康 宇

(晉中市煤炭規(guī)劃設計研究院，山西 晉中 030600)

我國煤礦大部分煤層的透氣性都很差，瓦斯含量也很高，加上煤礦本身開采條件惡劣，所以很容易發(fā)生瓦斯爆炸事故。這不僅會延誤煤礦開采的進程，而且還可能會帶來嚴重的經濟損失和人員傷亡。同時，隨著煤礦開采深度的不斷加大，突然涌現的煤層也就越多，而煤層數量的增多也會極大地增加煤層縫隙，導致安全性方面的問題層出不窮。以往大多數煤礦煤層瓦斯治理中很難采取有效的安全防護措施，而應用水力壓裂技術可提高煤層的透氣性，降低煤層瓦斯含量，從而可有效抑制煤層瓦斯爆炸事故的發(fā)生，提高煤礦開采的安全性[1]。

1 水力壓裂技術概述

水力壓裂技術是煤礦治理中常見的技術之一，具有改善煤礦環(huán)境，平衡瓦斯含量的作用，從而可降低煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生的概率，提升煤礦開采的安全性。該技術主要被用來治理煤礦開采中的瓦斯問題。在透氣性較差的煤層中煤礦中的瓦斯容易溢出，水力壓裂技術可治理這些泄漏的瓦斯，降低煤礦中瓦斯的含量，從而降低煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生的概率。水力壓裂技術在煤層瓦斯治理時可同時增加煤層的透氣性，從而減少煤礦瓦斯泄漏的可能?，F階段，該技術主要被用在原生態(tài)煤層結構的瓦斯治理中，工作原理是以水力為動力源，使煤體裂縫之間保持暢通。這是因為采用了高于地層濾失速率的水排量，且高于地層破裂實際壓力，所以在煤層開采時每一個級別都能產生一定程度的流體壓力，煤層空間在膨脹力的作用下使煤層具有一定的延伸性。這樣煤層在產生裂縫以后就能相互連通，使縫隙之間互相貫通，相應的會增大煤礦儲層含量，提高采井間的連通性。不過水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中應用時，需要保證該煤礦具有水力壓裂作用的條件，比如達到標準的壓力值、水力排量值等。另外需規(guī)定水力壓裂的泵注程序，使每個煤層中都有相配置的封孔技術并采取了相應的保護措施。

2 水力壓裂技術在煤礦應用中的多重效應

2.1 降低煤礦瓦斯事故，改善開采環(huán)境

第一，為減少瓦斯事故，需要封鎖煤層中的瓦斯，確保其留在煤層中而不溢出，確保原本吸附態(tài)的瓦斯變成了游離態(tài)瓦斯，如此有助于瓦斯涌出量的減少和更好地進行散放。第二，該技術在應用時會出現大量裂縫，而裂縫的存在使煤層透氣性顯著提高，使其有效散發(fā)而不是突然的涌出。第三，該技術的應用有助于改變煤層結構的強度，使煤層含水飽和度增加，可有效降低煤層單軸抗壓抗拉強度，使煤層開采難度下降，從而提升煤礦開采整體的安全性。第四，該技術的應用還可以增強煤層結構的地應力場，使煤層結構能長期處于平衡，避免煤層結構出現應力太大導致煤礦中瓦斯處于不平衡狀態(tài)而發(fā)生涌現。第五，煤礦中瓦斯會經常處在不均勻、不平衡的狀態(tài)，這時煤層之間瓦斯含量，以及和其他物質的比例會長期處于變化狀態(tài)中，當差異過于明顯瓦斯過于集中時就會增大涌出的概率，加大瓦斯爆炸的可能性。而應用了水力壓裂技術以后，可使煤層中瓦斯的含量能從高壓力值區(qū)域向低壓力值區(qū)域發(fā)展，這樣瓦斯能發(fā)生作用的條件減少，就會降低瓦斯爆炸的可能。第六，水力壓裂技術的應用也有降塵的作用，比如抑制煤礦開采時揚塵的概率，從而可提升煤礦開采環(huán)境的安全，比如改善了煤礦開采的環(huán)境，不僅可減少瓦斯爆炸還能保護操作人員的安全。因為煤礦開采環(huán)境本身就比較復雜，開采人員長期在惡劣環(huán)境下不僅會降低工作效率，還會對身體健康甚至生命構成威脅。而水力壓裂技術的應用，能有效改善煤礦環(huán)境，為煤礦作業(yè)人員提供一個相對友好的環(huán)境。

2.2 增透效應

通過水力壓裂有助于增加煤層之間的透氣性，確保煤層裂縫出現良好的增壓效果，且有助于裂隙長度的有效延長、拓展，致力于煤層增透效應的顯著提升。隨著開采深度的進一步加大，生產環(huán)境越來越復雜，煤層的透氣性也越來越差，瓦斯不能有效地釋放導致濃度日益提高，而水力壓裂技術的應用可以在煤層表面增加更多縫隙，延長分析長度，增強煤層透氣性，使對煤礦井下瓦斯的處理有了更多選擇的方式。

2.3 抑制突出，延長抽采時間

煤層瓦斯分布呈非均勻狀態(tài)，在相鄰兩個煤層之間瓦斯壓力也顯著不同。而在經過水利壓裂技術應用以后，瓦斯量和應用之前對比明顯減少。同時瓦斯抽采孔也發(fā)生了改變，本來可能要花費一周的時間，而在經過壓裂操作以后需要花費的時間延長，可能變成一個月甚至更久，說明在水力壓裂技術應用以后可有效提升抽采量。同時該技術的應用可不斷增加煤層之間的含水量和飽和度，降低了抗拉和抗壓強度，可為煤層開采降低難度，提高日抽采量，提高抽采效果。

3 水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的具體應用分析

3.1 應用原理

在煤礦瓦斯治理中應用水力壓裂技術，發(fā)生作業(yè)的關鍵條件之一是煤礦中必須要有高壓水，在高壓水中還要有砂子材料形成混合液體進入煤層縫隙中。隨著混合液體的進入，使煤層產生更大裂縫，液體的高壓作用下進入煤層裂縫后砂子便會留在縫隙中，這些留在縫隙中的砂子具有支撐性作用，在這個過程中可避免縫隙閉合在一起，從而能保證煤層的透氣性，使瓦斯可以從煤層中均勻有效地散發(fā)而避免了突然涌現。煤礦在開采時在外力條件作用下也會產生裂縫，但是受到地質地形等的影響，不同煤礦的煤層其暢通性也不同，這時需利用水力壓裂技術來保證煤層的透氣性，在高壓作用下可通過打鉆的方式往煤層中注入高壓水，水體在高壓作用下進入煤層地質。高壓作用越大，水力壓力越大，在水力作用下在煤層內產生支撐作用。

3.2 整體優(yōu)化

單井壓裂技術作為水力壓裂技術的核心，已經被廣泛應用到多個煤礦瓦斯治理當中，特別是大型煤礦油田，該技術的應用能夠整體優(yōu)化煤礦瓦斯治理，將其最優(yōu)效果充分發(fā)揮出來。在進行整體優(yōu)化的過程中需要對煤層進行分割，使其他參數全部覆蓋，使煤層縫隙指標在長度、深度等方面產生變化。然后根據煤層縫隙大小、導流參數的設計來合理應用水力壓裂技術。在現場可進行瓦斯治理模擬，對高壓水進入煤層縫隙的現象進行仿真模擬和試井研究、實驗室研究等，從而提高該技術在煤礦瓦斯治理中的效果。

3.3 方位布井

在利用水力壓裂技術進行煤礦瓦斯治理時，方位布井指的是進行開采井的規(guī)劃，研究煤層水力縫隙之間的關系，明確水力壓裂技術應用目標，從而提高瓦斯治理效果。方位布井時，首先要得到現場各方面的信息，在布置好現場稀井網以后分析瓦斯煤層中的地應力場，然后分析瓦斯煤層中的最大應力方向。因為在煤層開采中所產生的裂縫大小不一且方向變化很大，因此為保證水力壓裂技術在煤層中瓦斯治理的應用效果，需根據煤層瓦斯裂縫實際對方位布井進行設計，同時了解兩者之間的關系，有效匹配水力縫隙和方位布井關系，提高水力壓裂技術的應用效果。

3.4 水力壓裂

重復性是水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中應用時的另一大特點，可提升煤礦瓦斯治理的效率和質量。一般來說，水力壓裂技術中的選層選井技術需結合模糊邏輯理論來綜合考量，重復性水力壓裂技術的應用可在現場選擇煤層和礦井模型，結合現場指定合理的水力壓裂技術應用方案。應用重復性水力壓裂技術可預測應力場的變化，通過模型研究可在模型中輸入多個煤礦地應力場，并以預測的結果為依據設置應力場中的礦井距離、水力壓裂時間和原水平主應力差等，然后在變化規(guī)律越來越明顯后可安排重復性水力壓裂技術來降低煤礦瓦斯事故發(fā)生的風險。

4 水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的應用實案例[2]

某煤礦長期存在瓦斯突出礦井的問題，在多次水力壓裂實施以后將每次注水量控制在100～230 m3之間，將作業(yè)壓力控制在17～35 MPa之間，發(fā)現經過水力壓裂作用后所對應的瓦斯抽采情況明顯改善，提高了實際的抽采效率，水力壓裂作業(yè)甚至可以影響作業(yè)外的抽采孔。從所獲得的數據明顯可以發(fā)現水力壓裂作業(yè)可明顯提高煤礦瓦斯抽采速度，提高煤礦瓦斯治理的效率。

表1 水力壓裂技術在瓦斯治理中前后數據對比

5 結語

本文對水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的工作原理、作用和具體應用進行了分析。隨著水力壓裂技術的成熟，該技術對于煤礦瓦斯治理非常有效，不但可增加煤層透氣性而且還能降低煤層瓦斯含量，改善煤礦作業(yè)環(huán)境，減少煤層瓦斯事故發(fā)生概率，同時也為煤礦開采提供了一個相對友好的環(huán)境。