余正敖 張翠蘭 向沉錢(qián) 謝飛

摘 要：為解決新元煤礦高瓦斯低透氣性突出煤層3#煤層瓦斯抽采效率較低，鉆孔工程量較大，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)等難題，采取雙泵并聯(lián)水力壓裂增透技術(shù)對(duì)該礦31009工作面回風(fēng)巷3#突出煤層進(jìn)行了壓抽處理，實(shí)現(xiàn)了單孔瓦斯日最大抽采純量754m3/d，日平均抽采純量596m3/d的顯著效果，達(dá)到了提高瓦斯抽采效率，降低鉆孔工程量，縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間等目的。

關(guān)鍵詞：雙泵并聯(lián)；水力壓裂；增透；瓦斯治理

中圖分類(lèi)號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

陽(yáng)泉礦區(qū)是我國(guó)大型的煤炭生產(chǎn)基地之一，是我國(guó)典型的高突礦區(qū)，開(kāi)采過(guò)程中礦井瓦斯涌出量普遍較大，最大可達(dá)197m3/min，礦井瓦斯嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

山西新元煤炭有限責(zé)任公司隸屬于陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新元煤礦3#煤層為煤與瓦斯突出煤層，原始瓦斯含量達(dá)14.89m3/t，煤層瓦斯壓力為2.44MPa。針對(duì)礦井目前存在的瓦斯含量高、瓦斯壓力大等難題，研究應(yīng)用雙泵并聯(lián)水力壓裂增透技術(shù)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、快速、安全、高效地抽采煤層瓦斯的目的。

1 水力壓裂增透機(jī)理

雙泵并聯(lián)水力壓裂增透技術(shù)就是用并聯(lián)的兩臺(tái)高壓泵向孔內(nèi)壓入液體，使其產(chǎn)生新的裂縫和使原始裂隙張開(kāi)形成新的流通網(wǎng)絡(luò)，而增大煤體透氣性，有利于瓦斯在煤體內(nèi)的流動(dòng)。水力壓裂需要通過(guò)控制高壓水的壓力和排量，使壓裂影響控制在一定的范圍之內(nèi)，以免出現(xiàn)可能導(dǎo)致的巷道圍巖變形，頂?shù)装骞芾砝щy的狀況，并在壓裂影響范圍內(nèi)形成均勻抽采瓦斯的立體通道網(wǎng)絡(luò)。

2 雙泵并聯(lián)水力壓裂系統(tǒng)及裝備

雙泵并聯(lián)水力壓裂系統(tǒng)通常主要包括壓裂泵組（壓裂泵、電機(jī)和控制系統(tǒng)等）、YLGH70型壓裂管匯系統(tǒng)、高壓膠管、孔內(nèi)封孔管等。

壓裂泵選用兩臺(tái)陜西寶雞航天動(dòng)力公司研發(fā)的BYW65-400型壓裂泵組并聯(lián)壓裂，該泵組性能穩(wěn)定、可靠性高、輸出能力大，柱塞直徑D=11.5cm時(shí)，最大輸出壓力40MPa，柱塞直徑D=9cm時(shí)，最大輸出壓力60MPa；采用YLGH70型壓裂管匯系統(tǒng)和φ5cm/2000cm/70MPa的高壓膠管，最大承受壓力70MPa；孔內(nèi)壓裂管采用外徑50mm，壁厚8mm，單根長(zhǎng)度200cm，耐壓強(qiáng)度70MPa的無(wú)縫鋼管。

3 雙泵并聯(lián)水力壓裂方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

3.1 工作面概況

新元煤礦31009輔助進(jìn)風(fēng)巷沿3號(hào)煤層頂板由東向西下坡掘進(jìn)施工，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高1104.87m、井下標(biāo)高486.0m，埋深618.87m，煤層傾角一般為2°～4°，平均3°，煤層厚度2.85m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬中灰、低硫的優(yōu)質(zhì)貧瘦煤。煤層以亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層中一般含1～2層泥質(zhì)夾矸，厚度一般為0.02m～0.05m，平均0.03m。

頂板圍巖情況：直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為1.49m左右；老頂為細(xì)粒砂巖，厚度為1.65m左右，上部依次為2.15m的砂質(zhì)泥巖和1.90m的粉砂巖。底板為0.56m的砂質(zhì)泥巖，直接底為0.97m的粉砂巖，老底為2.35m的砂質(zhì)泥巖。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)、施工及封孔

由于煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造等情況均不確定，因此設(shè)計(jì)在31009回風(fēng)巷迎頭距31009輔助進(jìn)風(fēng)巷真厚10m垂距、平距8.6m處施工兩個(gè)地質(zhì)探孔（輔助孔），水力壓裂后兼做放水和抽采孔。兩個(gè)地質(zhì)探孔施工完成后，根據(jù)探測(cè)情況系統(tǒng)分析，設(shè)計(jì)在31009回風(fēng)巷迎頭施工31009輔助進(jìn)風(fēng)巷沿3號(hào)煤層頂板的順層壓裂鉆孔，設(shè)計(jì)孔深176.6m。

新元煤礦31009輔助進(jìn)風(fēng)巷在雙泵并聯(lián)水力壓裂實(shí)施過(guò)程中，1#泵最大壓力25.2MPa、最大流量37.3m3/h、注入總水量389.2m3；2#泵最大壓力24.9MPa、最大流量37m3/h、注入總水量390.8m3。兩臺(tái)泵穩(wěn)定壓力為18MPa，合計(jì)注入總水量780m3。

壓裂鉆孔施工完成后，壓裂鉆孔采用無(wú)縫鋼管加水泥砂漿、孔口段采用聚氨酯化學(xué)材料、封孔管末端采用馬尾巴、中間采用注入水泥砂漿封堵，封孔段長(zhǎng)度60m。兩個(gè)輔助鉆孔均采用“兩堵一注”的方式封孔，封孔長(zhǎng)度為30 m。壓裂前，在輔助孔孔口安裝承壓不少于70MPa的截止閥。

在鉆孔施工、封孔的同時(shí)安排進(jìn)行兩臺(tái)水力壓裂泵組的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試以及壓裂管路的鋪設(shè)工作，在所有鉆孔封孔及壓裂泵組調(diào)試完成后進(jìn)行雙泵并聯(lián)水力壓裂系統(tǒng)試運(yùn)行和打壓試驗(yàn)。

4 雙泵并聯(lián)水力壓裂效果分析

4.1 壓裂影響范圍判定

本次試驗(yàn)主要采用物探法和鉆探法對(duì)壓裂范圍進(jìn)行判定。

瞬變電磁物探法：在31009回風(fēng)巷迎頭結(jié)合31009輔助進(jìn)風(fēng)巷迎頭，分別在壓裂前、壓裂后采用瞬變電磁法對(duì)壓裂區(qū)進(jìn)行掃描，通過(guò)對(duì)比分析確定水力壓裂影響范圍。

鉆探法：在31009輔助進(jìn)風(fēng)巷壓裂孔穿煤位置和前方30m位置各打垂直于巷道中線(xiàn)的兩組（兩個(gè)）鉆孔，在每個(gè)鉆孔的15m、25m、30m、35m、40m、45m、50m位置取樣，測(cè)試巖石含水率，對(duì)比附近區(qū)域的含水率參數(shù)，確定壓裂液所達(dá)位置。通過(guò)以上兩種方法的對(duì)比分析，本次水力壓裂影響半徑確定為45m～50m。

4.2 瓦斯抽采效果分析

為了進(jìn)行水力壓裂前后抽采效果對(duì)比分析，在實(shí)施雙泵并聯(lián)水力壓裂前考察壓裂孔以及兩個(gè)輔助孔的瓦斯抽采流量以及瓦斯抽采濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，直到穩(wěn)定為止。水力壓裂后，采用同樣的方法考察壓裂孔以及兩個(gè)輔助孔的瓦斯抽采流量以及瓦斯抽采濃度。壓裂前后抽采情況對(duì)比表見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)計(jì)算分析可知，壓裂孔、輔助孔平均抽采純量壓裂后較壓裂前，增幅分別達(dá)138倍、9.7倍、42.7倍，平均增幅達(dá)50倍。表明雙泵并聯(lián)水力壓裂能夠增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果明顯。

結(jié)論

（1）雙泵并聯(lián)水力壓裂后，3個(gè)試驗(yàn)孔的平均抽采純量均大幅增加，平均增幅達(dá)到50倍，有利于提高瓦斯抽采率、減少抽采時(shí)間、縮短瓦斯治理周期、減少鉆孔工程量。

（2）在相同條件下，雙泵并聯(lián)水力壓裂施工方法可有效增加煤層透氣性，大幅度提高煤層抽采效果。

（3）水力壓裂范圍檢驗(yàn)判定可將瞬變電磁法和鉆探法相結(jié)合，經(jīng)檢驗(yàn)判定本次試驗(yàn)水力壓裂有效半徑為40m～50m。

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