煤矿井下水力压裂技术抽采煤层瓦斯应用及前景

任梅青，沈永红

(重庆南桐矿业有限责任公司，重庆 400802)

0 引言

南桐矿业有限责任公司(以下简称南桐公司)可采的4#、5#、6#煤层随着矿井开采深度增加，各煤层瓦斯含量、突出危险性越来越大，即使原作为保护层开采的弱突出煤层5#、6#煤层也逐步转变为强突出层，且被保护层中也存在煤柱区域。因此，预抽煤层瓦斯成为公司瓦斯治理的主要措施之一。但煤层透气性系数为0.005～0.007 m2/(MPa2.d)，远小于可抽采的0.1 m2/(MPa2.d)，瓦斯抽采效果差。采用卸压增透技术［1，2］已成为煤矿瓦斯治理不可缺少的手段，国内外对于低透煤层常用增透技术主要有水力挤出、水力冲孔、水力割缝和深孔预裂爆破［3－5］，这些方法在南桐公司都曾试用，但存在钻孔工程量大、有效影响范围小、抽采瓦斯时间长、效果差等缺点。近年来，水力压裂增透技术被许多煤矿采用，本文就南桐公司井下水力压裂技术抽采低透煤层瓦斯应用及前景进行分析论证。

1 煤矿井下水力压裂技术原理及应用区域方案设计

1.1 煤矿井下水力压裂技术原理

煤矿井下水力压裂(以下简称水力压裂)，是在井下巷道施工钻孔对目标煤层进行压裂，安全屏障一般在岩层不小于10m，在煤层不小于20m。高压水进入目标层后，优先进入煤体中的弱面割理、端割理，并发生起裂、扩展和延伸，形成主水压裂缝;同时，压力水沿主水压裂缝向两侧原生裂隙内渗透，在原生裂隙的尖端产生拉应力，当拉应力大于尖端次级弱面粘聚力和相应切线方向的原始应力之和时，尖端次级弱面起裂、扩展和延伸，并在次一级尖端弱面继续发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程［6］。原生裂隙的张开和扩展，不仅增加了原生裂隙弱面的空间体积，而且沟通了原生裂隙的连通网络，进而形成以压裂孔为中心的树枝状通道，然后，通过压裂钻孔排水降压后接抽瓦斯。

1.2 水力压裂应用区域方案设计

1.2.1 应用区域概况

南桐公司从2012下半年开始应用水力压裂抽采低透煤层瓦斯技术，随后全面实施，压裂方式以保护层穿层孔为主，另有本层下向孔和被保护层未受保护区域压裂。

东林煤矿2606东4段是第一个试验工作面，属保护层工作面，埋深370～510m，煤厚0.8m，煤层倾角20°，呈半亮型，节理发育，煤体结构类型以Ⅱ、Ⅲ类为主，坚固性系数为0.4～0.5，煤层原始瓦斯压力2.54 MPa，瓦斯含量为16.4 m3/t，煤层透气性系数0.0067 m2/(MPa2.d)，此区域上部水平6#煤层多次发生煤与瓦斯突出。该矿原有煤层瓦斯抽采方式为底板穿层钻孔预抽煤层瓦斯措施，但由于煤层透气性系数低，瓦斯抽采效果差。

1.2.2 压裂应用区域方案设计

东林煤矿2606东4段试验块段走向长240 m，设计3个压裂孔，1#压裂孔主要考虑治理工作面瓦斯，2#、3#压裂孔主要治理工作面机巷掘进条带瓦斯，钻孔布置见图1。

图1 钻孔布置

2 水力压裂工艺流程和实施过程

2.1 压裂工艺流程和封孔方式

水力压裂工艺流程:井下巷道施工钻孔→下专用压裂管封孔→利用高压管将专用压裂泵组与压裂孔连接→向目标煤体注入高压水→利用压裂孔排水降压→接管联网抽采瓦斯。见图2。

封孔方式采用水泥砂浆二次封孔(主要适用于倾斜上向孔)。封孔时先将压裂钢管和注浆管送入孔内预定位置，然后用化学材料将孔口封堵，注入水泥砂浆，发现返浆时立即停止。待水泥砂浆初步凝固并收缩后，再补充注浆，使封孔长度(一般不小于10 m)尽量接近于目标煤层底板。实践证明，压裂过程中钻孔及其周围无渗漏水，封孔效果良好。封孔方式见图3。

图2 工艺流程示意图

图3 压裂孔封孔示意图

2.2 压裂实施过程

东林煤矿2606东4段工作面压裂实施过程:压力在35MPa左右，流量在20m3/h左右，当注水量超过400 m3时，在压裂孔周围，走向半径65 m范围的相邻穿层压裂孔和该区域－140 m抽采巷，施工的穿层预抽孔，倾向方向106 m的多个孔出水，并涌出高浓度瓦斯，停止压裂，打开压裂孔口四通阀，有大量水、煤浆和高浓度瓦斯喷出。压裂作业期间未出现泵组高压水压瞬间快速下降现象。

为确保安全，实施压裂的地点必须形成全负压通风系统，从泵组到孔口以及压裂点回风侧设禁区，视频监控并记录压裂孔及邻近孔情况。

3 压裂实施后瓦斯抽采及效果对比分析

东林煤矿2606东4段工作面压裂工作停止后，利用压裂孔排水联网直接抽采瓦斯，使用φ50孔板流量计对每个孔进行计量。在1#压裂孔以北(－100 m六石门方向)施工了24个瓦斯抽采孔，距压裂孔最近的不到1 m，最远的约30 m，抽采效果不理想，分析其原因是压裂孔压裂时形成了以压裂孔为中心的树枝状压裂通道，但另施工的抽采钻孔难以准确贯通压裂通道，故而瓦斯抽采效果差。

3.1 压裂孔的瓦斯抽采情况

东林煤矿2606东4段工作面压裂孔瓦斯抽采情况见图4。

由图4可知，水力压裂钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采量呈现“波浪形(高位)长时间稳定缓慢下降”的特点。

压裂孔与其它瓦斯抽采孔比较见图5。

由图5可知，压裂单孔的平均瓦斯抽采浓度为85%、瓦斯抽采量150 m3/d，相比于水力割缝单孔和普通抽采单孔平均瓦斯抽采浓度的26%和15%(主要是煤层透气性差且因庞大的钻孔数量而难以保证封孔质量)，分别提高了59和70个百分点;相比于水力割缝单孔和普通抽采单孔平均抽采瓦斯量的7.2 m3/d和1.123 m3/d，分别提高了20倍和133倍。

图4 压裂孔瓦斯抽采情况

图5 压裂孔与其它瓦斯抽采孔的比较

3.2 压裂孔周围瓦斯抽采孔抽采情况

压裂钻孔周围施工的瓦斯抽采孔平均瓦斯抽采情况见图6。

由图6可知，抽采钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采量呈现“高位较快下降到零”的特点，因此在压裂孔周围再施工瓦斯抽采钻孔意义不大。

水力压裂钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采纯流量呈现“波浪形(高位)长时间稳定缓慢下降”的特点。钻孔瓦斯抽采前3周，瓦斯抽采浓度和抽采纯流量保持相对平稳，平均瓦斯抽采浓度和纯流量分别为87%和144 m3/d，这是由于压裂改造在钻孔附近形成了大量高导流能力的水压裂缝，水压裂缝处瓦斯压力梯度大，瓦斯渗流速度大。瓦斯抽采的第3～5周，瓦斯抽采浓度和纯流量均有所降低，这是由于随着抽采时间的增长，水压裂缝附近瓦斯压力梯度减小，解吸瓦斯由较远处扩散－渗流到水压裂缝需克服一定的流动阻力。瓦斯抽采第5周过后，在抽采负压和排水降压作用下，伴随着煤层瓦斯解吸，煤基质发生收缩并沿着裂隙发生局部侧向应变［7－9］，煤基质的收缩造成裂隙宽度增加，煤体的透气性增大，瓦斯抽采浓度和纯流量又开始增加，出现持续的产气高峰期。

图6 瓦斯抽采孔平均瓦斯抽采情况

3.3 南桐公司其它压裂地点瓦斯抽采情况

南桐公司矿井压裂地点瓦斯抽采情况表

3.4 效果对比分析

东林煤矿2606东4段工作面3个水力压裂孔瓦斯抽采555～768天，抽采浓度80～99%，共抽采瓦斯标准纯量274408 m3，单孔平均流量138.24 m3/d，单孔最大瓦斯抽采量92337.6 m3/孔，是该区域水力割缝钻孔(212 m3/孔)的436倍，普通抽采钻孔(162 m3/孔)的570倍。即水力压裂1个孔的瓦斯抽采量相当于水力割缝钻孔436个，普通抽采钻孔570个。这主要是水力压裂孔瓦斯抽采稳定期大大延长，单孔每100天下降约21.6 m3，衰减率约为0.15%/10 d;水力割缝钻孔的稳定期一般为50～70d，衰减率约为20%/10 d。故水力压裂后煤层瓦斯抽采量远大于其它增透技术治理煤层瓦斯抽采量。

2606东4段工作面面积1.7万m2，工作面范围内本煤层瓦斯总含量31.16万m3，压裂抽采后计算残余瓦斯总量为3.72万m3，1.96 m3/t。在工作面沿走向均匀布置7个残余瓦斯含量测定钻孔，直接测试残余瓦斯含量为3.45～5.86 m3/t，远高于计算残余瓦斯量，其原因可能是围岩瓦斯的参与。压裂目标煤层残余瓦斯含量计算和直接实测均低于《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值8 m3/t，证明水力压裂抽采瓦斯防突技术可行。

4 经济效益分析

南桐公司水力压裂技术抽采煤层瓦斯还处于探索阶段，尚有不确定因素，因此水力压裂有效半径目前暂按20 m推广应用，具体的考察工作正在进行。2013年公司瓦斯治理面积67万m2，瓦斯抽采:若施工普通抽采钻孔有效半径是2.5 m，割缝孔有效半径是3.5 m，压裂孔有效半径是20 m;治理面积:普通孔19.6 m2/孔，割缝孔38.5 m2/孔，压裂孔1256.6 m2/孔;按此计算每年南桐公司钻孔(平均28 m/孔)数量，普通孔34184个，钻尺95.7152万m;割缝孔17403个，钻尺48.7284万m;压裂孔534个，钻尺1.4952万m。钻孔施工费用175元/m，包括人工、材料、水电等费用。施工普通孔16750.16万元，割缝孔8527.47万元，压裂孔261.66万元，普通孔、割缝孔后期接管抽采费用与压裂孔接管抽采费用基本持平，但压裂孔后期封孔、压裂费用在9万元/孔，包括人工、材料、水电、压裂专用泵组租赁、维修、保养等费用，因此压裂孔后期封孔、压裂费用一年在4800万元。采用水力压裂技术抽采煤层瓦斯可为南桐公司节约瓦斯治理费用3400万元/年。

5 水力压裂技术应用前景

5.1 作为煤矿区域防突措施可全面推广

对所有保护层进行水力压裂，利用压裂孔进行瓦斯抽采，可以大幅度减少钻孔工程量，瓦斯治理成本大幅下降，抽采效果明显提高。今后，可根据具体情况，优化钻孔密度，改进压裂参数，努力解决瓦斯抽采效果不均匀性问题，准确评判抽采效果，进一步缩短瓦斯抽采达标时间。

5.2 直接对中厚煤层进行水力压裂和抽采

目前，中厚煤层作为被保护层开采，采掘部署受到诸多限制。根据对被保护层水力压裂的试验情况看，如果解决了穿层钻孔过煤喷孔问题，有望实现对中厚煤层的水力压裂，抽采煤层瓦斯，直接开采中厚煤层，实现经济开采。

5.3 抽采煤系地层瓦斯

煤系地层和众多不可采煤层含有大量瓦斯，利用已有的井巷，或新掘少量巷道，对煤系地层进行水力压裂，既可以获取大量的瓦斯资源，又可以减少瓦斯在采掘空间的积聚，改善安全环境。

6 结论

1)煤矿井下水力压裂抽采煤层瓦斯技术，钻孔工程量小，抽采量大、浓度高、达标时间短，瓦斯治理成本低，值得推广。

2)水力压裂技术抽采煤层瓦斯存在不均匀性，局部区域可能出现高瓦斯应力集中区，瓦斯治理效果的评价方法有待进一步研究。

3)水力压裂技术可应用于除保护层以外的其它煤层和含瓦斯岩层。

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