高振博

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

新元礦31009工作面主采3#煤層，位于二疊系下統(tǒng)山西組中部。埋深618m，煤層均厚為2.85m，煤層傾角一般為 2°～4°，平均 3°，局部達(dá) 6°。3#煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為1.49m，老頂為細(xì)粒砂巖，厚度為1.65m，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。具體煤層頂?shù)装鍘r層情況如表1所示。該礦3號(hào)煤層為突出煤層，瓦斯含量達(dá)14.89m3/t，局部區(qū)域瓦斯含量達(dá)到18m3/t左右，瓦斯壓力為2.44MPa，透氣性系數(shù)為0.017mD，硬度f(wàn)＜0.4。在對(duì)該煤層進(jìn)行采掘作業(yè)前，必須進(jìn)行瓦斯抽采。原有的針對(duì)煤巷掘進(jìn)采取的抽采方式效率較低，工程量較大。為節(jié)約井巷工程，提高瓦斯抽采效率，通過大量的調(diào)查、研究和考察，結(jié)合現(xiàn)有的瓦斯抽采新工藝、新技術(shù)[1]，決定在31009尾巷結(jié)合千米鉆進(jìn)工藝對(duì)3號(hào)煤層采取水力壓裂增透新技術(shù)，快速抽采煤層瓦斯。

表1 頂?shù)装鍘r層性質(zhì)

2 水力壓裂技術(shù)原理

煤礦井下水力壓裂技術(shù)是利用高壓水促使煤層原有裂隙張開，并形成新的裂隙，增加煤層透氣性。其技術(shù)原理主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 水力壓裂裂縫起裂機(jī)理

原始煤層中本身含有一定量的裂隙，壓裂開始后，水在高壓的作用下進(jìn)入煤層中的原生裂隙，當(dāng)注入水壓高于煤層的滲失水壓時(shí)，原生裂隙前端應(yīng)力增大，裂隙將起裂與延伸，煤層內(nèi)原來(lái)閉合的裂隙就會(huì)張開，形成新的水流通道，隨著高壓水的持續(xù)注入，壓裂水就進(jìn)入到次生裂隙中，裂隙范圍不斷增大，形成貫通的裂隙區(qū)域[2]。因此，煤層的滲透性變大，新產(chǎn)生的裂隙為瓦斯流動(dòng)提供了良好的通道。

2.2 水力壓裂裂縫延伸及擴(kuò)展

在高壓水的作用下產(chǎn)生新的裂隙后，在裂隙邊緣部位，當(dāng)積累的水壓大于煤體弱面粘結(jié)力時(shí)，弱面開裂，高壓水將煤顆粒向前推進(jìn)，形成新的封堵區(qū)域。隨著壓力的升高，煤體進(jìn)一步被壓開，導(dǎo)致裂隙弱面發(fā)生擴(kuò)展、延伸，裂隙范圍不斷增大，直到水流遇到較大裂隙時(shí)，水流匯入大裂隙通道，無(wú)法積聚，壓裂過程結(jié)束[3]。隨著煤體內(nèi)部裂隙的起裂與延伸，最終將形成壓力孔為中心的裂隙網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到了增加煤層裂隙范圍的目的，增加了煤層的透氣性。

2.3 煤礦井下水力壓裂適用性

對(duì)于彈性的原生結(jié)構(gòu)煤，煤體較硬，孔隙率不大，隨著高壓水的持續(xù)注入，原來(lái)閉合的裂隙會(huì)開裂，在高壓水進(jìn)入弱面時(shí)，積累的水壓大于煤體粘結(jié)力時(shí)，裂隙弱面發(fā)生擴(kuò)展延伸，最后形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，適合采用水力壓裂的方法來(lái)增加煤層的透氣性；對(duì)于碎粒煤和糜棱煤，由于煤體節(jié)理面復(fù)雜，原生裂隙已被破壞，高壓水注入后，會(huì)在最弱裂縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中并撐開裂縫，然后再尋找下一個(gè)最弱裂縫，循環(huán)下去，不能持續(xù)積累水壓完成進(jìn)一步的延伸與擴(kuò)展，因此形成不了完整有效的裂隙通道，不適合采用水力壓裂的方法[4]。

3 水力壓裂的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.1 試驗(yàn)鉆孔的布置

本次水力壓裂選在31009工作面尾巷，該施工巷道沿3號(hào)煤層向西下坡掘進(jìn)，煤層傾角一般為2°～4°，平均3°，局部達(dá)6°左右，煤層厚度2.85m左右，該區(qū)域瓦斯含量較高，屬于低滲透突出煤層，根據(jù)煤層賦存條件和巷道布置方式進(jìn)行鉆孔布置[5]。水力壓裂鉆孔布置圖如圖1所示，鉆孔參數(shù)見表2。

圖1 鉆孔布置圖

表2 壓裂鉆孔參數(shù)表

3.2 壓裂鉆孔封孔

水力壓裂要求鉆孔封孔具有較高的強(qiáng)度，密封性好，封孔不好會(huì)直接導(dǎo)致水力壓裂的失敗。若封孔深度處于應(yīng)力集中的峰前位置，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生新的應(yīng)力集中；若封孔深度處于應(yīng)力集中的峰后位置，則有可能會(huì)產(chǎn)生水流通道。因此選在應(yīng)力集中處設(shè)置封孔，以提高封孔的嚴(yán)密性。通過分析，最終確定了該壓裂孔的封孔位置離孔口60m。

3.3 水力壓裂高壓注水系統(tǒng)

本次水力壓裂采用BYW65-400型壓裂泵，由于壓裂段長(zhǎng)度達(dá)200m，壓裂過程中壓裂液濾失嚴(yán)重，一臺(tái)泵的流量不足以支撐煤層起裂，因此需使用兩臺(tái)壓裂泵組并聯(lián)進(jìn)行（額定壓力29.5MPa，額定流量65.4m3/h)，并安裝有水表、壓力表、卸壓閥、安全閥等附件。在壓裂泵組安裝地點(diǎn)附近設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)×寬×高為10×1×2m的水池，并使用Φ108mm水管為其不間斷供水；在水池中安裝一臺(tái)能力大于66m3/h流量的離心泵給兩臺(tái)泵組供水，供水壓力0.03～0.1MPa。水力壓裂系統(tǒng)布置示意圖如圖2所示。

圖2 水力壓裂系統(tǒng)布置示意圖

3.4 水力壓裂實(shí)施

在壓裂過程開始后，對(duì)注水壓力、液量、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直至數(shù)據(jù)不再變化達(dá)到穩(wěn)定，并繪制出注水壓力、流量隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。

在壓裂試驗(yàn)過程中，高壓水充滿煤體裂隙中，隨著注水壓力的增大，高壓水不斷積聚能量直到煤體產(chǎn)生新的裂隙，壓力迅速下降，流量大幅上升。在新產(chǎn)生的裂隙中，隨著壓力的增大，高壓水再次積聚能量，再次使原來(lái)的裂隙延伸、擴(kuò)展，經(jīng)過反復(fù)多次的壓力下降過程，最終壓力和流量相對(duì)穩(wěn)定，壓裂停止。整個(gè)壓裂過程中，總共向煤體中注水126.8m3，泵注壓力平均值為27.2MPa，注水流量為608L/min，壓裂總時(shí)長(zhǎng)約為3.6h。通過注水壓力與流量的變化可以看出：煤體起裂壓力約為34.2MPa，裂縫延伸壓力約為28.6MPa。

圖3 注水壓力、流量隨時(shí)間變化

4 水力壓裂效果考察

為了考察水力壓裂前后煤層透氣效果，壓裂前在距離壓裂孔側(cè)40m處設(shè)置測(cè)試孔，壓裂后在水力壓裂影響范圍邊緣處每隔5m設(shè)置1個(gè)抽采觀測(cè)孔來(lái)測(cè)定瓦斯抽采參數(shù)。其中，1#～6#號(hào)觀測(cè)孔距離壓裂孔中心的距離分別為5m、10m、15m、20m、25m、30m。壓裂后各觀測(cè)孔抽采瓦斯?jié)舛?、純度隨時(shí)間變化曲線如圖4、5所示。

圖4 抽采濃度隨時(shí)間變化

圖5 抽采純流量隨時(shí)間變化

由圖4可知，壓裂前測(cè)試孔最大瓦斯抽采濃度為33%，壓裂后1#～3#觀測(cè)孔最大瓦斯抽采濃度為81.8%、78.2%、70.2%，是測(cè)試孔抽采濃度的2.1～2.4倍。測(cè)試孔瓦斯抽采濃度在15d以后基本達(dá)到穩(wěn)定，約為11%，而1#～3#觀測(cè)孔在第30d時(shí)抽采濃度平均值為47.2%，與測(cè)試孔壓裂前的最大瓦斯抽采濃度相近；4#～6#觀測(cè)孔的瓦斯抽采濃度平均值與測(cè)試孔大致相同。由圖5可以看出，壓裂前測(cè)試孔最大瓦斯抽采純流量為0.023m3/min，壓裂后1#～3#觀測(cè)孔最大瓦斯抽采純流量為0.061m3/min、0.055m3/min、0.48m3/min，是測(cè)試孔抽采純流量的2～2.5倍。測(cè)試孔瓦斯抽采純流量在15d以后趨于穩(wěn)定，約為0.007m3/min，而1#～3#觀測(cè)孔在第30d時(shí)抽采純流量平均值為0.017m3/min，與測(cè)試孔壓裂前的最大瓦斯抽采純流量相近；4#～6#觀測(cè)孔的瓦斯抽采純流量平均值與測(cè)試孔基本一致。綜上所述，通過對(duì)新元礦3號(hào)煤層實(shí)施水力壓裂技術(shù)后，實(shí)驗(yàn)壓裂的主要影響范圍在15～20m左右，在此范圍內(nèi)瓦斯抽采濃度和純流量都大幅度提高。

5 結(jié)論

選用水力壓裂新技術(shù)來(lái)增加煤層透氣性，并結(jié)合巷道具體情況確定了長(zhǎng)鉆孔壓裂抽采的具體方案。通過對(duì)比壓裂實(shí)施前后的瓦斯抽采參數(shù)可知，壓裂影響區(qū)域抽采濃度平均提高了2.3倍，瓦斯抽采純量平均提高了2.2倍，水力壓裂提高了瓦斯抽采效率，效果良好。