王永革，令狐建設

(陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中對礦井安全構成嚴重威脅的災害之一，其多發(fā)于煤巷掘進、井巷揭煤工作面，統(tǒng)計表明：煤巷掘進工作面突出次數(shù)最多，井巷揭煤工作面突出強度最大。與井下石門、斜巷揭煤相比，立井揭煤由于其受施工場地的限制，煤與瓦斯突出防治工作具有更多的特殊性和危險性[1]。自《煤與瓦斯突出防治規(guī)定》(2009)頒布實施以來，在區(qū)域、局部兩個“四位一體”綜合防突措施條件下，通過施工大量的鉆孔預抽煤層瓦斯，能夠保證井巷的安全掘進和順利揭煤，但其瓦斯治理時間長、工序復雜，嚴重制約井筒施工進度。近些年來，諸多突出礦井采用預裂爆破、水力沖孔等增透手段[2-8]，提高其瓦斯抽采效率，在一定程度上緩解了揭開突出煤層工期較長的難題，但對于具有瓦斯含量大、滲透性差等特點的煤層群，揭煤期間防突工作仍然繁重。

實踐表明，地面井預抽煤層瓦斯是礦井瓦斯治理的一種行之有效的措施，并已在大量礦區(qū)進行了成功試驗和應用[9-12]，尤其是輔以大液量水砂壓裂增透技術，通過提前施工地面井對突出煤層(群)進行預抽，換取時間、空間上的優(yōu)勢，為井筒快速揭開突出煤層提供了可行的技術途徑。

1 工程概況

西上莊煤礦位于沁水煤田東北邊緣，陽泉礦區(qū)南部，埋深較大，礦井按照煤與瓦斯突出礦井設計，可采煤層共7層，自上而下分別為3、6、8、9、12、15、15下號煤層，屬煤層群開采。主立井井筒設計直徑8.2 m，凈斷面積52.8 m2，垂深680 m，揭穿煤系地層后與 15下號煤層底板巖層中的大巷貫通，將揭露所有煤層，井筒檢查孔測試3、6、8、9、12、15、15下號煤層瓦斯含量為13.57～17.15 m3/t，總體呈現(xiàn)瓦斯含量大、瓦斯壓力高、滲透性系數(shù)低等特點。

2 井位選擇及井身結構設計

2.1 井位選擇

地面壓裂井井位的選擇應當考慮煤層地應力方向和水力壓裂影響半徑，確保壓裂裂縫擴展到設計主立井井筒揭煤區(qū)域，將瓦斯驅替的同時增加該區(qū)域煤層透氣性，以便于壓裂增透后的瓦斯抽采，進而降低揭煤區(qū)域瓦斯含量。

水力壓裂時煤層裂縫的延展方向取決于地應力中水平主應力的大小與方向，裂縫總是產(chǎn)生于強度最弱、拉應力最小的地方且沿最大主應力方向擴展[13-14]，這是井位設計的控制性因素。礦井水平最大主應力方向為北東向19.8°～50.9°。處于同一煤田的平舒礦近期4口煤層氣井采用大液量(2 000 m3)、大排量壓裂工藝，裂縫短半徑長度分別為50、58、60、90 m，平均64.5 m。

綜合考慮裂縫半徑與礦井地應力方向，壓裂井XW的井位選擇有2個區(qū)域，如圖1所示。首選區(qū)域位于井筒(風井、主井和副井)南偏西20°～50°，與井筒直線距離20～30 m內(nèi)；備選區(qū)域位于井筒(風井、主井和副井)北偏東20°～50°，與井筒直線距離20～30 m內(nèi)。

圖1 壓裂井XW可選位置示意圖

因考慮到其他井筒的設計問題，本次井位選擇在首選區(qū)域即設計地面井XW位于主立井井筒南偏西35°，與主井直線距離25 m，與主立井井筒的連線為北東方向，其壓裂增透覆蓋區(qū)域如圖2所示。

圖2 壓裂井壓裂增透覆蓋區(qū)域

該布置方式壓裂裂縫容易穿越或影響到井筒所揭煤層區(qū)，以地面井為中心形成一個高滲區(qū)并覆蓋至井筒揭煤區(qū)域。同時在后期壓裂時需采用裂縫實時監(jiān)測和裂縫轉向技術控制裂縫的走向，降低施工風險，以達到有效降低井筒揭煤過程中瓦斯突出危險性、提高井筒揭煤速度的目的。

2.2 井身結構設計及完井

地面壓裂井井身采用兩開設計，一開井段主要以第四系黃土或二疊系上石盒子組地層為主，該井段采用坂土漿作為鉆井液，鉆至深30 m位置，下入?244.5 mm×8.94 mm×30 m表層套管，固井時水泥漿返至地面為合格。二開井段至15下號煤層以下60 m位置，全井段采用低固相鉆井液，下入?139.7 mm×7.72 mm×720 m生產(chǎn)套管，固井時水泥漿返深333.3 m為合格。

地面壓裂井人工井底位于上統(tǒng)太原組地層，上距15下號煤層60.4 m，深719.4 m，一開井段表層套管下放22.8 m，二開井段生產(chǎn)套管下放719.4 m，完井井口高度0.3 m，水泥返深243.0 m，距3號煤層頂板290.3 m，經(jīng)聲波幅度測井檢查，鉆井期間井壁完好，未出現(xiàn)井漏、垮塌現(xiàn)象。

3 壓裂參數(shù)設計及施工

3.1 壓裂參數(shù)設計

西上莊煤礦屬煤層群開采，由于各可采煤層均具有突出危險性，因此需對每層煤進行水砂壓裂增透。為充分利用XW地面井，使單口井壓裂效益最大化，采用自下而上分層射孔、填砂、投球分流轉向壓裂施工工藝。

壓裂施工分5段進行，由于近距離煤層層間距過小，填砂工藝難以達到段間有效封隔的目的，因此將15、15下號煤層合為一段壓裂，12、13號煤層合為一段壓裂，8、9號煤層合為一段壓裂；3、6號煤層間距 20.5 m，滿足填砂壓裂封隔工藝要求，3、6號煤層各為一段分別進行壓裂。壓裂液為清水，支撐劑為石英砂，壓100 m3粒徑為0.425～0.850 mm的石英砂，用于支撐較大裂縫；壓82 m3粒徑為0.212～0.425 mm的石英砂，用于支撐較小裂隙。填砂備用5 m3，每段加砂比2%～12%。射孔選用102/127槍型，90°螺旋布孔，射孔段每米16孔，全煤段射孔。壓裂注水參數(shù)如下。

1)泵注壓力

在壓裂中壓裂泵的泵注壓力pw可表示為：

pw=pk-pH+pr+pf

(1)

式中：pk為煤層破裂壓力；pH為壓裂管路液注壓力；pr為壓裂液在管路中沿程摩擦阻力；pf為壓裂液在管路末端孔眼處的摩擦阻力。

通過計算得到壓裂泵的泵注壓力pw為15～25 MPa，所選用壓裂泵的額定壓力應大于泵注壓力pw。

2)壓裂用液量

壓裂注水量主要跟壓裂半徑、壓裂孔徑、煤層厚度及孔隙率有關，根據(jù)需要壓裂的預定影響范圍及煤巖層影響體孔隙率計算出單孔壓裂壓入水量。壓裂用液量V按下式計算：

V=π(R-r)2Hφ

(2)

式中：R為預計壓裂半徑，m；r為孔眼半徑，m；H為煤層厚度，m；φ為孔隙率，%。

經(jīng)計算得到單煤層段或者合壓煤層段注水量為500～1 000 m3，預計總注水量5 000 m3，壓裂時根據(jù)現(xiàn)場實際情況隨時調(diào)整注水量。

3.2 壓裂施工

經(jīng)通井、洗井、試壓合格后，對15、15下號煤層進行射孔，打開套管與目標煤層之間的壓裂通道，對15、15下合層進行壓裂，依次注入前置液、攜砂液、頂替液共計690 m3；為保證兩層煤的壓裂效果，對合層段進行投球，堵住部分射孔眼，使其產(chǎn)生二次裂縫，共投球38個，再次注入前置液、攜砂液、頂替液共計426.78 m3。本段壓裂加砂44.0 m3，加砂比為7.51%，施工壓力11.89～30.66 MPa，流量2.02～9.06 m3/min，待井口壓力降為0 MPa后，進行第一次填砂，砂面距13號煤層底板5 m，距井口634 m，探砂面合格后對12、13號合層進行壓裂施工，直至完成 3號煤層壓裂施工。煤層射孔、壓裂數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 煤層射孔、壓裂數(shù)據(jù)

3.3 地面抽采

壓裂結束后進行通井、洗井、試壓，試壓合格后下泵對井內(nèi)瓦斯、水進行排采。自2019年12月 6日開始，累計抽采206 d，共抽采瓦斯246 320 m3，累計排水1 867 m3，日均抽采瓦斯量1 195 m3，最高日抽采瓦斯量2 116 m3，如圖3所示。

圖3 地面井抽采瓦斯量歷史擬合曲線

從圖3可以看出，前45 d為初期排水降液面階段，抽采瓦斯量較少，液面在23 d內(nèi)陸續(xù)降至各煤層底板位置，瓦斯抽采量持續(xù)上升并穩(wěn)定在 1 100 m3/d以上，表明壓裂井一定范圍內(nèi)形成高滲區(qū)，高滲區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育、煤層透氣性增加，抽采效果得到大幅度提升。

4 井筒揭煤效果檢驗

井筒檢查孔測定3號煤層原始瓦斯含量為 15.44 m3/t，地面井抽采206 d后，主井井筒已掘進至3號煤層上方10 m處，實測3號煤層最大殘存瓦斯含量為10.46 m3/t，瓦斯含量下降了4.98 m3/t，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》(2019)瓦斯含量指標臨界值8 m3/t的要求，繼續(xù)實施區(qū)域、局部兩個“四位一體”綜合防突措施?？紤]到水砂壓裂后煤層內(nèi)裂隙發(fā)育、透氣性系數(shù)增大，補充瓦斯抽采鉆孔36個，抽采 5 d 后累計抽采瓦斯11 703 m3，打鉆期間風排瓦斯 1 823 m3，根據(jù)瓦斯抽排量計算得到井筒輪廓線外12 m范圍內(nèi)3號煤層殘存瓦斯含量為7.36 m3/t，現(xiàn)場實測殘存瓦斯含量降至 7.76 m3/t，同時測定鉆屑瓦斯解吸指標K1max值為0.21 mL/(g·min1/2)；主立井掘進至3號煤層頂板5 m處，采用鉆屑瓦斯解吸指標進行預測，未超過《防治煤與瓦斯突出細則》(2019)推薦臨界值；掘進至3號煤層頂板2 m處，采用鉆屑瓦斯解吸指標進行最后的驗證，仍未超過《防治煤與瓦斯突出細則》推薦臨界值。

5 井筒揭煤

在距3號煤層頂板2 m處，經(jīng)驗證工作面無突出危險后，采用遠距離放炮順利揭開煤層，放炮后井筒內(nèi)瓦斯?jié)舛?CH4體積分數(shù))最高達到1.93%，5 h后降至0.2%以下，如圖4所示。井筒風機額定風量1 200 m3/min，期間累計涌出瓦斯約2 385 m3。最終，安全、快速地揭開了3號煤層。

圖4 放炮后井筒內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓闆r

經(jīng)測算，采用常規(guī)預抽方式揭穿3號煤層，預計工期需120 d(預抽鉆孔施工7 d，抽采時間93 d，掘進、效果檢驗20 d)；而采用該項技術，工期共計10 d，比常規(guī)方法提前了110 d，大大縮短了揭煤工期。

6 結語

通過優(yōu)選壓裂井位置，采用自下而上分層射孔、填砂、投球分流轉向壓裂施工工藝，對突出煤層群進行水砂壓裂增加煤層透氣性，在水力驅替和增透作用下，經(jīng)過206 d的連續(xù)抽采，瓦斯含量明顯降低。揭煤工期縮短至10 d，提高了揭煤防突工作效率。該工藝技術對突出煤層群立井揭煤具有時間和空間上的優(yōu)勢，為安全、高效揭煤奠定了基礎，可為同類揭煤工程提供借鑒。