李 鵬
(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大西煤礦,山西 晉城 048000)
瓦斯問(wèn)題一直被作為嚴(yán)重制約煤炭開(kāi)采技術(shù)發(fā)展的重要因素,嚴(yán)重影響著煤礦安全生產(chǎn)[1]。我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富,煤層氣資源賦存量巨大,解決好煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯問(wèn)題,做到煤與瓦斯合理共采,能夠極大地提高資源的開(kāi)采利用率[2-3]。瓦斯抽采是解決瓦斯問(wèn)題的根本途徑,為了解決大西煤礦回采巷道掘進(jìn)過(guò)程中的瓦斯超限問(wèn)題,對(duì)煤層進(jìn)行分段水力壓裂是一種行之有效的方法,通過(guò)增加煤層的透氣性,可以顯著提高瓦斯抽采率[4]。
大西煤礦主要開(kāi)采3 號(hào)煤層,煤層厚度平均為3.17 m,頂板主要為細(xì)粒砂巖和碳質(zhì)泥巖,底板為細(xì)粒砂巖。3 號(hào)煤層以亮煤為主,呈條帶狀結(jié)構(gòu),內(nèi)部裂隙發(fā)育,易發(fā)生脆性破碎。
礦井瓦斯主要來(lái)源為開(kāi)采層和采空區(qū)。據(jù)地勘送檢的瓦斯測(cè)試結(jié)果,3 號(hào)煤層透氣性系數(shù)為0.72 m2/(MPa·d),原始瓦斯含量約為11.26 m3/t,原始瓦斯壓力為0.41 MPa,落煤殘存瓦斯含量3.12 m3/t,殘存瓦斯壓力為0.16 MPa。礦井瓦斯相對(duì)涌出量為19.92 m3/t,絕對(duì)瓦斯涌出量為21.75 m3/min。3 號(hào)煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.30~0.65 <0.5,瓦斯放散初速度ΔP=4.7~24.0 >10,綜合指標(biāo)K=ΔP/f=29.2 >15,單項(xiàng)指標(biāo)均超臨界值,該礦井有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。綜采工作面的上、下順槽掘進(jìn)前,必須預(yù)抽消突,無(wú)突出危險(xiǎn)后方可掘進(jìn)。
根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果,該井田瓦斯主要成分及含量如表1所示。其中可燃?xì)怏w(CH4+ C2H6)含量1.37~47.03 m3/t,平均含量12.63 m3/t,為富甲烷煤層。
表1 瓦斯主要成分及含量
對(duì)大西煤礦3023 工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行分段水力壓裂方案設(shè)計(jì)。壓裂設(shè)備宜放在新鮮風(fēng)流中,具體放置位置如圖1。巷道的長(zhǎng)、寬、高應(yīng)確定能夠滿(mǎn)足泵組的放置要求,并能夠提供不小于1 m3/min的水流和1140 V 的電壓。為保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),水源不能含有雜質(zhì)。
圖1 壓裂泵站與管路布置圖
(1)壓裂層位選取
結(jié)合3023 回風(fēng)順槽的實(shí)際情況,3023 回風(fēng)順槽煤層埋藏淺,煤層瓦斯含量小,煤體強(qiáng)度大。通過(guò)井下觀測(cè),煤層與頂?shù)装逯g接觸平整,煤巖類(lèi)型界限清晰,原生條帶狀結(jié)構(gòu)明顯。煤體原生裂隙清晰可辨,選擇直接在煤層內(nèi)實(shí)施分段水力壓裂的技術(shù)模式。
通過(guò)觀察在掘進(jìn)工作面正前方施工的超前鉆孔,鉆孔軌跡清晰可見(jiàn),并無(wú)坍塌、位移錯(cuò)動(dòng)跡象。在3023 回風(fēng)順槽向臨近巷道及工作面施工區(qū)域預(yù)抽鉆孔,達(dá)到區(qū)域消突的目的。減少了頂、底板巷道的掘進(jìn)工作量。
此外,大西煤礦各煤層頂?shù)装迤毡榇嬖谀鄮r、砂質(zhì)泥巖,部分區(qū)域泥巖遇水極易膨脹,若在煤層頂板實(shí)施分段水力壓裂,則在壓裂完成后的鉆孔抽采過(guò)程中,在泥巖的膨脹變形作用下,抽采管極易發(fā)生堵塞,降低抽采效率,而且需要向煤層頂板開(kāi)設(shè)挑頂鉆場(chǎng),加大了工程量。鑒于此,最終確定3023 回風(fēng)順槽的分段水力壓裂在本煤層內(nèi)實(shí)施。
(2)壓裂段長(zhǎng)及段間距的選擇
結(jié)合3023 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面煤層內(nèi)的成孔條件,沿預(yù)掘巷道中線位置施工分段水力強(qiáng)化鉆孔,長(zhǎng)160 m,采用玻璃套管水泥固孔。考慮到實(shí)際施工的效率和經(jīng)濟(jì)效益等問(wèn)題,將長(zhǎng)鉆孔分5 段進(jìn)行水力強(qiáng)化,壓裂段間距選為30 m,單段水力強(qiáng)化鉆孔裂縫開(kāi)啟長(zhǎng)度約為17.5 m,有效影響半徑不小于20 m。水力壓裂施工完成后,在其周邊施工16 個(gè)抽采鉆孔,鉆孔有效抽采間距不大于6 m。抽采達(dá)標(biāo)后,在采取局部綜合防突措施條件下允許掘進(jìn)安全距離140 m,預(yù)留安全保護(hù)距離20 m,在安全保護(hù)距離內(nèi)進(jìn)入下一循環(huán)。
通過(guò)在3023 回風(fēng)順槽正前施工長(zhǎng)鉆孔,進(jìn)行分段水力強(qiáng)化壓裂,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層區(qū)域均勻增透改造,提高煤層透氣性系數(shù),達(dá)到大循環(huán)安全掘進(jìn)的目的。
在3023 回風(fēng)順槽共施工鉆孔17 個(gè),其中分段壓裂長(zhǎng)鉆孔1 個(gè),瓦斯抽采鉆孔16 個(gè),控制巷道兩幫各15 m 范圍,沿3023 回風(fēng)順槽掘進(jìn)方向控制160 m。分段水力壓裂鉆孔孔長(zhǎng)160 m,分5 段進(jìn)行壓裂,分段噴射孔間距30 m,分段壓裂鉆孔孔徑Φ120 mm,分段壓裂封孔器外徑Φ ≤80 mm。3023 回風(fēng)順槽分段水力壓裂鉆孔施工布置圖如圖2,Ⅰ-Ⅰ剖面圖如圖3,Ⅱ-Ⅱ剖面圖如圖4。
圖2 3023 回風(fēng)順槽分段水力壓裂鉆孔施工布置圖(m)
圖3 Ⅰ-Ⅰ剖面圖(mm)
圖4 Ⅱ-Ⅱ剖面圖(mm)
施工順序?yàn)椋悍侄螇毫验L(zhǎng)鉆孔施工→煤層瓦斯含量和瓦斯壓力測(cè)試→分段壓裂長(zhǎng)鉆孔套管固孔→水力強(qiáng)化前瓦斯參數(shù)測(cè)試(鉆孔自然流量、鉆孔流量衰減系數(shù)、抽采濃度、抽采負(fù)壓、抽采流量、水分)→分段壓裂長(zhǎng)鉆孔從孔底至孔口依次分5 段進(jìn)行壓裂→施工16 個(gè)抽采鉆孔→所有鉆孔洗孔→抽采鉆孔封孔,封孔長(zhǎng)度15~20 m →抽采鉆孔、壓裂鉆孔聯(lián)抽→等待抽采達(dá)標(biāo),效果檢驗(yàn)→采取區(qū)域、局部綜合防突措施下掘進(jìn)140 m →(第二循環(huán)開(kāi)始)→分段壓裂長(zhǎng)鉆孔施工→分段壓裂長(zhǎng)鉆孔施工套管固孔→分段壓裂長(zhǎng)鉆孔從孔底至孔口依次分5 段進(jìn)行壓裂→施工16 個(gè)抽采鉆孔→所有鉆孔洗孔→抽采鉆孔封孔,封孔長(zhǎng)度15~20 m →抽采鉆孔、壓裂鉆孔聯(lián)抽→等待抽采達(dá)標(biāo),效果檢驗(yàn)→采取區(qū)域、局部綜合防突措施掘進(jìn)20 m(第一循環(huán)結(jié)束)。
針對(duì)3023 回風(fēng)順槽分段水力壓裂強(qiáng)化鉆孔的封孔問(wèn)題,選用封壓一體化分段水力壓裂封孔器封孔,封孔器如圖5。采用水力封孔膠囊加單向閥的方法,實(shí)現(xiàn)分段水力壓裂封孔的目的。
圖5 一體化分段水力壓裂封孔器
在分段水力壓裂施工完成后,對(duì)壓裂孔周?chē)锏佬蚊策M(jìn)行觀測(cè),尤其是較為發(fā)育的構(gòu)造附近及煤體裂縫發(fā)育地帶,觀測(cè)煤壁是否有出水、巷道變形等情況。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察分析,結(jié)合各壓裂孔的出水情況,綜合得出各段水力壓裂影響半徑平均為23 m。
對(duì)3 號(hào)煤層進(jìn)行分段水力壓裂后,瓦斯抽采濃度提升了2~17 倍,抽采純量提升了3~8 倍。壓裂孔瓦斯初始涌出量較未壓裂孔增加1 倍,瓦斯流量衰減系數(shù)是未壓裂孔的1/2,煤層瓦斯的可抽采性得到了顯著提高。
3023 回風(fēng)順槽壓裂區(qū)域本煤層預(yù)抽孔平均百米抽采純量為0.131 m3/min,是未壓裂區(qū)域的2.3 倍,壓裂孔平均百米抽采純量為0.302 m3/min,是未壓裂區(qū)域的4.1 倍。通過(guò)實(shí)施分段水力壓裂增透技術(shù),顯著提高了煤層瓦斯的預(yù)抽效果。
(1)對(duì)3023 回風(fēng)順槽進(jìn)行分段水力壓裂施工,水力壓裂長(zhǎng)鉆孔長(zhǎng)160 m,分5 段進(jìn)行水力強(qiáng)化,壓裂段間距30 m,各段水力壓裂影響半徑平均為23 m。
(2)采用長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂增透技術(shù),可以有效提高抽采瓦斯效果,單次循環(huán)允許煤巷安全掘進(jìn)距離長(zhǎng),能夠?qū)崿F(xiàn)巷道安全快速掘進(jìn),緩解采掘接替緊張問(wèn)題。