崔 勇

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

辛置煤礦2-559 工作面位于南區(qū)+310 水平，主采煤層為2#煤層，煤層均厚3.6m，平均傾角4°，屬于自燃煤層。2#煤層頂?shù)装寰鶠樯百|(zhì)泥巖，煤層的瓦斯含量在4.43~5.71m3/t 的范圍內(nèi)，瓦斯壓力在0.53~0.62MPa 的范圍內(nèi)，滲透性系數(shù)在0.2~0.5m2/MPa2的范圍內(nèi)。隨著辛置礦開采深度的增大，礦井在南區(qū)延伸至+310 水平后，根據(jù)礦井實(shí)測的結(jié)果顯示：瓦斯涌出量明顯增大，掘進(jìn)工作面的最大瓦斯涌出量為2.0m3/min，南區(qū)+310 水平采區(qū)的瓦斯涌出量在28.7m3/min 左右，南區(qū)煤層的透氣性系數(shù)僅為0.2~0.5m2/(MPa2?d)，處于可以抽采煤層的下限范圍。據(jù)上述數(shù)據(jù)可知該煤層瓦斯具有涌出量較大、運(yùn)移規(guī)律復(fù)雜的特征，2-559 工作面原本設(shè)計(jì)采用本煤層瓦斯抽采結(jié)合采空區(qū)瓦斯抽采和上隅角埋管抽采相結(jié)合的方式進(jìn)行工作面的瓦斯治理作業(yè)，但由于南區(qū)煤層屬于不容易抽采煤層，為避免工作面出現(xiàn)瓦斯積聚的現(xiàn)象，提高瓦斯的抽采率及抽采速度，通過對煤層局部進(jìn)行水力壓裂增透試驗(yàn)來研究分析該技術(shù)對瓦斯抽采效果的提升程度。

2 定向水力增透機(jī)理分析

為分析煤層中使用定向水力壓裂技術(shù)增透的機(jī)理，假設(shè)水力壓裂的過程僅考慮煤層受到地應(yīng)力和高壓水壓力的作用，具體壓裂鉆孔壁面的應(yīng)力狀態(tài)如圖1 所示。根據(jù)相關(guān)研究[1-2]，得出鉆孔孔壁上三個(gè)主應(yīng)力的表達(dá)式為：

圖1 壓裂鉆孔壁面應(yīng)力狀態(tài)示意圖

式中：

σ1、σ2、σ3-分別為鉆孔孔壁上的三個(gè)主應(yīng)力；

τrθ、τθz、τzr-分別為離鉆孔截面圓心R距離并與σy方向θ角位置處的徑向、切向和軸向剪應(yīng)力分量；

σr、σθ、σzz-分別為距離鉆孔截面圓心R 距離并與σy方向θ角位置處的徑向、切向和軸向正應(yīng)力分量。

根據(jù)式（1）能夠看出壓裂鉆孔的初始起裂位置應(yīng)處于θ-z 平面，在假設(shè)鉆孔的孔壁發(fā)生拉伸破壞時(shí)，再結(jié)合最大拉應(yīng)力理論能夠得出，當(dāng)煤巖體的抗拉強(qiáng)度與孔壁的最大拉應(yīng)力相等時(shí)，此時(shí)孔壁便會(huì)出現(xiàn)裂縫，再結(jié)合式（1）能夠得出最大拉應(yīng)力σmax的表達(dá)式為：

在壓裂過程中，鉆孔孔壁的破裂條件為σmax=σt，σt為煤的抗拉強(qiáng)度，則據(jù)此能夠得出鉆孔裂縫的起裂方向θf，起裂方向θf通過下式可得：

根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究表明[3-4]，地層中的孔隙壓力p0的增大會(huì)減小鉆孔的起裂壓力，煤體或者巖體的抗拉強(qiáng)度σt會(huì)增大鉆孔的起裂壓力，據(jù)此當(dāng)假設(shè)兩種壓力相互抵消時(shí)，則能夠得出鉆孔的起裂條件的表達(dá)式為：

式中：

pw-水力壓裂起裂壓力；

θ-起裂方向與σy方向的夾角；

σx、σy-分別為沿x、y方向的正應(yīng)力分量；

ξ-相關(guān)系數(shù)；

υ-煤巖體的泊松比；

τxy、τyz、τxz-沿著xoy、yoz、xoz 面的剪應(yīng)分量。

進(jìn)一步將（4）中的孔壁應(yīng)力進(jìn)行表達(dá)式替換能夠得出，水力壓裂的起裂壓力pw會(huì)受到煤層傾角α、煤層傾向β及起裂方向夾角的影響。在相同的應(yīng)力狀態(tài)下，鉆孔的起裂壓力的大小會(huì)隨著煤層傾角的增大而減小，隨著煤層最大主應(yīng)力與煤層傾向夾角的增大而逐漸減小。

3 水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用

3.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)辛置礦2#煤層的具體情況，并結(jié)合2-559工作面煤層的特點(diǎn)，在工作面下巷實(shí)施了水力壓裂技術(shù)。在2-559 工作面下巷共布置2 個(gè)壓裂鉆孔，其中1 號鉆孔垂直于巷道煤壁布置，2 號鉆孔與煤壁成60°的傾角布置。壓裂鉆孔的直徑為89mm，1 號鉆孔的孔深為45m，2 號鉆孔的孔深為60m，設(shè)置壓裂鉆孔的封孔深度為30m，壓裂孔壓裂的影響半徑為20~25m，壓裂鉆孔采用聚氨酯和膨脹水泥進(jìn)行封孔作業(yè)。具體2-559 工作面水力壓裂試驗(yàn)鉆孔的布置形式如圖2 所示。

圖2 2-559 工作面壓裂鉆孔布置平面圖

在進(jìn)行水力壓裂作業(yè)時(shí)，水力壓裂系統(tǒng)主要由乳化液泵站、高壓膠管、高壓接頭、高壓放水器、高壓閥門及封孔器組成[3-4]。注水過程中注水壓力的范圍在10~15MPa，單孔注水量視現(xiàn)場施工時(shí)的具體情況決定。具體水力壓裂工藝如圖3 所示。

在進(jìn)行水力壓裂作業(yè)施工時(shí)，具體的操作流程如下：（1）首先檢查各管路的連接情況，確保高壓管路連接完好；（2）打開注水泵和注水孔口的閥門；（3）啟動(dòng)高壓注水泵，開始進(jìn)行高壓注水水力壓裂作業(yè)；（4）在水力壓裂鉆孔過程中，要對壓裂鉆孔周圍巷道圍巖的情況進(jìn)行觀察，若發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)停泵處理。

圖3 高壓水力壓裂工藝圖

在進(jìn)行水力壓裂作業(yè)時(shí)，為確保水力壓裂能夠產(chǎn)生充足的裂隙，確定注水壓力為10~15MPa，具體水力壓裂的施工順序如下所述：

（1）先安裝水壓儀和封孔器，在封孔器安裝完畢后，通過連接靜壓水管對封孔器進(jìn)行排氣試壓，確保其能正常工作，然后通過高壓膠管將封孔器與注水泵機(jī)進(jìn)行連接，在注水鋼管與高壓膠管的連接處安設(shè)水壓儀器，用來對水力壓力進(jìn)行監(jiān)測。

（2）在安裝連接以及調(diào)試工作結(jié)束后，通過注水鋼管將封孔器推送至設(shè)定的位置處后進(jìn)行封孔作業(yè)，注水壓裂施工時(shí)從孔底處開始1#~2#槽依次進(jìn)行壓裂作業(yè)。

（3）對注水進(jìn)行逐漸加壓，當(dāng)注水壓力達(dá)到10MPa 時(shí)停止加壓操作，通過觀察鉆孔并監(jiān)測壓力表，來對封孔器的保壓效果進(jìn)行觀測。當(dāng)鉆孔中流出水或者壓力表的指數(shù)下降明顯時(shí)，即代表著此時(shí)的封孔已經(jīng)失效，應(yīng)及時(shí)對封孔器進(jìn)行檢查，找出原因并解決，確保封孔器的正常工作。

（4）在提高水力壓力時(shí)，及時(shí)記錄注水泵機(jī)的壓力表、手動(dòng)泵壓力表及流量計(jì)上顯示的數(shù)據(jù)。將注水壓力提升到預(yù)裂縫開裂時(shí)，此時(shí)壓力表的數(shù)據(jù)會(huì)突然下降，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行保壓注水操作，以使裂紋能夠持續(xù)擴(kuò)展，具體的注水壓裂時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)行壓裂的具體情況確定。當(dāng)巷道圍巖表面出現(xiàn)滲水或者有水冒出時(shí)，即代表著水力壓裂操作的完成，應(yīng)及時(shí)停止壓裂作業(yè)。

（5）單孔水力壓裂操作完成后，進(jìn)行斷電停水、封孔器卸壓操作，這些操作完成后即可進(jìn)行下一個(gè)鉆孔的水力壓力壓裂作業(yè)。

3.2 應(yīng)用效果分析

在采用水力壓裂的試驗(yàn)段進(jìn)行本煤層瓦斯抽采作業(yè)時(shí)，在1#和2#瓦斯抽放孔周圍共布置8 個(gè)瓦斯抽采孔。其中1#瓦斯抽采孔與2#瓦斯抽采孔間距50m；2#~7#抽采孔設(shè)置為等間距布置，孔間距為10m；7#抽采孔與8#抽采孔間距為25m。瓦斯抽采鉆孔的孔徑為94mm。具體瓦斯抽采鉆孔的布置形式如圖4 所示。

圖4 水力壓裂后瓦斯抽采鉆孔布置平面圖

為充分驗(yàn)證分析定向水力壓裂增透技術(shù)在瓦斯抽采應(yīng)用中的效果，通過對水力壓裂試驗(yàn)前后瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽放濃度進(jìn)行監(jiān)測，得出水力壓裂前后瓦斯抽放濃度曲線如圖5 所示。

圖5 定向水力壓裂前后抽放孔瓦斯?jié)舛茸兓€圖

通過分析圖5 可知，在定向水力壓裂鉆孔的影響范圍內(nèi)，瓦斯抽放鉆孔在水力壓裂后瓦斯的抽放濃度出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象。其中5#瓦斯抽放孔在水力壓裂前的最大抽放濃度為6.6%，水力壓裂后鉆孔的最大瓦斯抽采濃度為59.6%，進(jìn)行水力壓裂后瓦斯的抽放濃度為水力壓裂前抽放濃度的9 倍。另外在靠近1#壓裂孔的7#瓦斯抽放鉆孔，從曲線中能夠看出在水力壓裂前該鉆孔的最大瓦斯抽放濃度為16.5%，在進(jìn)行水力壓裂后鉆孔瓦斯的最大抽放濃度達(dá)到71.3%，即水力壓裂后鉆孔的抽放濃度為壓裂前抽放濃度的4 倍，其余瓦斯抽放鉆孔在水力壓裂影響范圍內(nèi)的抽放鉆孔瓦斯抽放濃度均有不同程度的提升。水力壓裂后的瓦斯抽采濃度為水力壓裂前抽采濃度的3~9 倍，而在水力壓裂影響范圍外的瓦斯抽放孔，其瓦斯抽采濃度基本未出現(xiàn)變化。另外從曲線中能夠看出瓦斯抽放孔的抽放濃度在水力壓裂20d 后便會(huì)回落注水力壓裂前的水平，據(jù)此可知水力壓裂對瓦斯抽采鉆孔的作用時(shí)間約為20d。

根據(jù)2-559 工作面水力壓裂增透段瓦斯抽采的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)得出，工作面的瓦斯抽放量平均為5.6m3/min，工作面風(fēng)排瓦斯量為6m3/min?；诖藬?shù)據(jù)，結(jié)合工作面抽放率的計(jì)算公式：

式中：

dk-工作面的抽放率，%；

qkc-抽放的瓦斯量，m3/min；

qkf-工作面的風(fēng)排瓦斯量，m3/min。

基于上述數(shù)據(jù)能夠計(jì)算得出工作面的抽放率為48.7%，抽放率基本符合預(yù)期的瓦斯抽采量。2-559工作面在瓦斯抽采與風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)配合下，使得試驗(yàn)段回風(fēng)上隅角的瓦斯含量控制在0.75%以下，且在水力壓裂的試驗(yàn)段回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛纫恢钡陀?.5%，保障了工作面的安全。

4 結(jié)論

通過對水力壓裂的增透機(jī)理的具體分析，并與2-559 工作面的具體情況相結(jié)合對水力壓裂增透瓦斯抽采方案的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，根據(jù)水力壓裂施工過程中及施工完成后的觀測結(jié)果可知，水力壓裂后的瓦斯抽采濃度為水力壓裂前抽采濃度的3~9 倍，水力壓裂對瓦斯抽采鉆孔的作用時(shí)間約為20d，水力壓裂對提升工作面瓦斯抽采效果明顯。