張宏

摘要：煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂技術(shù)豐富了現(xiàn)有的沖擊地壓防治技術(shù)，可對(duì)壓裂過(guò)程進(jìn)行有效的控制。本文結(jié)合當(dāng)前水力壓裂技術(shù)存在的弱點(diǎn)，指出了煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂防治沖擊地壓的機(jī)理，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的水力壓裂系統(tǒng)和水力壓裂監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：煤層;超高壓;定點(diǎn)水力壓裂;試驗(yàn)方案

對(duì)沖擊地壓災(zāi)害進(jìn)行治理是當(dāng)前煤礦工程安全實(shí)施的重要措施。水力壓裂技術(shù)是目前應(yīng)用較多的防治沖擊地壓的方法，但是目前的壓力一般都很小，在20MPa以下，同時(shí)煤層的硬度又很大，常用的煤層注水壓力已經(jīng)無(wú)法高質(zhì)量地完成對(duì)煤層進(jìn)行壓裂。采用煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂的方法，不僅將局部壓裂的壓力提高，而且在應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等的協(xié)助下可以對(duì)破裂范圍和程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而形成礦井煤層控制性壓裂防沖成套技術(shù)。本文結(jié)合煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)其防治沖擊地壓的機(jī)理進(jìn)行說(shuō)明，并對(duì)試驗(yàn)的方法進(jìn)行闡述。

一、煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂防治沖擊地壓機(jī)理研究

（一）壓裂原理

煤巖層能夠被壓裂開(kāi)的關(guān)鍵就是選擇合適的起裂壓力。如果壓力值太小，可能會(huì)導(dǎo)致煤巖不能被壓開(kāi)，壓裂效果不好;而壓力值太大則會(huì)對(duì)壓力設(shè)備、封孔器等的硬度和強(qiáng)度要求很高，工程成本無(wú)形增加。因此，在選擇壓裂設(shè)備和進(jìn)行壓裂中我們就應(yīng)該首先判斷煤層的起裂壓力。煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂主要是針對(duì)以前的傳統(tǒng)壓裂壓力小和流量不足的問(wèn)題，合理地將鉆孔器兩端進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆舛?，從而在較小的一段距離內(nèi)產(chǎn)生高壓，促進(jìn)整個(gè)煤層的壓裂。

（二）裂隙延伸條件

煤層在遇到超高水壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂痕，工程應(yīng)用中我們要保證裂痕不斷地向前擴(kuò)展和延伸，就要讓注水水壓高于滲水水壓。注水水壓與選擇的壓力泵規(guī)模有關(guān)，而滲水水壓是煤層發(fā)生破裂后開(kāi)始吸水使得裂痕內(nèi)降低的壓力值。在進(jìn)行持續(xù)壓裂的過(guò)程中，要結(jié)合工程的需要和裂痕的發(fā)展程度，適當(dāng)?shù)膶挝粫r(shí)間內(nèi)的注水量提高，從而滿足壓裂區(qū)內(nèi)高壓水的貯存，始終將壓力維持在一個(gè)需要的水平內(nèi)。

（三）煤巖體注水軟化減沖機(jī)理

在應(yīng)用水力壓裂的過(guò)程中，研究煤巖體注水軟化減沖的機(jī)理對(duì)于確定煤層的強(qiáng)度非常重要。當(dāng)煤層中不存在裂縫、節(jié)理以及其他影響強(qiáng)度的因素時(shí)，煤層與煤塊的強(qiáng)度幾乎一樣。但是一旦煤層中存在裂縫，在用煤塊強(qiáng)度估算煤體強(qiáng)度時(shí)就需要修正。相關(guān)的巖石學(xué)機(jī)理表明，彈性波會(huì)在巖石中進(jìn)行傳播，其傳播的速度主要與巖石裂痕的發(fā)育程度有關(guān)。通過(guò)巖石的完整性系數(shù)公式和彈性波縱波傳播速度公式可得到當(dāng)煤層被壓裂后，煤層的強(qiáng)度也會(huì)跟著顯著下降。但是水力壓裂能顯著改善煤層的性質(zhì)，降低煤層的強(qiáng)度。因此，煤巖體注水后會(huì)使得煤層在單位時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)的能量減少，即便煤層發(fā)生了嚴(yán)重的沖擊災(zāi)害，也不會(huì)發(fā)生拋出煤體的情況，能將危害的程度降低到最小。

二、煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂防治沖擊地壓試驗(yàn)研究

（一）煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

《煤礦井下壓裂設(shè)計(jì)施工規(guī)范》是水力壓裂試驗(yàn)設(shè)計(jì)和施工參照的規(guī)范，根據(jù)該規(guī)范的要求，壓裂系統(tǒng)應(yīng)該由流量計(jì)、傳感器、壓裂泵等組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，距壓裂孔50m范圍內(nèi)不能設(shè)置任何設(shè)備，壓裂時(shí)距離壓裂孔100m內(nèi)不能有任何人員活動(dòng)。在壓裂的過(guò)程中，壓裂泵通過(guò)高壓將水箱中的水送入鉆孔內(nèi)，從而對(duì)煤層進(jìn)行高壓壓裂。高壓的管路在進(jìn)行布置的時(shí)候盡量減少?gòu)濐^和長(zhǎng)度，從而讓管路的壓力降維持一個(gè)小的數(shù)值。在管路上設(shè)置壓力傳感器和流量計(jì)對(duì)管路瞬時(shí)流量和壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而在距離壓裂孔10m內(nèi)則布置圖像采集、信息采集等系統(tǒng)。

（二）煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂監(jiān)測(cè)方案

在水力壓裂的過(guò)程中，設(shè)計(jì)合適的監(jiān)測(cè)方案是保證壓裂成功的關(guān)鍵，的監(jiān)測(cè)方案包括管路壓力監(jiān)測(cè)方案、應(yīng)力動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案、微地震監(jiān)測(cè)方案等，合理的確定這些監(jiān)測(cè)方案的執(zhí)行方法，對(duì)于地壓試驗(yàn)具體效果具有很大的幫助。在管路壓力監(jiān)測(cè)中，隨著壓裂過(guò)程的持續(xù)，系統(tǒng)壓力也會(huì)跟著變化，當(dāng)表中出現(xiàn)第一個(gè)峰值時(shí)說(shuō)明巖石層開(kāi)始?jí)毫?，需要持續(xù)注水讓壓痕不斷延伸，直到巖層全部打開(kāi)，這個(gè)時(shí)候停止壓裂試驗(yàn)。應(yīng)力動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)則是在煤層中布置壓力傳感器，通過(guò)壓力信號(hào)的變化將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，通過(guò)應(yīng)力云圖現(xiàn)實(shí)煤體應(yīng)力的變化，用到的主要設(shè)備為壓力傳感器、監(jiān)測(cè)儀;微地震監(jiān)測(cè)則通過(guò)制作微地震監(jiān)測(cè)檢波器幫助找到煤層中的高應(yīng)力和高應(yīng)力差區(qū)域，對(duì)于分析壓裂進(jìn)行的程度有很大幫助。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂是一種新型的防治沖擊地壓的措施，對(duì)于控制壓裂過(guò)程中的穩(wěn)定性并減少壓裂事故起到很好的作用。下一步在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，要合理的建立煤層分段壓裂力學(xué)模型，提出壓裂防沖效果的評(píng)價(jià)指數(shù)，通過(guò)本文確定的壓裂監(jiān)測(cè)方案對(duì)影響壓裂效果的主要參數(shù)進(jìn)行有效的監(jiān)控，從而豐富當(dāng)前的沖擊地壓防治技術(shù)。在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候要綜合考慮煤層的實(shí)際情況，包括煤礦下的作業(yè)狀態(tài)、技術(shù)指標(biāo)以及試驗(yàn)工期等，從而讓壓裂技術(shù)能夠發(fā)揮出其效果。

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