徐慧剛

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

0 引 言

我國是世界上煤與瓦斯突出最嚴(yán)重的國家，而陽泉礦區(qū)的煤與瓦斯突出問題尤為嚴(yán)重[1]。自兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施實(shí)施以來，開采過程中大量煤層不具備開采保護(hù)層的條件，因此，預(yù)抽煤層瓦斯成為煤與瓦斯突出礦井進(jìn)行區(qū)域防突的主要手段。但遇到煤層煤體松軟、透氣性差、瓦斯含量大等問題時(shí)又會造成預(yù)抽煤層瓦斯的工程量大[2-3]、瓦斯治理周期長等問題，嚴(yán)重制約了煤礦的生產(chǎn)效率。隨著對區(qū)域防突措施的深入研究，水力割縫、深孔爆破、水力壓裂等[4-6]增透措施應(yīng)用到瓦斯治理上來，提高了瓦斯抽采效率，從而實(shí)現(xiàn)高效開采。

陽泉礦區(qū)開采深度逐步增加，瓦斯治理難度也不斷增大[7]。為實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，解決單產(chǎn)單進(jìn)水平低、抽掘采銜接緊張、生產(chǎn)成本高等問題，近年來，陽煤集團(tuán)在以往瓦斯治理技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展了大量的創(chuàng)新性研究。例如，新元礦率先將地面直井大液量水砂壓裂增透和氣相壓裂增透技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場，治理過程中以地面直井大液量水砂壓裂增透技術(shù)為主，結(jié)合井下氣相壓裂增透技術(shù)，由此形成突出煤層井上、下立體防突技術(shù)體系，消除了煤層的突出危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)快速安全掘進(jìn)。

1 壓裂消突技術(shù)方案分析

氣相壓裂屬于非炸藥致裂型技術(shù)，本質(zhì)上屬于安全型技術(shù)[8-9]，具有安全可靠、工藝簡單、操作方便等特點(diǎn)，具有造縫、卸壓雙重作用，在治理防治煤與瓦斯突出問題上能夠得到有效的應(yīng)用。新元礦3 號煤層具有瓦斯含量高、壓力大、透氣性低等問題，抽采困難，井下氣相壓裂技術(shù)消突與生產(chǎn)掘進(jìn)交叉作業(yè)的方式影響單掘效率。

地面井水力壓裂的方式可以通過高壓注水改變井眼周圍的壓力，煤儲層受到的壓力達(dá)到極限時(shí)便會發(fā)生形變，產(chǎn)生新的裂縫或擴(kuò)展原生裂縫，從而形成相互貫通的裂縫網(wǎng)，提高煤層滲流能力[10]。在巷道掘進(jìn)前地面施工直井水力壓裂消突，不干擾井下正常生產(chǎn)，在時(shí)間與空間上降低了瓦斯治理的難度，從而保證礦井生產(chǎn)銜接。

由于地面井水力壓裂過程中抽采規(guī)模較大，因此，壓裂煤層形成的裂縫延展方向不易掌握，對目標(biāo)區(qū)域難以精確控制[11]?；谒毫训奶攸c(diǎn)，在掘進(jìn)工作面時(shí)輔以氣相壓裂技術(shù)，彌補(bǔ)了其不能精確控制至目標(biāo)區(qū)域的問題。將這2 種壓裂技術(shù)方式有效結(jié)合起來，從而達(dá)到消除掘進(jìn)工作突出危險(xiǎn)性的目的。

2 地面井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 井位選擇

新元礦現(xiàn)開采的3 號煤層為突出煤層，經(jīng)鑒定瓦斯含量達(dá)14.89 m3/t，甚至局部區(qū)域瓦斯含量高達(dá)18 m3/t，透氣性系數(shù)為0.017 mD，瓦斯壓力為2.44 MPa，硬度f 小于0.4。

在礦井十采區(qū)的31002 進(jìn)風(fēng)巷和31004 進(jìn)風(fēng)巷，2 條巷道相距33 m，因此為了消除31002 進(jìn)風(fēng)巷和31004 進(jìn)風(fēng)巷2 條巷道的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，選擇在正中間部署10 口地面壓裂井（XY-1井至XY-10 井），基本全面覆蓋這2 條巷道的掘進(jìn)區(qū)域，并根據(jù)3 號煤層構(gòu)造特點(diǎn)、地面井壓裂半徑以及地形特點(diǎn)，最終確定了地面井布置位置，如圖1 所示。

圖1 鉆井井位布置示意Fig.1 The layout of drilling wells

2.2 鉆井施工設(shè)計(jì)與完工

鉆井施工采用二開的結(jié)構(gòu)方式，一開鉆頭直徑311.1 mm，穿過黃土層、風(fēng)化層到達(dá)穩(wěn)定地層以下5 m，隨后下直徑244.5 mm 的表層套管，最后利用固井水泥返至地面。

二開利用直徑215.9 mm 的鉆頭鉆至目的煤層底板以下30 m 處，通過下直徑139.7 mm 生產(chǎn)套管將固井水泥返至3 號煤層頂板以上300 m 處。

鉆井結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示，實(shí)際施工井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1。

圖2 鉆井結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Drilling structure

表1 完工井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 1 Completion wellbore structure data

續(xù)表

2.3 壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合新元礦壓裂地點(diǎn)實(shí)際情況，壓裂液前置液采用清水，采用20~40 目石英砂作為支撐劑，約10 m3；2%~3%KCl 加清水作為攜砂液，支撐劑為12~20 目石英砂，約20 m3；加砂總體規(guī)模為30~40 m3；頂替液采用清水加濃度2%~3%KCl。3 號煤層單個(gè)鉆井采用總液量約為2 000 m3，排量8~10 m3/min。平均砂比不高于2.5%；射孔型號127彈，102 槍，24 孔/m，90°相位角，螺旋布孔，射孔密度16 孔/m。

2.4 壓裂施工

3 號煤頂?shù)装逡阅鄮r、砂質(zhì)泥巖為主，在煤層段射孔2.5 m，同時(shí)在頂板和底板泥巖段各射孔1 m，總計(jì)連續(xù)射孔段為4.5 m，射孔設(shè)計(jì)示意如圖3所示。

圖3 射孔設(shè)計(jì)示意Fig.3 Design of perforation

壓裂采用隔孔壓裂的順序，先壓裂1、3、5、7、9 號井，后壓裂2、4、6、8 號井。壓裂第二序列時(shí)，第一序列鉆孔內(nèi)注入砂子，防止壓裂液溝通第一序列鉆孔，使第一序列鉆孔套管受到擠壓變形，壓裂作業(yè)完成后進(jìn)行沖砂作業(yè)。

首先準(zhǔn)備30 m3清水循環(huán)洗井，直至進(jìn)出口液體的相對密度接近一致。其次利用清水進(jìn)行30 min試壓，壓力達(dá)20 MPa，當(dāng)壓降小于0.5 MPa 時(shí)方可進(jìn)行下一步操作。用清水洗井后進(jìn)行射孔，發(fā)射率不得低于90%，若未達(dá)到90%需要進(jìn)行補(bǔ)射。最后進(jìn)行壓裂施工，單井壓水量約為2 000 m3、砂量40 m3，煤層破裂壓力17 ～36 MPa。

2.5 地面抽采

壓裂結(jié)束后，進(jìn)行通井、洗井、試壓。然后對這十口地面井進(jìn)行了為期約450 d 的排采期，共計(jì)排水約49 000 m3，抽采瓦斯約為400 萬m3，日均抽采瓦斯量約8 900 m3，最高日瓦斯抽采量1.8 萬m3。地面壓裂井在排水降液初期，抽采瓦斯量相對較少，待液面降至3 號層底板位置時(shí)，各井的瓦斯抽采量陸續(xù)上升并穩(wěn)定，表明壓裂井一定范圍內(nèi)形成高滲區(qū)，高滲區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育、煤層透氣性增加，抽采效果得到大幅度提升。

3 氣相壓裂技術(shù)

3.1 氣相壓裂原理

物質(zhì)氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之間的轉(zhuǎn)變是一個(gè)物理過程，主要受溫度和壓力的影響。CO2的臨界點(diǎn)溫度為31.06 ℃，壓力為7.39 MPa，CO2以氣、液兩相共存。氣相壓裂技術(shù)就是將CO2充裝在壓裂管內(nèi)運(yùn)至煤層鉆孔內(nèi)，引爆管內(nèi)液態(tài)CO2后，將在20~40 ms 內(nèi)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣體狀態(tài)，導(dǎo)致氣體體積發(fā)生劇增，煤體受到巨大壓力后從而產(chǎn)生新的裂隙。

3.2 氣相壓裂技術(shù)參數(shù)

采用雙孔15/20~25 根的C-74L 型壓裂器進(jìn)行操作，直徑為68 mm，長度為1 800 mm，單根桿內(nèi)液態(tài)CO2重2.0 kg，采用剪切片的壓力為120 MPa。壓裂孔深度為60 m 或80 m，范圍變化60 m：23~48 m；80 m：23~62 m。

3.3 氣相壓裂工藝流程

根據(jù)新元礦氣相壓裂方案試驗(yàn)對比，新元礦適合采用雙孔壓裂方案：即“2+9”方案，2 個(gè)壓裂鉆孔+9 個(gè)抽采鉆孔。

根據(jù)煤層傾角、軟硬煤層部分情況，確定鉆孔定位在硬煤層中，為防止鉆孔在施工過程中發(fā)生塌孔，鉆孔與頂板之間的距離不得小于1 m；隨后，在2 號、4 號孔的位置進(jìn)行開孔作為壓裂鉆孔。1、3、5 號鉆孔施工結(jié)束后及時(shí)封孔、抽采，并觀測抽采流量；最后依次施工6~11 號鉆孔，完成后及時(shí)封孔，過程和1、3、5 號鉆孔一樣。雙孔氣相壓裂工藝如圖4 所示。

圖4 雙孔氣相壓裂工藝Fig.4 Double-hole gas phase fracturing technology

4 壓裂后效果分析

在礦井十采區(qū)的31002 進(jìn)風(fēng)巷和31004 進(jìn)風(fēng)巷，2 條巷道正中間部署的10 口地面壓裂井鉆井平均深度652 m，進(jìn)行了為期450 d 的排采期后，實(shí)測這2 條巷道掘進(jìn)工作面平均殘存瓦斯含量為6.92 m3/t，小于《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定的8 m3/t，但31004 進(jìn)風(fēng)巷存在一個(gè)測定的殘存瓦斯含量為8.82 m3/t，大于8 m3/t 的情況，輔以氣相壓力增透抽采后，經(jīng)區(qū)域驗(yàn)證為無突出危險(xiǎn)后，正常掘進(jìn)，在這2 條巷道區(qū)域驗(yàn)證期間，突出預(yù)測指標(biāo)均未超標(biāo)，實(shí)現(xiàn)瓦斯零超限，而且使月單進(jìn)由原先的80 m 提高到了220 m，有效掘進(jìn)時(shí)間達(dá)到90%以上。其中形成的31004 工作面順槽長度3 220 m，是陽煤集團(tuán)目前最長工作面，儲量306 萬t，有效緩解了新元礦銜接緊張局面。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析，地面井水力壓裂技術(shù)進(jìn)行預(yù)抽結(jié)合井下氣相水力壓裂技術(shù)預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)，形成了井上、下立體防突技術(shù)體系，有效的消除了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，達(dá)到了預(yù)期目的。

5 結(jié) 論

（1） 新元礦十采區(qū)的31002 進(jìn)風(fēng)巷和31004進(jìn)風(fēng)巷，采用地面井水力壓裂技術(shù)對煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，作為區(qū)域防突措施，實(shí)踐證明技術(shù)方案可行，基本能夠達(dá)到消除突出危險(xiǎn)性的目的。

（2） 井下采用氣相壓裂增透技術(shù)，作為補(bǔ)充預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，實(shí)踐證明能夠達(dá)到消除突出危險(xiǎn)性的目的。

（3） 采用地面井水力壓裂技術(shù)，安全風(fēng)險(xiǎn)小，不影響井下正常生產(chǎn)，在局部輔以氣相壓裂增透技術(shù)，形成了井上、下立體防突技術(shù)體系，在時(shí)間與空間上，為解決煤與瓦斯突出礦井的巷道快速安全掘進(jìn)問題提供了新的途徑。

（4） 采用地面井水力壓裂預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。