供了更好的工作環(huán)境，為創(chuàng)建安全高效礦井提供了良好的生產(chǎn)條件。

5 結(jié) 論

(1)通過鉆孔參數(shù)的優(yōu)化、“兩堵一注”式帶壓封孔方法的應(yīng)用、水力壓裂的實(shí)施和聯(lián)管強(qiáng)化抽采布置等技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了鉆孔瓦斯的涌出量及濃度，提高了瓦斯抽采效率，減少了抽放時間，同時提高了掘進(jìn)工作面消突效果，縮減了“抽掘采”接續(xù)時間。

(2)水力壓裂的實(shí)施，使煤儲層原有的小裂隙得到充分的擴(kuò)張、延伸和連通并伴隨次生裂隙的產(chǎn)生，在19.2MPa的水壓下，單孔壓裂有效影響范圍為11～12m；煤層透氣性系數(shù)增大了13.43倍，鉆孔流量衰減系數(shù)減小了約2倍，約11個月的抽采，煤層瓦斯含量由4.83m3/t降為2.35m3/t，極大地釋放了煤層中的瓦斯；同時增加了煤層的含水量，軟化了煤體，大幅度降低了產(chǎn)塵量，削弱了煤塵爆炸的危險性。

(3)應(yīng)用水力壓裂措施后，單孔抽放平均濃度增加了40%，瓦斯流量上升了123%，最終實(shí)現(xiàn)了81504工作面由高瓦斯面向低瓦斯面的轉(zhuǎn)變，為以后工作面的安全高效開采，提供了有力的保障。