水力压裂综合增透技术研究与实践

宣加文

（淮南矿业集团潘北项目部，安徽 淮南232087）

1 工程概况

矿井深部开采抽采钻孔围岩应力状态日趋恶化，它制约着矿井瓦斯治理的效果以及采掘工作面的高产、高效，同时给矿井安全生产带来很大威胁。

1131（3）煤层瓦斯含量高，煤层透气性差（透气性系数9.16×10－4m2／（MPa2·d），流量衰减系数0.050 9d－1）；施工抽放钻孔数量多会影响生产成本，钻孔数量少达不到瓦斯治理效果；为了解决煤层透气性差，抽放效果不好的问题，与安徽理工大学合作开展提高煤层抽放低透气性研究。

在1131（3）底抽巷采取先压裂后冲孔增透技术后，单元平均抽采浓度75%、百孔抽采纯量1.12m3／min，考察单元的抽采浓度、纯量均大幅提高。

1131（3）底抽巷上距C13－1煤底板最小法距15.2m、最大法距31.0m，下距11－2煤顶板最小法距43m、最大法距83m，12煤发育不稳定、局部缺失。1131（3）下顺槽标高－650m，平均煤厚5.0m，煤层倾角21°～35°，原始瓦斯含量5.86m3／t，瓦斯压力1.8MPa。

2 先压裂、后冲孔增透技术

2.1 压裂钻孔设计

1131（3）底抽巷实验段长270 m，里段135m 受断层影响，穿层钻孔按5m×5m 布置，外段135m 按10m×5m 布置，共设计钻孔340个。里段受方位角为190°，断层面倾角75°，落差为2.8m 的F3x－1及断层和倾角为45°，落差为3～8.6m 断层影响，前后60 m 范围内不布置压裂孔；外段布置4个压裂孔，设计压裂影响半径为15～20m，终孔位于1131（3）下顺槽上轮廓线外5m 位置，钻孔布置如图1所示。

图1 1131（3）底抽巷水力压裂钻孔及穿层钻孔布置平面图

2.2 压裂后冲孔增透

采用BZW－200／56 型乳化泵分别对1＃、2＃、3＃、4＃孔进行了压裂，注水压力为25～31 MPa，压注水量分别为218 m3、370 m3、311m3、223m3，总计1 122m3。压裂钻孔保水10d后，施工抽采钻孔。钻孔施工至终孔点后，先将钻杆退至C13－1煤层内，在过煤段减慢钻进速度，利用矿井静压水（压力6.5MPa）进行反复进退、冲洗，直到孔内返清水为止。

3 水力压裂前后有效影响半径考察

3.1 冲孔段抽采半径

图2 冲孔段瓦斯抽采半径测试孔（G 组）终孔位置示意图

在里段第28组位置施工G组钻孔，考察冲孔段抽采半径，G1、G2、G3、G4、G5 孔布置如图2所示。采用SF6示踪气体法测定冲孔段抽采半径。根据实验结果，在第5和第6 小时后，在G2和G3 孔内测到示踪气体，在第5 天从G4孔内测到微量示踪气体，故冲孔段抽采半径为2.5m。

3.2 水力压裂影响半径

保水10d后，考察压裂后倾向影响半径和走向影响半径。在压裂孔轴线方向施工T3、T4组检验孔，在巷道走向方向上施工T15、T25、T35、T45、T54和T65检验孔，取样测定含水率、瓦斯放散初速度、煤层坚固性系数、煤层孔隙率和瓦斯含量，检验孔布置如图3所示。

图3 水力压裂半径考察钻孔设计图

根据图3检验钻孔煤样含水率测试结果绘制含水量等值线图，如图4所示。根据含水率测试结果，水力压裂有效影响半径为20m。

图4 含水率等值线图

3.3 压裂后抽采半径

选择T45、T53、T54、T55和T65孔作为抽采半径考察孔，采用示踪法对各抽采孔进行SF6采样和考察，考察抽采孔SF6浓度变化趋势实验结果如图5所示。

图5 考察抽采孔SF6浓度变化趋势

T53孔在第34 小时检测到了SF6，随后可以稳定抽采到注入孔的SF6，T53孔在有效抽采范围内；但T45孔和T65孔仅在第98小时和第94小时检测到了SF6，且含量极低，这两个孔不在有效抽采范围内。通过实验可知，实验地点压裂区域内有效抽采半径为6m。

4 冲孔段与压冲段抽采效果考察

钻孔里段采用水力冲孔增透措施，钻孔外段采用压冲增透措施，选取里段第34、32、30组为冲孔段考察单元，外段T1～T3组为压冲段考察单元，主要对抽采浓度、抽采纯量、单元抽采达标时间进行考察。

4.1 抽采浓度考察

抽采7d后，冲孔段单孔平均瓦斯抽采浓度为48%，压冲段单孔平均瓦斯抽采浓度为88%；压冲段钻孔瓦斯抽采浓度衰减缓慢，能够保持较长时间，截止3月31日，单孔平均瓦斯抽采浓度仍保持75%以上，冲孔段和压冲段钻孔瓦斯抽采浓度衰减对比曲线图如图6所示。

图6 冲孔段和压冲段钻孔瓦斯抽采浓度衰减对比曲线图

4.2 抽采纯量考察

抽采趋于稳定后，冲孔段平均单孔抽采纯量为0.005 2 m3／min，百孔抽采量为0.52 m3／min；压冲段平 均 单 孔 抽 采 纯 量为0.011 2 m3／min，百 孔 抽 采 量 为1.12 m3／min；压冲段是冲孔段的2.15倍，具体数据见表1、表2，抽采纯量对比曲线如图7所示。

表1 冲孔段钻孔瓦斯抽采量考察表

表2 压冲段钻孔瓦斯抽采量考察表

图7 冲孔和先压后冲单孔抽采流量对比曲线图

5 结论

预抽达标时间按煤巷条带预抽率25%计算，冲孔段抽采达标需31d，压冲段抽采达标需19d，同比缩短了39%。通过水力压裂，有效抽采半径由2.5m 上升至6m，提高了2.4倍；压冲段平均单孔浓度同比提高了83%，为冲孔段的1.83倍，且能够保持长时间的高浓度。

压冲段百孔平均抽采纯量同比提高了115%，是冲孔段的2.16倍。通过以上对比分析可以明显地看出，采取先压后冲增透技术后，提高了抽采效果，缩短预抽达标时间，减少了钻孔量，节省了材料成本，实现了瓦斯治理经济技术一体化。

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