（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054）

當(dāng)前國(guó)內(nèi)多數(shù)煤礦已經(jīng)進(jìn)入到深部開(kāi)采階段，相對(duì)于傳統(tǒng)淺部煤炭開(kāi)采，出現(xiàn)了較大的變化，特別是深部煤炭資源變質(zhì)程度較高，瓦斯含量也更大，同時(shí)，隨著煤礦埋深的不斷增加，煤礦通風(fēng)難度也在持續(xù)增加，進(jìn)一步增加了煤礦瓦斯防治難度，因此，加強(qiáng)水力壓裂技術(shù)在礦井瓦斯防治中的應(yīng)用分析具有重要的意義。

1 水力壓裂技術(shù)在礦井瓦斯防治中的應(yīng)用原理及作用

1.1 應(yīng)用原理

水力壓裂技術(shù)就是以水為動(dòng)力，將煤層內(nèi)裂隙暢通，從而方便瓦斯從煤層中排出。其注水系統(tǒng)如圖1 所示，在具體使用過(guò)程即通過(guò)鉆孔將高壓水壓入到煤層中，隨著注水壓力的增加，當(dāng)壓入速度超過(guò)了煤層自然吸水能力時(shí)，由于流動(dòng)阻力逐漸增加，進(jìn)入到煤層內(nèi)部的液體壓力就會(huì)不斷升高，當(dāng)超過(guò)了煤層上方巖石的壓力時(shí)，煤層內(nèi)部原本閉合的裂縫就會(huì)被貫通，從而形成全新的流通網(wǎng)絡(luò)，煤層整體的滲透壓力就會(huì)明顯增加[1]。煤層內(nèi)包括較多的原生裂隙，這些裂隙屬于各向異性，在高壓水的作用下，通常不會(huì)產(chǎn)生新裂隙，而是將這些原有的裂隙貫通，從而更好地進(jìn)行瓦斯抽采。

1.2 主要作用

1.2.1 能夠有效降低煤體強(qiáng)度

將水體注入到煤體內(nèi)部后，煤體內(nèi)含水量將明顯增加，隨著煤體內(nèi)水分的增加，煤體整體的抗壓與抗拉能力將會(huì)逐漸下降，隨著這些參數(shù)的下降，在一定程度上也會(huì)降低煤炭資源開(kāi)采的難度，煤炭資源的采出率也會(huì)明顯增加。

1.2.2 可取得較好的除塵效果

在水體進(jìn)入到煤體內(nèi)部后，煤體內(nèi)部的含水量會(huì)明顯增加，煤炭資源的分散能力則會(huì)顯著下降，這樣煤炭粉塵的數(shù)量則會(huì)明顯下降，施工人員的施工環(huán)境會(huì)得到較好的改善，施工過(guò)程對(duì)于員工的身體帶來(lái)的負(fù)面影響會(huì)更低。

1.2.3 煤炭資源內(nèi)瓦斯壓力下降較為明顯

選擇使用水力壓裂技術(shù)后，煤體內(nèi)部的裂隙會(huì)有效貫通，瓦斯整體的流動(dòng)性會(huì)增加較大，局部出現(xiàn)瓦斯壓力過(guò)大的情況明顯下降，瓦斯壓力在煤體內(nèi)部將呈現(xiàn)出均質(zhì)化，這對(duì)于煤炭資源的開(kāi)采安全程度來(lái)講是非常有利的，由于瓦斯而導(dǎo)致的各種類型地質(zhì)災(zāi)害將會(huì)明顯降低。

1.2.4 有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)地應(yīng)力的有效平衡

通過(guò)選擇使用水力壓裂技術(shù)，如果煤炭資源內(nèi)存在瓦斯突出的危險(xiǎn)，該技術(shù)對(duì)于地應(yīng)力、瓦斯壓力降低作用是非常明顯的。

1.2.5 將瓦斯突出的危險(xiǎn)性有效降低

通過(guò)向煤體內(nèi)注入一定量的水，對(duì)于基質(zhì)狀煤體內(nèi)瓦斯可以實(shí)現(xiàn)封閉處理，有效地改變瓦斯的實(shí)際狀態(tài)，在多數(shù)情況下，可以將瓦斯從吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，煤層內(nèi)殘留瓦斯量將增加，瓦斯的實(shí)際涌出量將明顯下降，從而有效地降低瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

圖1 注水系統(tǒng)布置圖

2 水力壓裂技術(shù)在礦井瓦斯防治領(lǐng)域中的具體應(yīng)用

煤礦生產(chǎn)能力為120 萬(wàn)t/a，屬于突出礦井，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，瓦斯壓力在3.6 MPa 左右，含量在20 m3/t 左右，煤層透氣性較差，瓦斯抽采難度較大。從該煤礦的生產(chǎn)實(shí)際來(lái)看，礦井突出較為嚴(yán)重，鉆孔噴孔率超過(guò)了1/3，從建井以來(lái)，瓦斯突出事故發(fā)生了多次。因此，結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際，擬選擇使用水力壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井瓦斯的有效防治。具體應(yīng)用情況如下所述。

2.1 水力壓裂鉆孔布置

結(jié)合煤礦開(kāi)采實(shí)際，在煤礦21605 底抽巷2 號(hào)鉆場(chǎng)處施工了水力壓裂測(cè)試鉆孔。方位角設(shè)計(jì)為150°，使得巷道和壓裂鉆孔之間形成垂直關(guān)系，在具體布置時(shí)，每排共設(shè)置6 個(gè)鉆孔。

2.2 水力壓裂鉆孔封孔

在具體封孔時(shí)，選擇使用馬離散化學(xué)藥劑，并配合使用石膏與水泥，選擇使用機(jī)械的方式進(jìn)行封孔，該次封孔的長(zhǎng)度在16 m 左右。具體的施工方法為：在距離鉆孔孔口較近的位置，選擇使用馬麗散進(jìn)行封裝，封裝的長(zhǎng)度在1.6 m 左右，同時(shí)，根據(jù)鉆孔的實(shí)際長(zhǎng)度，將所需的石膏、水泥的數(shù)量計(jì)算出來(lái)，最后使用專用的封孔機(jī)器將預(yù)先配置好的石膏水泥通過(guò)注漿管道全部注入鉆孔中，在封孔之后的1 d 內(nèi)，將煤氣觀測(cè)表安裝到指定的鉆孔位置，測(cè)量瓦斯的排出量。然后開(kāi)始對(duì)水利壓裂測(cè)試鉆孔進(jìn)行注水壓裂，在注水過(guò)程中，對(duì)注水情況進(jìn)行嚴(yán)格的控制，特別是對(duì)于出現(xiàn)的滴水情況進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，在出現(xiàn)了滴水情況后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，將注水壓力降低到7 MPa，然后將閘閥全部關(guān)閉，完成注水。從該次的注水情況來(lái)看，其最高的壓力在20 MPa，注水的時(shí)間在72 h 左右，注入水量在900 m3上下。但是在具體施工的過(guò)程中，出現(xiàn)了一定的供水不足的問(wèn)題，導(dǎo)致注水過(guò)程出現(xiàn)了幾次中止的情況。

注水壓力和壓裂時(shí)間及注水量等參數(shù)有較為直接的關(guān)系。在注水的過(guò)程中，煤體隨著水壓力的增加，逐漸被壓裂破壞，各種類型的裂隙被貫通，水體在已經(jīng)完全的溝通裂隙中相互流動(dòng)，注水量、注水壓力等參數(shù)也在持續(xù)變化。在注水穩(wěn)定一定時(shí)間后，隨著壓力的不斷下降，或者在檢驗(yàn)孔附近的瓦斯?jié)舛仍诔掷m(xù)增加，這說(shuō)明檢驗(yàn)孔與壓裂孔之間已經(jīng)達(dá)到完全裂開(kāi)的狀態(tài)，這時(shí)就能夠?qū)⑺猛Ｖ埂?/p>

2.3 水力壓裂效果

在對(duì)煤礦21605 工作面底板巷進(jìn)行12 孔次水力壓裂作業(yè)，單次注水量控制在120 m3～220 m3，其注水壓力控制在18 MPa～35 MPa。在對(duì)4#鉆場(chǎng)實(shí)施水力壓裂后，距離其60 m 以外的0#鉆場(chǎng)其瓦斯抽采效果有明顯改善，抽采效率得到了大幅度提高，因此可知，水力壓裂的實(shí)施可以影響到60 m 以外的抽采孔。通過(guò)對(duì)水力壓裂作業(yè)實(shí)施前后的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，通過(guò)表1 可知，水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中應(yīng)用可以有效提高瓦斯抽采的速率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速消突的目的，這對(duì)于高瓦斯礦井的有效治理具有安全高效的重大作用[3]。

表1 水力壓裂應(yīng)用前后瓦斯抽采量對(duì)比

3 提升礦井瓦斯防治領(lǐng)域的應(yīng)用效果與對(duì)策

3.1 加強(qiáng)對(duì)水力壓裂技術(shù)應(yīng)用人員的培訓(xùn)

從當(dāng)前水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯防治中的應(yīng)用情況來(lái)看，總體的應(yīng)用效果并沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的水平，導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的原因與水力壓裂技術(shù)實(shí)際應(yīng)用人員的總體技術(shù)水平偏低有較為直接的關(guān)系。因此，這就需要煤與瓦斯突出嚴(yán)重的企業(yè)，全面認(rèn)識(shí)到水力壓裂技術(shù)對(duì)于瓦斯防治工作的重要性，從當(dāng)前的瓦斯防治工作情況來(lái)看，采取針對(duì)性的措施，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用到具體的培訓(xùn)中。同時(shí)，在培訓(xùn)過(guò)程中，需要針對(duì)性地開(kāi)展對(duì)水力壓裂技術(shù)的專項(xiàng)培訓(xùn)，使用理論培訓(xùn)和實(shí)踐培訓(xùn)相結(jié)合的方式，全面提升培訓(xùn)實(shí)效，特別是在理論培訓(xùn)中，需要將當(dāng)前應(yīng)用效果較好的座談會(huì)、專題匯報(bào)等應(yīng)用到具體培訓(xùn)中。在實(shí)踐培訓(xùn)過(guò)程中，應(yīng)該讓技術(shù)人員深入使用水力壓裂技術(shù)較好的煤炭生產(chǎn)一線，確保技術(shù)人員能夠掌握水力壓裂技術(shù)實(shí)際操控要點(diǎn)。

3.2 加大對(duì)水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研發(fā)力度

從當(dāng)前水力壓裂技術(shù)應(yīng)用情況來(lái)看，這個(gè)技術(shù)在具體應(yīng)用過(guò)程中定性使用的問(wèn)題較為明顯，并沒(méi)有從定量的角度對(duì)相關(guān)的環(huán)節(jié)進(jìn)行把控，特別是對(duì)于具體的注水壓力、注水時(shí)間等方面多數(shù)情況下對(duì)于操作技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)等方面還有明顯的依賴，很多環(huán)節(jié)并沒(méi)有一個(gè)具體的公式供實(shí)際操作人員使用，影響了水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用效果[4]。

3.3 加大對(duì)水力壓裂技術(shù)相關(guān)技術(shù)裝備的研發(fā)應(yīng)用力度

結(jié)合水力壓裂技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，水力壓裂技術(shù)裝備在實(shí)際使用的過(guò)程中，智能化、自動(dòng)化程度相對(duì)偏低，操控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)偏大，因此，這就需要持續(xù)加大對(duì)技術(shù)裝備的研發(fā)和投入力度，更好地發(fā)揮出水力壓裂技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在煤礦瓦斯防治過(guò)程中，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用到其中對(duì)于提升瓦斯防治效果有明顯的作用。同時(shí)，從當(dāng)前煤礦瓦斯防治工作開(kāi)展實(shí)際來(lái)看，瓦斯防治工作還有較大的提升空間，因此，這就需要煤礦企業(yè)全面深入研究自身所面臨的瓦斯防治實(shí)際，充分結(jié)合煤礦瓦斯防治工作實(shí)際，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用到具體防治工作中，全面提升瓦斯防治工作實(shí)效。