瓦斯較難抽放煤層水力壓裂增透技術的應用

尹振林 許大會(通化礦業集團公司道清煤礦，吉林 白山 134301)

瓦斯較難抽放煤層水力壓裂增透技術的應用

尹振林 許大會(通化礦業集團公司道清煤礦，吉林 白山 134301)

科學技術的不斷發展，為煤礦安全生產的提高及設備性能的優化帶來了重要的保障作用，促進了煤礦企業的快速發展。針對通化礦業集團公司道清煤礦煤層屬于較難抽放瓦斯煤層，煤層透氣性差、瓦斯抽采效率低，給相關安全生產計劃的順利完成帶來了嚴重的威脅。因此，研究水力壓裂增透技術并進行應用，提高鉆孔瓦斯抽采效率，消除局部應力集中，最終達到消除瓦斯超限保證安全生產的目的。

瓦斯;難抽煤層;水力壓裂;煤層增透;安全生產

道清煤礦北斜井經沈陽煤科院測定煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類，煤的瓦斯放散初速度指標ΔP介于5.41～15.28之間；煤的堅固性系數f值介于0.18～0.75之間；煤層的透氣性系數在0.366～2.543m2/MPa2·d之間；吸附常數a值為21.542ml/g·r、b值為0.862MPa-1；鉆孔瓦斯涌出量衰減系數介于0.0487～0.0717ad-1。屬于較難抽放類型。抽采效果差，無法保證安全生產。為解決低透氣性煤層帶來的瓦斯抽采率低的問題，應用水力壓裂增透技術，增強煤體透氣性，提高鉆孔瓦斯抽采效率，解除局部應力集中，最終達到消除瓦斯超限保證安全生產。

1 水力壓裂增透機理分析

井下水力壓裂增透技術是利用高壓注水迫使煤體裂隙擴張，孔隙增大，從而提高煤層的透氣性，使吸附狀態的瓦斯轉變為游離狀態的瓦斯增多，提高瓦斯抽采效率，試驗表明，裂縫起裂取決于注入時間、注水壓力、通過高壓水力滲透使煤層內部組織受到破壞，煤層裂隙擴大，增多，達到消突、降塵、阻止自燃、解除局部應力集中及增強煤層透氣性，從而提高煤層的瓦斯抽采效果。

2 水力壓裂技術的實施

2.1 鉆孔設計

在道清煤礦北斜井-505軌道下延中段實施5個穿層鉆孔，其中3號孔為水力壓裂鉆孔，2號孔、4號孔為水力壓裂觀測孔，水力壓裂孔與2個放觀測孔為平行孔，平行距離為8m在水力壓力控制范圍內。1號孔、5號孔為普通預抽鉆孔，水力壓裂孔與2個普通預抽鉆孔為平行孔，平行距離為16m在水力壓力控制范圍外。鉆孔全部實施完畢后，通過2號、4號水力壓裂觀測孔與1號、5號普通預抽孔的對比數據來判斷，水力壓裂，是否增大鉆機控制-520m頂高線水力壓力控制范圍內的煤體透氣性以提高瓦斯抽采效果。

2.2 鉆孔密封

鉆孔密封是順利完成水力壓裂的保證。根據井下實際施工的情況2號水力壓裂穿層鉆孔前27米為巖石，施工時未出現塌孔現象，為保證順利完成水力壓裂，經研究確定水力壓裂鉆孔密封鈣質頁巖長度約27-30m，鉆孔密封后48h后開始壓裂。封孔材料為馬麗散或黃泥+木楔等。其余孔段采用機械方式進行封孔，封孔材料為425#普通硅酸鹽水泥與白水泥（比例=3.5∶1）進行封孔，封孔長度應根據壓裂鉆孔的長度進行確定，具體為鉆孔封孔至5#煤層頂板鈣質頁巖與灰巖交界面或直接封至煤巖交接面，（詳見圖1）。1號孔、3號孔為瓦斯抽放觀測孔，鉆孔密封深度為10米。采用兩堵一注的封孔方式進行封孔，在封孔段的兩端用聚氨酯進行封堵，再通過注漿管對兩端封堵段之間的鉆孔段進行注漿，待漿液固化后，與煤體顆粒固結在一起，有效密封漏氣通道。

2.3 現場壓裂的實施

壓裂實施前，需要對注水壓力、流量、注水時間及壓裂結束條件等主要參數進行估算。

(1)壓裂過程中注水壓力的變化是壓裂進行程度的直觀反映。注水壓力的主要影響因素包括煤層埋深、鄰側抽采孔布置間距兩個因素。根據道清煤礦煤層埋深及壓裂的經驗，在我礦的4層煤進行水力壓裂，抽采孔與壓裂孔間距為8m時，注水壓力控制在13MPa左右。

(2)壓裂時間與注水壓力、流量等參數密切相關。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，高壓水在已溝通的裂隙間流動，注水壓力及流量等參數不斷發生著變化，注水時間根據注水過程中壓力及流量的變化來確定，水力壓裂全過程一般需要4一8小時左右。

(3)壓裂實施過程中，需連續記錄注水壓力和時間，根據現場實際情況，進行調整壓裂孔注水壓力。根據鉆孔設計，此次壓裂孔與鄰側抽采孔間距為8m。當壓裂孔與鄰側抽采孔出現高濃度瓦斯或出水，或注水泵壓不再上升或出現泵壓回落時，立即停泵，壓裂結束。在煤體深部，水力壓裂過后裂隙發育完成，瓦斯通道形成，在抽采負壓的作用下瓦斯由吸附狀態變成游離狀態。而對于水力壓裂孔影響區，煤體內瓦斯由于受到高壓水的驅趕，高濃度瓦斯會積聚在鉆孔內，進行抽采時會出現大流量、高濃度瓦斯。

3 對比與分析

(1）水力壓裂后，由于煤體裂縫的貫通，透氣性增加，抽放濃度明顯增大，通過15天的數據收集與對比，其中2號、4號水力壓力范圍內預抽孔，最高抽放濃度為37.5%，1號、5號水力壓裂范圍外預抽孔，單孔抽放濃度最高為19%，抽采效果提升明顯。

(2)一般的鉆孔瓦斯抽放時，衰減速度快，在抽采6天后濃度、流最迅速下降，而水力壓裂孔在對比觀測的12天內均保持較高水平，通過12天的數據分析根據抽放范圍內抽放量的計算1號、5號非壓裂區域內2個預抽孔抽放半徑內抽采率為13.2%，2號、4號壓裂區域內兩個預抽鉆孔抽放半徑內抽采率為27%，由此判定該區域實施的水力壓裂鉆孔提升了2倍的抽放時間。

4 結語

根據實際檢測水力壓裂前后煤體抽放濃度的對比分析可知，水力壓裂使煤層中的裂隙增大，透氣性增強，提高了抽放效果，使大量的瓦斯被抽出；同時改變了煤體內部應力結構的重新分布，在一定范圍內起到消突的作用，消除了煤與瓦斯突出的隱患；同時經過水力壓裂后的煤體內水分增加，減少了在開采過程中粉塵產生量，改善了井下的作業環境，能有效降低塵肺病的生成機率，并且保證了煤礦企業生產的正常接續和安全生產。

[1]水力壓裂技術手冊作者：俞紹誠.

[2]水力壓裂原理 作者：王鴻勛.

[3]高瓦斯低透氣性煤層水力壓裂增透技術研究《安徽理工大學》閆金鵬.