趙道洪

摘要：近年來(lái)，水力壓裂增透技術(shù)發(fā)展迅速，并被廣泛應(yīng)用于瓦斯抽采中。文章首先對(duì)我國(guó)瓦斯抽采現(xiàn)狀和水力壓裂增透技術(shù)原理進(jìn)行了介紹，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)水力壓裂增透技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用方式進(jìn)行了詳細(xì)探究，以期促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采；水力壓裂試驗(yàn)；水力割縫技術(shù)

1.瓦斯抽采現(xiàn)狀

在瓦斯抽采過(guò)程中，煤層賦存條件、煤層硬度、地質(zhì)構(gòu)造、煤的破壞類型、埋藏深度等因素都會(huì)在一定程度上影響煤層透氣性，進(jìn)而影響瓦斯抽采的順利進(jìn)行，如果煤層透氣性較高，則抽采效果也會(huì)得到有效提升。但是，我國(guó)很多煤層一般為低滲透煤層，因此瓦斯抽采難度較大。對(duì)此，在瓦斯抽采過(guò)程中，應(yīng)注意適當(dāng)擴(kuò)大煤層裂隙范圍和密度，提升煤層透氣性，這樣才能夠保證瓦斯抽采效果?，F(xiàn)如今，常見的煤層強(qiáng)化增透技術(shù)主要有深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)、水力壓裂增透、CO₂預(yù)裂增透、水力擴(kuò)孔以及水力割縫技術(shù)等。

2.水力壓裂增透技術(shù)原理概述

2.1裂縫起裂原理

在水力壓裂技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，首先對(duì)煤層鉆孔，然后通過(guò)鉆孔將流體壓人至煤層中，在此過(guò)程中，需對(duì)液體壓人速度進(jìn)行觀察，如果液體的壓人時(shí)間明顯大于煤層的吸水速度，則流動(dòng)性也會(huì)所有增加，液體不斷流入煤層中，與此同時(shí)，液體壓力增加，當(dāng)液體壓力大于煤層巖壓時(shí)，煤層裂隙就會(huì)產(chǎn)生擠壓作用，保證煤層流通性。與此同時(shí)，煤層滲透性也會(huì)隨之增加裂隙寬度增加，能夠有效促進(jìn)煤層瓦斯的流動(dòng)，為瓦斯抽采提供有力條件。

2.2裂縫延伸原理

在向弱面充水空間注水時(shí)，在注水泵的作用下，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，即注水壓力。另外，在煤層孔隙的潤(rùn)濕作用以及毛細(xì)作用下，會(huì)損失一部分注水壓力，這一部分損失的壓力就被稱為濾失壓力。如果注水壓力大于濾失壓力，就會(huì)造成水流人煤層裂隙系統(tǒng)中，水流混合煤粒，就會(huì)形成封堵帶，在這種情況下，一級(jí)弱裂面壓力逐漸升高，這樣就會(huì)造成煤層裂隙擴(kuò)大，導(dǎo)致封堵作用受到削弱，隨著煤粒逐漸向四周擴(kuò)散，就會(huì)形成二次封堵。

2.3壓裂增透原理

壓力水進(jìn)入煤層的順序分別為一級(jí)弱面、二級(jí)裂隙弱面以及原生微裂隙，在裂隙弱面，壓力水會(huì)對(duì)避免產(chǎn)生壓力作用，這樣就會(huì)造成煤層裂隙延伸，裂隙寬度增加，各個(gè)裂隙弱面相互貫通，從而形成縱橫交錯(cuò)的貫通裂隙網(wǎng)絡(luò)，煤層滲透率得到有效提升。

3.工程概況

某煤礦為突出型礦井，在礦井開采中，主要采K1煤層，煤層厚度約為3.5m，傾角在25°～30°之間。通過(guò)對(duì)K1煤層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，該煤層埋深在507m～626m之間，K1煤層瓦斯含量26.5m³/t，瓦斯壓力位3.4MPa，煤層透氣性系數(shù)（0.902M.700）×10^-2m²/（MPa²·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1933～0.5636d^-1，煤層硬度較小，透氣性比較差，因此煤層瓦斯抽采難度較大。在該突出礦井開采過(guò)程中，事故發(fā)生率較高。綜合考慮工程實(shí)際情況，在瓦斯抽采中，對(duì)于硬度較小且透氣性較差的煤層，可采用水力壓裂增透技術(shù)。本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為，通過(guò)采用水力壓裂增透技術(shù)，促進(jìn)煤層裂隙寬度增加，提升煤層透氣性，為瓦斯開采提供有利條件。

4.瓦斯抽采中水力壓裂增透技術(shù)的應(yīng)用

4.1水力壓裂試驗(yàn)

4.1.1水力壓裂設(shè)備及儀表

在水力壓裂增透技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，乳化液泵是十分重要的設(shè)備，乳化液泵額定壓力31.5MPa、最大排量為160L/min。在壓裂泵中還需安裝水表、壓力表、閥門等，對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行有效控制，同時(shí)在對(duì)煤層注水時(shí)，需對(duì)注水壓力進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)此可應(yīng)用直感耐震壓力表。在本次技術(shù)試驗(yàn)中，壓力表量程為60MPa。水力壓裂增透系統(tǒng)主要由水箱、壓力表、壓裂泵、管路、監(jiān)控系統(tǒng)所組成。

4.1.2壓裂鉆孔布置及施工

在2014年7月14日，通過(guò)資料對(duì)比分析及實(shí)施鉆孔工程位置，煤點(diǎn)埋深在500m～510m，在底板瓦斯抽采巷與變坡點(diǎn)距離50m的位置實(shí)施鉆孔，鉆孔間距30m，鉆孔孔直徑（φ89mm，鉆孔角為128°，鉆孔與巷道軸線之間的夾角為90°，鉆孔傾角45°，布置鉆孔3個(gè)，壓裂鉆孔位于中部，兩側(cè)為觀測(cè)測(cè)壓孔。本次水力壓裂測(cè)試長(zhǎng)度為35.5m。

4.1.3壓裂鉆孔封孔及注水

2014年7月15日，對(duì)壓裂鉆孔及試驗(yàn)測(cè)試孔進(jìn)行封閉。壓裂鉆孔封孔深度15m，采用“兩堵一注”封孔工藝，水力漿帶壓封孔。測(cè)試鉆孔在封孔施工中，首先在孔口段位置采用馬麗散進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度在1.0m～1.5m之間，以封孔長(zhǎng)度為依據(jù)，對(duì)封孔所需水泥漿體積進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)注漿管，將水泥漿注入鉆孔中，封孔保持24h，然后安裝煤氣表，對(duì)鉆孔位置瓦斯流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。8月13日，對(duì)水力壓裂測(cè)試鉆孔進(jìn)行注水，在注水過(guò)程中，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)是否發(fā)生滲漏現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)持續(xù)注水5h后，在距測(cè)試空50m位置發(fā)現(xiàn)觀測(cè)孔開始出現(xiàn)滴水現(xiàn)象，隨著注水的持續(xù)進(jìn)行，滴水量逐漸增加。根據(jù)壓力表測(cè)試，將注水壓力在7.8MPa左右時(shí)，關(guān)閉閘閥，停止注水。在本次水力壓裂試驗(yàn)中，注水時(shí)間為5h，注水量約為55m³，注水壓力為18MPa。在該煤層注水試驗(yàn)過(guò)程中，由于受到供水量因素的影響，注水環(huán)節(jié)出現(xiàn)多次中斷，通過(guò)對(duì)第一次注水過(guò)程以及注水壓力進(jìn)行觀測(cè)，分析可知，在壓裂的初始階段，水壓致裂壓力逐漸增加，隨著壓裂的持續(xù)進(jìn)行，壓力增加速度增長(zhǎng)放緩。通過(guò)對(duì)注水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行煤層注水過(guò)程中，注水壓力在15MPa（～18MPa之間，注水停止后，液體壓力逐漸降低。通過(guò)多次注水，水壓逐漸增加。在該煤層中，當(dāng)注水壓力達(dá)到18MPa后，水壓不再增加。在水力壓裂增透試驗(yàn)中，注水壓力是十分重要的技術(shù)參數(shù)，適宜的注水壓力能有效促進(jìn)煤層松動(dòng)，促進(jìn)煤層裂隙寬度的增加，改善煤層結(jié)構(gòu)。

本次煤層水力壓裂增透試驗(yàn)中，煤層破裂壓力的預(yù)估值為16.8MPa，但在注水過(guò)程中，部分注水壓力損失，因此，注水壓力實(shí)際值應(yīng)該略大于16.8MPa。而通過(guò)本次試驗(yàn)研究，實(shí)際注水壓力位18MPa，符合預(yù)估要求。

4.2水力壓裂效果分析

8月14日下午，打開閘門防水，本次防水持續(xù)時(shí)間為9h，放水完成后，安裝煤氣表，對(duì)鉆孔瓦斯流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)100%。在對(duì)孔壓裂情況進(jìn)行測(cè)試后，自然排放瓦斯，在此過(guò)程中，采用煤氣表對(duì)瓦斯排放量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，最大自排瓦斯流量為0.07m³/min，平均0.04m³/min，累計(jì)排放瓦斯量991m³。隨著瓦斯排放時(shí)間的增加，瓦斯流量實(shí)際情況如圖2所示。

通過(guò)對(duì)圖2進(jìn)行分析可知，在壓裂水的排放過(guò)程中，煤層裂隙寬度逐漸增加，有利于瓦斯抽采。通過(guò)對(duì)瓦斯流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在鉆孔位置，瓦斯流量逐漸增加，最大流量值為0.07m³/min。煤層壓裂增透試驗(yàn)完成后，對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔處理，封孔第七天后，瓦斯流量已經(jīng)降低至最低值，瓦斯平均流量為0.00034m³/min。根據(jù)本次壓裂試驗(yàn)，煤層透氣性顯著改善，在注水過(guò)程中，鉆孔用水量逐漸增加。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在瓦斯抽采過(guò)程中，煤層透氣性會(huì)直接影響抽采效果。部分煤層裂隙較小，硬度、透氣性比較差，導(dǎo)致瓦斯應(yīng)力無(wú)法得到釋放。對(duì)此，可以采用水力壓裂增透技術(shù)，擴(kuò)大煤層間隙，提升煤層透氣性，釋放瓦斯壓力，降低工作面瓦斯含量，這樣不僅能夠有效提升瓦斯抽采純量，同時(shí)還能夠促進(jìn)掘進(jìn)效率的提升，值得推廣應(yīng)用。