馬錢錢

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

我國(guó)煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，80%以上的高瓦斯煤層屬于低透氣性煤層。對(duì)于不具備開采保護(hù)層條件的單一高瓦斯低透氣性煤層，單純依靠常規(guī)瓦斯抽采技術(shù)存在抽采難度大、效果差等缺點(diǎn)，需要研究適宜的增透、促抽新技術(shù)；在當(dāng)前礦井高產(chǎn)高效發(fā)展要求下，高瓦斯低透氣性煤層較長(zhǎng)的抽采達(dá)標(biāo)周期制約了礦井先進(jìn)的綜采綜掘設(shè)備能力的發(fā)揮，因此，需要進(jìn)一步提高瓦斯抽采效率，實(shí)現(xiàn)抽掘采有序銜接，保障礦井安全與高產(chǎn)高效[1]。隨著煤與瓦斯共采理論的推廣應(yīng)用，我國(guó)在“地面”和“井下”瓦斯抽采方面，分別形成了較為成熟的地面井抽采利用工程成套技術(shù)，以及以千米定向鉆孔技術(shù)為代表的井下鉆孔抽采技術(shù)。在高瓦斯低透氣性煤層礦區(qū)形成了“地面井+井下鉆孔（巷道）抽采”的立體瓦斯抽采格局[2-3]。地面井抽采技術(shù)和井下鉆孔抽采技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在技術(shù)上可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，而如何實(shí)現(xiàn)地面和井下抽采技術(shù)在時(shí)空上的有效結(jié)合和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，需要展開探索和研究，為此提出了“先布孔后壓裂”和“先壓裂后布孔”2種地面壓裂與井下抽采相結(jié)合的瓦斯抽采技術(shù)。

1 地面壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理

煤層水力壓裂包括煤體裂縫起裂和裂縫延伸2個(gè)方面，當(dāng)注水壓力超過(guò)煤體的起裂壓力時(shí)，其發(fā)生破裂。已有研究表明：水力壓裂裂縫基本在煤層中擴(kuò)展，形成水平裂縫，裂縫延伸方向主要受地應(yīng)力場(chǎng)控制，多平行于地層最大水平主應(yīng)力方向或垂直于斷層走向，縫寬隨裂縫擴(kuò)展而變小。煤層水力壓裂是水壓主裂縫與分支裂縫交替擴(kuò)展延伸的過(guò)程，最終形成主裂縫與分支裂縫交叉的裂縫網(wǎng)絡(luò)[4-5]。

1.1 水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響因素分析

煤層水力壓裂裂縫的起裂和擴(kuò)展主要與煤巖內(nèi)在本質(zhì)因素（力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力場(chǎng)）以及外部工藝因素（泵注壓力、注水流量和注水時(shí)間）有關(guān)。在實(shí)際壓裂過(guò)程中，主要靠外部工藝因素來(lái)影響裂縫的擴(kuò)展效果。壓裂過(guò)程注水壓力不是一個(gè)恒定值，而是1條隨著注水時(shí)間變化的曲線，可以近似地將該曲線對(duì)應(yīng)的峰值注水壓力當(dāng)作起裂壓力。由于注水壓力與注水流量和注水時(shí)間直接相關(guān)，主要研究注水流量和注水時(shí)間對(duì)壓裂效果的影響。

1.2 水力壓裂裂縫擴(kuò)展數(shù)值分析

運(yùn)用顆粒離散元PFC2D數(shù)值模擬軟件，建立50 m×50 m 的模型，設(shè)計(jì)不同注水參數(shù)（5.076～17.676 m3/h等量遞增的8組不同注水流量；400～700 s等量遞增的7組不同的注水時(shí)間）組合成56組數(shù)值計(jì)算方案，模擬分析不同注水參數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出的注水參數(shù)與壓裂半徑的數(shù)值關(guān)系數(shù)值模型如圖1。

圖1 數(shù)值模型圖

基于多組壓裂數(shù)值模擬結(jié)果，分析得到注水時(shí)間、注水流量的壓裂半徑隨注水時(shí)間變化曲線及散點(diǎn)圖（圖 2）。

壓裂半徑與注水時(shí)間、注水流量均存在很好的線性關(guān)系。根據(jù)相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論：壓裂半徑可以擬合成與注水流量和注水時(shí)間線性相關(guān)的關(guān)系式。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到壓裂半徑與注水參數(shù)的函數(shù)關(guān)系：

式中：L 為壓裂半徑，m；Q 為注水流量，m3/h；t為注水時(shí)間，s。

圖2 注水時(shí)間、注水流量與壓裂半徑的關(guān)系圖

2 地面壓裂井下裂縫影響范圍研究

2.1 實(shí)驗(yàn)室煤層水力壓裂數(shù)值模擬

建立150 m×120 m的模型，底部設(shè)置壓裂孔，數(shù)值計(jì)算模型如圖3。采用控制流量的注水加壓方式，初始水壓p0取2 MPa。壓裂模擬參數(shù)見表1，煤層物理力學(xué)參數(shù)按照壓裂井實(shí)際煤層地質(zhì)選取。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

表1 壓裂模擬參數(shù)

水力壓裂模擬裂紋展布如圖4。由圖4可知，模擬得出的壓裂裂縫大致呈1條直線，沿著最大水平地應(yīng)力力方向擴(kuò)展，壓裂裂縫延伸長(zhǎng)度為99.8 m。

2.2 地面壓裂井下影響范圍現(xiàn)場(chǎng)考察

圖4 水力壓裂模擬裂紋展布圖

通過(guò)巷道和鉆孔揭露壓裂井周圍的排渣見砂情況，定點(diǎn)軌跡追蹤裂縫延展方向和范圍，實(shí)測(cè)壓裂裂縫大致呈1條直線，且主要沿著煤層與頂板間形成裂縫，微小裂隙分支較少，直線方向?yàn)橹髁严斗较?，裂縫寬0.06 m，長(zhǎng)半軸方向的影響范圍約94 m。

2.3 地面壓裂井下影響范圍預(yù)計(jì)分析

通過(guò)地面壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究，提出了煤體水力壓裂壓裂半徑與注水流量、注水時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并基于實(shí)際水力壓裂過(guò)程，將選定的注水參數(shù)（注水流量 108.6 m3/h，注水時(shí)間為 1.13 h）代入壓裂半徑與注水參數(shù)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算，得出壓裂半徑為99.50 m，其與井下實(shí)際測(cè)得的壓裂半徑94 m非常接近。

對(duì)實(shí)際水力壓裂過(guò)程進(jìn)行數(shù)值摸擬得出的結(jié)果為沿著最大主應(yīng)力方向水力壓裂裂縫延伸99.8 m，同樣與井下實(shí)際測(cè)得的壓裂半徑94 m非常接近。

綜上所述，對(duì)于壓裂半徑，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值、數(shù)值模擬結(jié)果以及解析解三者差別不大，基于顆粒離散元方法的水力壓裂數(shù)值模擬能較好地反映水力壓裂裂紋擴(kuò)展特性。

3 地面和井下抽采技術(shù)時(shí)空關(guān)系

地面井抽采技術(shù)具有安全、設(shè)備能力大、覆蓋煤層范圍大、不占用井下巷道空間、機(jī)動(dòng)性好和利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但其適用煤層條件苛刻，排采成功率低，成本高。井下瓦斯抽采技術(shù)具有適用范圍廣，易精確控制目標(biāo)抽采區(qū)域，與井下采掘作業(yè)銜接緊密，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其受井下作業(yè)空間限制，抽采范圍小且勞動(dòng)強(qiáng)度高。為實(shí)現(xiàn)2種抽采技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提出了“先布孔后壓裂”和“先壓裂后布孔”2種地面壓裂與井下抽采結(jié)合方式，發(fā)揮地面壓裂的壓力高、規(guī)模大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)目標(biāo)煤層區(qū)域強(qiáng)力增透，同時(shí)，利用井下抽采的精確控制和緊密銜接的特點(diǎn)強(qiáng)化瓦斯抽采?！跋炔伎缀髩毫选钡慕Y(jié)合方式要在空間上實(shí)現(xiàn)地面壓裂井井位布置與礦井巷道、鉆孔布置相協(xié)調(diào)；“先壓裂后布孔”的結(jié)合方式要在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)地面壓裂與煤層鉆孔工程協(xié)調(diào)一致[6-7]。

3.1 井下抽采鉆孔與壓裂井井底空間關(guān)系

井下對(duì)接鉆孔布孔設(shè)計(jì)是井上下聯(lián)合抽采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)預(yù)計(jì)的壓裂裂縫延伸方向及范圍、已掘巷道位置，確定鉆孔的終孔位置，將鉆孔布置在預(yù)計(jì)安全壓裂影響范圍外，確保巷道壁或鉆孔不被壓穿。

根據(jù)地面壓裂井下裂縫影響范圍研究結(jié)果，預(yù)計(jì)壓裂主裂縫為平行主應(yīng)力方向的直線，壓裂影響范圍為以主裂縫為長(zhǎng)軸的橢圓，長(zhǎng)半軸長(zhǎng)約100 m。設(shè)計(jì)壓裂前對(duì)接鉆孔終孔點(diǎn)與壓裂井井底的距離大于100 m，并留20 m安全距。

鉆孔終孔與壓裂井井底相對(duì)位置如圖5，在距離抽采鉆孔120、180、200 m處分別施工3口地面壓裂井，進(jìn)行不同安全距離的鉆孔抽采效果對(duì)比。不同安全距離鉆孔瓦斯抽放參數(shù)見表2。

圖5 鉆孔終孔與壓裂井井底相對(duì)位置圖

表2 不同安全距離鉆孔瓦斯抽放參數(shù)

由表2可知，在不同的安全距離條件下施工井下對(duì)接鉆孔，對(duì)目標(biāo)煤層的增透促抽效果差異明顯，安全距離為180、200 m以上鉆孔抽采效果相當(dāng)，而安全距離為120～180 m的鉆孔區(qū)域受壓裂影響較大，鉆孔抽采效果明顯提高，預(yù)抽時(shí)間大大縮短。

在3口壓裂井覆蓋的巷道掘進(jìn)期間，實(shí)測(cè)了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值[8-10]，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出防突指標(biāo)K1（大于0.4）的占比為7.8%，而正常區(qū)域巷道掘進(jìn)時(shí)測(cè)得的K1（大于0.4）的占為40%～50%。可見，在地面井壓裂和井下鉆孔抽采的雙重作用下，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)大小明顯減小，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性降低。

地面壓裂井與井下對(duì)接鉆孔空間位置關(guān)系至關(guān)重要，對(duì)接鉆孔終孔點(diǎn)應(yīng)布置在距離壓裂井井底120～180 m范圍內(nèi)，此時(shí)，地面壓裂和井下抽采實(shí)現(xiàn)了空間上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，聯(lián)合抽采效果最好，超過(guò)180 m后，地面壓裂對(duì)井下對(duì)接鉆孔抽采的影響較小，聯(lián)合抽采效果不明顯。

3.2 地面壓裂和井下抽采鉆孔銜接時(shí)間關(guān)系

地面壓裂后，裂縫將經(jīng)歷“擴(kuò)張-保持-閉合”3個(gè)階段，煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)也相應(yīng)的經(jīng)歷“打破-動(dòng)態(tài)平衡-穩(wěn)定”3個(gè)階段，在時(shí)間銜接上，井下鉆孔施工要在壓裂后形成相對(duì)穩(wěn)定的“動(dòng)態(tài)平衡”階段完成。

為此進(jìn)行“先壓裂后布孔”試驗(yàn)，通過(guò)考察同種布孔參數(shù)，不同滯后時(shí)間下鉆孔施工難易程度、成孔率、鉆孔流量、濃度等參數(shù)，研究確定井下鉆孔施工滯后地面壓裂的合理時(shí)間。

在滯后地面壓裂不同時(shí)間向壓裂井底施工定向長(zhǎng)鉆孔，對(duì)鉆孔滯后地面井壓裂0～2個(gè)月、2～4個(gè)月以及4個(gè)月以上3種情況進(jìn)行考察，滯后壓裂不同時(shí)間的鉆孔施工情況和鉆場(chǎng)抽采情況見表3。

表3 滯后壓裂不同時(shí)間的鉆孔施工情況和鉆場(chǎng)抽采情況

綜合比較井下鉆孔滯后地面壓裂3種情況，滯后2～4個(gè)月時(shí)，鉆孔長(zhǎng)時(shí)間維持較高的抽采濃度和百米鉆孔流量，抽采效率顯著提高，很好地利用了地面壓裂對(duì)井下抽采的有利影響，能夠?qū)崿F(xiàn)抽采效益最大化。地面壓裂后2～4個(gè)月內(nèi)是最佳的井下鉆孔銜接抽采時(shí)間，

4 結(jié)論

1）提出了“先布孔后壓裂”和“先壓裂后布孔”2種地面壓裂與井下抽采相結(jié)合的瓦斯治理辦法。

2）分析并確定了裂縫起裂和延展的因素，給出了地面壓裂裂縫擴(kuò)展理論計(jì)算方法，即壓裂半徑L與注水流量Q和注水時(shí)間t的數(shù)學(xué)關(guān)系式：L=0.62Q+8.383×10-3t-0.448，為地面壓裂造縫、布孔設(shè)計(jì)等提供理論支撐。

3）對(duì)實(shí)際水力壓裂過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬得出水力壓裂裂縫沿著最大主應(yīng)力方向延伸99.8 m，模擬預(yù)計(jì)的壓裂半徑與實(shí)測(cè)的壓裂半徑94 m相近，說(shuō)明數(shù)值模擬具有很好的適用性。

4）地面壓裂作業(yè)與井下抽采鉆孔合理的時(shí)間和空間銜接參數(shù)為：采用“先布孔后壓裂”的結(jié)合方式，對(duì)接鉆孔終孔點(diǎn)布置宜在距離壓裂井井底120～180 m范圍內(nèi)；采用“先壓裂后布孔”的結(jié)合方式，井下鉆孔布置宜滯后地面壓裂2～4個(gè)月，即在裂縫保持階段施工鉆孔。