張國(guó)江

（煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計(jì)院有限公司貴州分公司）

隨著煤炭資源需求的增長(zhǎng)，煤礦開(kāi)采強(qiáng)度的增大，淺部煤炭資源逐步被開(kāi)采，不得不對(duì)深部資源進(jìn)行開(kāi)采。隨著開(kāi)采深度的增加，瓦斯災(zāi)害逐漸增多，瓦斯災(zāi)害防治一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)的難題之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水力壓裂技術(shù)被應(yīng)用于礦井瓦斯增透抽采。學(xué)者們對(duì)其進(jìn)行了大量研究［1-6］，焦先軍等［7］利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，研究了水力壓裂技術(shù)對(duì)煤層增透效果，獲得了增透范圍，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。黃興利［8］以209 工作面瓦斯賦存條件為研究背景，開(kāi)展深部礦井定向鉆孔水力壓裂技術(shù)試驗(yàn)研究，制定了“煤層+底板”的定向抽采技術(shù)。高松［9］利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)的方法，系統(tǒng)研究了深部低透氣煤層水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)及增透效果，研究成果為相似礦井提供了借鑒。

綜上，對(duì)于水力壓裂技術(shù)在礦井瓦斯增透方面進(jìn)行了大量研究，但是對(duì)于水力壓裂技術(shù)擴(kuò)展方面研究較少。因此，本文以石壕煤礦為工程背景，基于前期礦井瓦斯治理成果基礎(chǔ)上，提出了在對(duì)揭煤局部范圍可以采取井組壓裂技術(shù)，對(duì)于瓦斯重災(zāi)區(qū)采取攔截降壓壓裂技術(shù)，介紹兩種水力壓裂擴(kuò)展技術(shù)的原理，通過(guò)數(shù)值模擬不同水壓下鉆孔滲透率變化，確定井組壓裂與攔截降壓壓裂施工參數(shù)，并進(jìn)行工程應(yīng)用，以期解決噴孔造成瓦斯高濃度超限問(wèn)題，為深部礦井開(kāi)采瓦斯防治提供新途徑。

1 工程概況

石壕煤礦范圍內(nèi)可采煤層為6#、7#、8#煤層，其中6#、7#煤層作為保護(hù)層開(kāi)采，8#煤層為主采煤層，礦井M8煤層透氣性系數(shù)為1.56×10-7m3/（MPa·d），f值0.2～0.7，平均瓦斯含量21.34 m3/t；M6煤層透氣性系數(shù)為4.5×10-3m3/（MPa·d），f值0.3～0.7，平均瓦斯含量12.32 m3/t。3 層煤均為突出煤層，為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯治理一直是礦井生產(chǎn)的重點(diǎn)工作，抽放鉆孔在施工過(guò)程中垮孔嚴(yán)重，瓦斯預(yù)抽困難，嚴(yán)重威脅礦井采掘安全。

隨著礦井開(kāi)采的不斷深入，瓦斯治理已成為礦井發(fā)展的瓶頸，面對(duì)礦井瓦斯治理嚴(yán)峻形勢(shì)，石壕煤礦在前期水治瓦斯治理成果基礎(chǔ)上，積極推廣水治瓦斯增透技術(shù)，堅(jiān)持先壓、后抽、再采（掘）的理念。在以往條帶和揭煤?jiǎn)我粔毫逊绞缴希瑢?duì)水力壓裂技術(shù)進(jìn)行深入研究，對(duì)揭煤局部范圍控制壓裂采取井組壓裂技術(shù)，瓦斯重災(zāi)區(qū)降壓壓裂采取攔截降壓壓裂技術(shù)。

2 水力壓裂技術(shù)擴(kuò)展研究

2.1 井組壓裂原理

井組壓裂技術(shù)是在水力壓裂區(qū)域?qū)γ簩舆M(jìn)行多孔聯(lián)合組成壓裂，在各個(gè)壓裂孔進(jìn)行水力壓裂后，使各個(gè)壓裂孔之間發(fā)生相互影響和相互干擾，壓裂導(dǎo)致閉合裂隙重新打開(kāi)，形成新的流通網(wǎng)絡(luò)，從而使得煤層滲透性增加，為煤層瓦斯的流動(dòng)創(chuàng)造了良好條件，進(jìn)而讓瓦斯抽采變得更加容易。

2.2 攔截降壓壓裂原理

攔截降壓壓裂技術(shù)［10］是針對(duì)局部施鉆地點(diǎn)瓦斯壓力大、穿過(guò)煤層噴孔嚴(yán)重造成的瓦斯?jié)舛雀邌?wèn)題的技術(shù)。為了對(duì)該局部地點(diǎn)瓦斯進(jìn)行降壓，采用水力攔截壓裂降壓手段。在壓裂鉆孔前后50 m 范圍內(nèi)的2 個(gè)鉆場(chǎng)各預(yù)先施工3～5 個(gè)攔截降壓鉆孔至煤層，然后進(jìn)行壓裂，直至攔截降壓鉆孔壓穿，噴出大量水后停止壓裂。在壓裂過(guò)程中使得閉合裂隙重新打開(kāi)，形成新的流通網(wǎng)絡(luò)，造成煤層滲透性增大，為煤層瓦斯的流動(dòng)創(chuàng)造了良好條件，煤層裂隙與攔截降壓孔導(dǎo)通，釋放瓦斯壓力。攔截降壓壓裂鉆孔設(shè)計(jì)位置應(yīng)選擇在巷道圍巖較好段內(nèi)，在壓裂鉆孔兩端提前施工布置出抽采鉆孔，作為攔截降壓孔。

3 水力壓裂增透數(shù)值模擬

3.1 模型建立與邊界條件確定

為了確定合理的水力壓裂參數(shù)，根據(jù)石壕煤礦8#煤層的實(shí)際情況，利用COMSOL 數(shù)值模擬軟件，建立初始模型，如圖1 所示。建立2 m×2 m 的二維模型，模型的中心位置設(shè)定半徑30 mm 的水力壓裂孔。通過(guò)改變水力壓裂技術(shù)的注水壓力，模擬不同注水壓力下煤體壓裂效果［11-13］。

3.2 結(jié)果分析

為了研究注水壓力對(duì)煤巖體滲透性的影響，通過(guò)設(shè)置不同的鉆孔壓力，分析煤巖體滲透性變化，從而確定合理的注水壓力。本次方案模擬鉆孔壓力分別設(shè)置為20、25、30、35、40、45 MPa。圖2為不同注水壓裂狀態(tài)下的煤層滲透率變化。

從圖2 中可以看出，當(dāng)注水壓力為20 MPa 時(shí)，有鉆孔周?chē)〔糠謪^(qū)域的滲透率逐漸增加，說(shuō)明20 MPa 注水壓力下，影響范圍較小；當(dāng)注水壓力為25～35 MPa 時(shí)，鉆孔周?chē)鷿B透率逐漸增加，影響范圍逐步擴(kuò)大；當(dāng)注水壓力為40～50 MPa 時(shí)，鉆孔周?chē)鷿B透率逐漸趨于平穩(wěn)，變化范圍很小，說(shuō)明40～50 MPa 注水壓力滲透率擴(kuò)展延伸的范圍達(dá)到最佳，增加注水鉆孔的注水壓力可以提高水力壓裂的壓裂效果，增加水力壓裂的裂隙擴(kuò)展延伸，提高煤層滲透率，從而使得抽采效果更好。

4 井組壓裂與降壓壓裂技術(shù)參數(shù)確定

4.1 回風(fēng)巷井組壓裂孔施工參數(shù)

回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)計(jì)3 個(gè)鉆場(chǎng)5 個(gè)壓裂孔用于南四區(qū)軌道進(jìn)風(fēng)上山揭M8煤層，1個(gè)鉆場(chǎng)在揭煤中心位置布置1 個(gè)壓裂孔，其余4 個(gè)壓裂孔呈四方形布置在4 個(gè)角上，5個(gè)壓裂孔均施工至M8煤層頂板0.5 m位置，封孔至M8煤層底板位置，井組壓裂鉆孔參數(shù)及布置詳見(jiàn)表1。

4.2 回風(fēng)巷井組壓裂參數(shù)確定

表2為回風(fēng)巷井組壓裂各個(gè)鉆孔壓裂參數(shù)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，泵壓為確定35～45 MPa，1 號(hào)鉆場(chǎng)2 個(gè)鉆孔的水壓致裂累計(jì)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到1 000 min，2 號(hào)鉆場(chǎng)1個(gè)鉆孔的水壓致裂累計(jì)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到1 000 min，3 號(hào)鉆場(chǎng)2個(gè)鉆孔的水壓致裂累計(jì)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到1 000 min。

4.3 瓦斯巷攔截降壓壓裂孔施工參數(shù)

瓦斯巷下段上方對(duì)應(yīng)N1643工作面機(jī)巷，設(shè)計(jì)共壓裂孔9 個(gè)，其中3 個(gè)尾排壓裂孔，6 個(gè)條帶壓裂孔。條帶壓裂孔壓裂前，選取2 個(gè)鉆場(chǎng)各預(yù)先施工3 個(gè)抽采鉆孔兼作攔截降壓孔，攔截降壓孔與壓裂孔間距為48 m，施工攔截降壓孔后再進(jìn)行壓裂，瓦斯巷下段攔截降壓壓裂鉆孔參數(shù)見(jiàn)表3。

5 工程應(yīng)用效果分析

5.1 井組壓裂技術(shù)應(yīng)用效果分析

井組壓裂孔壓裂7 d 后放水進(jìn)行接抽，壓裂鉆孔單孔濃度91%～95%，平均濃度93%；經(jīng)過(guò)230 d 的連續(xù)抽抽采后，單孔平均濃度仍穩(wěn)定在92%，未出現(xiàn)明顯衰減，且負(fù)壓穩(wěn)定在13 kPa 以上。在回風(fēng)巷內(nèi)針對(duì)南四區(qū)軌道進(jìn)風(fēng)上山施工的揭煤鉆孔已施工完畢，接抽的鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛?1%～91%，總點(diǎn)瓦斯?jié)舛?8%～75%，負(fù)壓14.36～18.09 kPa，現(xiàn)在的鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛?0%～95%，總點(diǎn)瓦斯?jié)舛?8%，負(fù)壓11.31 kPa，瓦斯純量1.23 m3/min；在接抽后的第2 個(gè)月達(dá)到高峰，鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛?9%～87%，總點(diǎn)最高瓦斯?jié)舛?5%，負(fù)壓16.23 kPa，瓦斯純量2.32 m3/min；說(shuō)明該處采取井組壓裂后，在高負(fù)壓的抽采下瓦斯?jié)舛纫哺撸咚沽恳苍谠黾印?/p>

南四區(qū)2#回風(fēng)下山進(jìn)行單孔水力壓裂，未進(jìn)行井組壓裂，水力壓裂孔初抽瓦斯?jié)舛?4%，負(fù)壓8.11 kPa，經(jīng)過(guò)半年的接抽，瓦斯?jié)舛?0%，負(fù)壓22 kPa。南四區(qū)2#回風(fēng)下山揭煤預(yù)抽鉆孔布置在回風(fēng)巷，初期接抽的總點(diǎn)瓦斯?jié)舛确謩e為18%、20%，平均19%，期間最高總點(diǎn)瓦斯?jié)舛确謩e為31%、33%，平均32%，最大共計(jì)瓦斯純量1.2 m3/min，現(xiàn)在的總點(diǎn)瓦斯?jié)舛确謩e為10%、23%，平均16.5%，瓦斯純量共0.38 m3/min。

通過(guò)與已進(jìn)行井組壓裂的南四區(qū)軌道進(jìn)風(fēng)上山進(jìn)行比較，進(jìn)行了井組壓裂地點(diǎn)的單孔初抽濃度較未進(jìn)行的高2.96 倍，平均濃度高2.33 倍，總點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸罡邥r(shí)多1.66 倍，瓦斯量多0.93 倍。井組壓裂抽采效果對(duì)比見(jiàn)表4，效果統(tǒng)計(jì)對(duì)比如圖3所示。

5.2 攔截降壓壓裂技術(shù)應(yīng)用效果分析

攔截降壓孔和壓裂孔壓裂7 d 后放水進(jìn)行接抽，鉆孔單孔濃度為10%～90%，平均51%，負(fù)壓11.7 kPa；至10 月止，鉆孔單孔濃度為30%～93%，平均72%，負(fù)壓14.6 kPa。

壓裂孔接抽1個(gè)月后，在位于1#、2#和4#壓裂孔壓裂區(qū)域的42#～36#、17#～14#鉆場(chǎng)施工鉆孔，共計(jì)73 個(gè)孔，其中有3 個(gè)孔在施鉆過(guò)程中因?yàn)镸8煤層垮孔嚴(yán)重，未施工到設(shè)計(jì)層位，需重新補(bǔ)孔。壓裂孔接抽2個(gè)月后，在位于3#和8#壓裂孔壓裂區(qū)域的34#、35#鉆場(chǎng)和邊界瓦斯巷3#～8#鉆場(chǎng)施工鉆孔，共計(jì)78個(gè)孔，其中2個(gè)孔在施鉆過(guò)程中因?yàn)镸8煤層垮孔嚴(yán)重，未施工到設(shè)計(jì)層位，需重新補(bǔ)孔2 個(gè)；有2 個(gè)孔在鉆孔施工完畢后出現(xiàn)延時(shí)噴孔，造成瓦斯超限。壓裂孔接抽3個(gè)月后，在位于3#和8#壓裂孔壓裂區(qū)域的33#、32#鉆場(chǎng)和1#～3#鉆場(chǎng)施工鉆孔，共計(jì)66 個(gè)孔，其中1 個(gè)孔在施鉆過(guò)程中M8煤層垮孔，但還是能穿過(guò)設(shè)計(jì)層位。壓裂孔接抽4個(gè)月后，在攔截降壓壓裂區(qū)域施工的鉆孔均未出現(xiàn)垮孔噴孔造成瓦斯超限的現(xiàn)象，瓦斯巷下段攔截降壓壓裂后施工情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

北三區(qū)7#瓦斯巷上段實(shí)施了水力壓裂，但未實(shí)施攔截降壓，在施工抽采鉆孔期間由于注入水量多，導(dǎo)致煤層變軟，鉆孔易垮孔堵塞，在疏通過(guò)程中出現(xiàn)垮孔噴孔，造成瓦斯超限。北三區(qū)7#瓦斯巷上段施工抽采鉆孔，在水力壓裂孔接抽1～4 個(gè)月期間，因?yàn)槭┕こ椴摄@孔造成瓦斯超限共5次，而實(shí)施過(guò)攔截降壓后施工抽采鉆孔的北三區(qū)7#瓦斯巷下段與之相比，垮孔現(xiàn)象減少了21 次，降低了78%，噴孔造成瓦斯超限減少了3 次，降低了60%，瓦斯巷下段與上段抽采鉆孔考察對(duì)比見(jiàn)表6。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)實(shí)施井組壓裂技術(shù)，使各個(gè)壓裂孔之間發(fā)生相互影響和相互干擾，壓裂導(dǎo)致閉合裂隙重新打開(kāi)，形成新的流通網(wǎng)絡(luò)，從而使得煤層滲透性增加，為煤層瓦斯的流動(dòng)創(chuàng)造了良好條件。井組壓裂技術(shù)比單一的普通水力壓力有明確的針對(duì)性，針對(duì)揭煤區(qū)域進(jìn)行壓裂，為石門(mén)快速揭煤奠定了基礎(chǔ)，值得推廣應(yīng)用。

（2）通過(guò)實(shí)施攔截降壓壓裂技術(shù)，使壓裂區(qū)域的瓦斯壓力得到釋放，與未實(shí)施攔截降壓后施工抽采鉆孔相比，隨著接抽的時(shí)間越長(zhǎng)，垮孔現(xiàn)象少，噴孔造成瓦斯超限降低了60%。攔截降壓孔和壓裂孔接抽4 個(gè)月后，解決了施鉆過(guò)程中噴孔嚴(yán)重、瓦斯高濃度超限的問(wèn)題。