穿层定向水力压裂技术的应用

路洁心，李 贺

(中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116)

平顶山地区瓦斯自然灾害十分严重，且矿区位于区域构造上的高构造应力区，煤与瓦斯突出灾害是全国最严重的地区之一，矿区所发生的130余次的煤与瓦斯突出，70%都与小构造(小断层、小褶曲)有关。在现有生产矿井中，已有多对矿井先后发生了煤与瓦斯突出现象，随着开采深度和开采强度的增加，瓦斯地质条件和开采条件的变化，矿井所面临的瓦斯突出形式将更加严峻。

1 工作面概况

平煤集团十二矿三水平首采面己15－31010采面位于己七采区东翼，设计走向1 126 m，可采走向长970 m，斜采长 225 m，煤厚 3．35 ～3．95 m，平均3．80 m，煤层容重 1．31 t/m3，煤层倾角 13°～17°，平均13°，采面标高 －720～ －770 m。机巷断面12．6 m2，采用锚网梁+锚索支护，综机回采，回采供风量1 500 m3/min。机巷设计长度1 041 m，标高－770 m，风巷设计长度1 065 m，标高－720 m。根据十二矿示范化瓦斯综合治理规划及瓦斯综合治理需要，机风巷施工前，先施工机风巷的高位瓦斯抽排巷，均沿己14煤层施工，巷道断面均为3．0 m ×2．4 m(宽×高)。机巷高位瓦斯抽排巷与机巷平距40 m，位于机巷下面，设计长度1 034 m;风巷高位瓦斯抽排巷距风巷平距30 m，位于风巷下面，设计长度1 118．7 m。己14煤层厚度0～1．2 m，平均厚度为0．6 m，位于己15煤层上部，距己15煤层 8～12 m。戊组平均厚度6～7 m，位于己15煤层下部，距己15煤层120 m。

2 工业性试验概况及方案实施

在煤层内实施水力压裂技术时，首先在煤层内施工钻孔，再注入高压水。钻孔在高压水的作用下，孔壁破裂，压裂液随破裂面的扩展和延伸，依次进入下一级弱面，最后进入到煤体内部微裂隙。使煤体内瓦斯的弹性能得到释放，瓦斯压力及瓦斯含量降低，煤层透气性增加，减弱或消除煤体的突出危险性。

为确保己15煤层进风巷掘进过程中的安全生产，根据己15－31010工作面布置情况，拟定采用定向水力压裂技术，从时间和空间两方面进行综合治理技术。围绕深部煤与瓦斯突出、掘进速度慢的难题，从穿层水力压裂增透和瓦斯抽采两个方面突破着手，实现己15煤层安全型开采和己15进风巷快速掘进。

2．1 压裂孔压裂

从己14煤层风巷设计下行孔，下行孔经己15－31010风巷上部至己16、己17煤层底部，实施穿层定向水力压裂。定向压裂后，在己14高位巷与己15风巷之间沿巷道走向形成一个卸压面，对下部的己15煤层巷道产生卸压保护作用，见图1。定向水力压裂孔应超前于掘进工作面80 m左右。

图1 己15－31010风巷高位巷定向水力压裂剖面示意图

2．2 定向孔导向控制

穿层定向水力压裂的一个关键技术就是定向孔的导向控制作用。理论上，定向孔的孔径越大，对裂隙的形成、发育和扩展越有利。由于受打钻设备和工艺安全等因素的限制，当孔径达到一定值后，再增加孔径不但提高透气性效果有限，而且会带来诸多不利因素，所以定向孔直径一般在75～100 mm，即可达到导向控制作用的目的。本次现场工业性试验定向孔孔径取89 mm。

2．3 抽放孔抽采

穿层定向水力压裂后，施工抽放孔并将其接入瓦斯抽放系统，对己15煤层瓦斯进行预抽。要求：必须先施工穿层水力压裂钻孔，待压裂项目结束后，方可施工穿层抽放钻孔。

3 施工组织

3．1 施工准备

在压裂之前，确保定向孔已经施工密封完毕。准备作业包含压裂施工前的各项基础设施布置和改进作业。

1)在压裂设备运输前，应对道路、井口、井下巷道及高压管线拐弯处进行勘察，确保所有设备完好可用。

2)摆放压裂设备，连接高压管路流程至孔口。低压管汇集到压裂泵组的供水管线必须用钢丝缠绕胶管，并尽可能减少弯曲。

3)高压管安装并备齐封孔剂和封孔材料等。

3．2 压裂前作业

1)按设计要求，在压裂钻孔内下入压裂管路，封孔并验封合格。

2)仪表监测和控制面板应摆放在操作指挥车内。

3)仪表、防爆微机、压裂泵组及遥控操作台等的调试，由压裂泵组、高压管汇、孔口传送来的信号决定，此信号应稳定可靠，通讯畅通。

4)距离压裂孔10 m内，安设图像、声音传感器等监测仪器。

5)采用静试压方法试压，泵压应达到管路额定工作压力的1．5倍。

3．3 压裂施工

压裂孔封孔完毕后，开泵进行水力压裂。从开始注水到水力压裂措施结束大约需要120 min时间，水力压裂全过程一般需要3～5 h。

4 效果分析

4．1 压裂前后单孔压裂抽放流量对比

5#孔压裂前后流量对比图见图2。

图2 5#孔压裂前后流量对比图

5#考察钻孔距压裂孔5 m，压裂前最大抽放浓度为8%，流量为5．9×10－3m3/min，经7天后衰减为零。压裂后单孔瓦斯抽放浓度到15%，流量达27．8×10－3m3/min，抽放浓度稳定。抽放浓度平均增加了70%，瓦斯流量上升了382%。

4．2 压裂前后煤体含水量变化考察

压裂前通过打钻取样化验煤体原始水分含量为1．1%左右;压裂后距压裂孔每5 m施工一钻孔分别进行取样分析，对压裂前后煤样的内在含水量进行对比，在30～35 m内，得出压裂后煤体水分增加34．5%以上，40～60 m 水分增加较少，为 4．5% ～12．7%。煤体注水湿润，使煤的物理力学性质发生明显变化，煤的弹性和强度减小，塑性增大，从而使巷道前方的应力分布发生根本变化，即随着煤体的湿润，高应力区向煤体深部转移，应力集中系数减小。煤体湿润后，还能使透气性成百上千倍的降低，上述的各种变化，都表明注水湿润煤体，可以降低或消除煤层和掘进工作面处的突出危险。

4．3 压裂对放炮后巷道粉尘浓度的影响

放炮30 min以后，距离工作面5 m处测量粉尘浓度，测量结果见表1。

表1 粉尘浓度测量结果表

实施水力压裂措施后，从煤体内部，即从尘源上进行了治理，放炮后粉尘浓度平均降低58．5%，井下环境明显改善，职工健康得到保证，防尘效果显著。

4．4 压裂前后施工安全性对比

进入穿层定向水力压裂控制区之前，巷道掘进施工过程中：煤炮频繁，喷孔夹钻严重，打钻过程中的钻屑量多，巷道的瓦斯浓度一直处于临界状态，施工受到严重威胁。

进入穿层定向水力压裂控制区之后：煤炮和喷孔夹钻现象明显减少，打钻顺利，工作面瓦斯含量降低。生产中，巷道中的瓦斯浓度一直稳定在0．2% ～0．3%，即使炮后也未超过0．5%，水力压裂后未发生过瓦斯超限事故。

5 结语

1)论述了穿层定向水力压裂的卸压增透机理，并分析了顺层起裂和穿层起裂机理，得出：在原岩应力和高压水压力双重作用下压裂的，其起裂注水压力不仅与组成钻孔围岩的性质相关，还取决于钻孔周围轴向与径向水平应力的大小。总体表现为：在径向上受最弱煤分层的影响，在轴向上则受最弱层理面的控制。

2)理论分析和现场实践表明，穿层定向水力压裂有效发挥了高能动力和水力的优势，并将其有机地结合起来。具有以下优势：a)改变煤体的物理力学性质。b)增加并控制卸压带长度和方向。c)增透。d)防尘。

3)首次把穿层定向水力压裂技术应用在高瓦斯、高应力及低透气性煤层中的煤与瓦斯突出防治方面，并确定了穿层水力压裂的形式：即从己14煤层高位巷道施工下行孔，穿过己15－31010机风巷上部至己16、己17煤层底部，进行穿层压裂;压裂后，布置实施抽采孔，接入瓦斯抽放系统，对下部煤层瓦斯进行预抽。

4)现场工业性试验表明：实施穿层水力压裂技术前后，各项参数和指标明显变化，增强了防突措施的有效性，缩短了防突措施执行时间，达到了良好的卸压增透效果，达到了防治煤与瓦斯突出的目的;软化了硬岩顶板，改善了生产过程中的顶板管理;煤体内部含水量大幅增加，提高了降尘率，改善了工作面作业环境;有效阻止了煤层的自燃发火，对煤矿安全生产及综合治理起到了显著作用。

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