复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术研究*

贾同千，饶　孜，何庆兵,，宋润权，白　鑫

(1.重庆大学 资源及环境科学学院，煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030 ； 2.川煤集团芙蓉公司白皎煤矿，四川 珙县 644501)

0　引言

我国大部分高瓦斯突出煤层属于低透气性煤层，煤层瓦斯抽采技术难度大、成本高[1-3]。因此，学者们提出了水力压裂、水力割缝、水力冲孔等强化瓦斯抽采技术，进一步提高煤层透气性，使煤层瓦斯进一步解析，减少瓦斯赋存，提高瓦斯抽采量，实现煤矿安全高效生产[4-6]。唐书恒等[7]运用数值模拟的方法研究了地应力对水力压裂的影响。邓广哲等[8]通过对9块大型煤样进行水力压裂实验，研究了水压裂缝发育过程中的各项参数，为控制水压裂缝发育提高科学依据。沈春明等[9]运用数值模拟与相似模型实验研究了割缝前后煤体的渗透性变化。林柏泉等[10]利用FLAC软件研究发现水力割缝可有效消除“瓶塞效应”，提高抽采钻孔的抽采半径。

白皎煤矿为全国有名的极难抽采煤层高突出危险矿井，煤层透气性极低、瓦斯含量高、瓦斯压力高、地质构造复杂，为此，该矿采取多种治理措施取得一定成果，但并未满足该矿实际生产需要。特别是在煤巷掘进过程中发生数次煤与瓦斯突出与瓦斯超限事故，严重影响了正常生产。

因此，针对这一情况，综合使用水力压裂与水力割缝2种技术，不仅解决了煤巷掘进过程中遇到的瓦斯超限和煤与瓦斯突出问题，也为之后的回采工作创造了有力条件。同时提出了以水力压裂为主，水力割缝为辅并与瓦斯抽采相结合的瓦斯治理技术，为治理低渗高地应力煤巷条带瓦斯提供了一种新的途径。

1　复杂地质低渗煤层水力压裂—割缝综合瓦斯增透技术原理

水力压裂与水力割缝这2种水力化措施均存在各自的优缺点：水力压裂作用范围大效果好，但由于煤层地质条件的影响水力压裂裂纹方向不易控制，压裂影响范围大并不均匀易存在“盲区”，适用于区域化瓦斯增渗；而水力割缝定位精准能够对煤层的局部进行快速有效的割缝作业，从而实现煤层瓦斯问题的快速治理，可以作为水力压裂的有力补充，但是水力割缝的影响范围较小，适用于局部瓦斯增渗。因此可以综合运用这2种水力化技术，取长补短，以提高煤层瓦斯问题的综合治理效果。复杂地质低渗煤层水力压裂—割缝综合瓦斯增透技术体系如图1所示。

图1　复杂地质低渗煤层水力压裂—割缝综合瓦斯增透技术体系流程Fig.1　The complex geology of low permeability coal seam hydraulic fracturing-slotted comprehensive gas permeability increasing technology

根据水力压裂与水力割缝的特点，针对复杂地质条件低渗煤层提出复杂地质低渗煤层水力压裂—割缝综合瓦斯增透技术。即结合煤层地质资料以及瓦斯赋存资料，对该煤层进行区域瓦斯抽采达标检验或根据准备巷道掘进、回采过程中瓦斯是否超限，确定瓦斯含量未达标区域。并对该瓦斯含量未达标区域进行穿层水力压裂作业，从而迅速提高该区域煤层的渗透性以及瓦斯抽采的效果。

水力压裂施工完成后，对抽采孔的抽采效果进行考查，确定抽采效果欠佳的区域作为水力压裂“盲区”，掘进、回采过程中瓦斯超限也作为“盲区”，使用水力割缝局部增透强化抽采，从而使煤层局部瓦斯含量迅速降低，达到相应作业要求。

通过使用复杂地质低渗煤层水力压裂—割缝综合瓦斯增透技术，不仅能使区域煤层瓦斯问题得到有效治理而且对于煤层内部由于地质构造造成的局部瓦斯问题也有较强的针对性，从而提高复杂地质条件下低渗煤层瓦斯问题的治理水平。

2　试验地点条件

试验地点位于白皎煤矿B4煤层2382工作面，工作面走向长度约392 m，煤层坚固性系数(f)为2～4，煤层走向275°，煤层倾向185°，倾角13～23°，平均倾角16°。其中B4煤层瓦斯含量平均为12.412 43/t，瓦斯含量系数为7.69 m3/(t·MPa0.5)。

白皎煤矿井田范围内存在白皎背斜、巡场向斜、青山背斜，发现地面断层10条，隐伏断层11条，煤矿生产揭露落差大于2 m的隐伏断层千余条。煤系地层中众多的小断层造成煤层在短距离内局部重复、缺失或增厚、变薄。同时，煤层埋深大，地应力大，煤层内部节理裂隙发育。复杂的地质条件导致矿井瓦斯超限、煤与瓦斯突出等瓦斯灾害异常严重，建矿至今已发生煤与瓦斯突出231次，年均突出达5.12次。

3　水力压裂瓦斯增透技术应用及效果分析

水力压裂是通过将高压水注入煤层钻孔中，当高压水的压力达到煤层起裂压力时，在钻孔周围会产生裂缝。随着高压水的不断注入裂缝不断发育扩展，最终在煤层中形成完整的裂缝系统，从而提高煤层的渗透性。由于其较好的增透效果，水力压裂在煤矿中的应用日益广泛。

3.1　水力压裂钻孔布置方式

为了考查水力压裂的区域性增透效果，在2382工作面的238底板巷布置了3个压裂孔，孔间距控制60 m，钻孔倾角47°，钻孔穿透两层煤体，终孔距煤系最上煤层B4顶板0.5 m，压裂钻孔施工完成后立即封孔。钻孔施工布置如图2所示。

图2　钻孔施工布置Fig.2　layout of drill hole construction

3.2　压裂压力的确定

地应力不仅影响煤层的渗透性而且在水力压裂过程中还影响着压裂裂缝的起裂与发育。为有效计算水力压裂参数，提高水力压裂效果，在238底板道运用套孔应力解除法测定地应力[11]，确定主应力大小和方向(见表1)。

根据拉应力准则，破裂压力的确定依据公式为[7,12-15]：

pf≥3σ3-σ1+T

(1)

式中：σ1，σ3分别为最大、最小水平主应力；T为煤体抗拉强度，MPa，取1.6[16]。

表1　地应力计算结果

注：地应力分量以大地坐标系为参考，大地坐标为Z轴向上，Y轴向北，X轴向东，主应力方位由北起顺时针计算，倾角上倾为正、下倾为负。

经(1)式计算得此次井下钻孔水力压裂破裂压力为27 MPa。考虑到煤层裂隙发育以及煤层含水的影响，实际破裂压力会少于此值。

3.3　水力压裂实施过程

水力压裂工作分3次实施，压裂顺序依次为3#压裂孔、2#压裂孔、1#压裂孔。各压裂孔压力数据及压裂时间[16]如表2所示。

表2　各孔压裂数据

3.4　压裂效果分析

3.4.1裂缝延伸方向及影响范围分析

根据水力压裂后巷道周边的出水情况，可以判断1#压裂孔的影响范围为从1#孔向压裂区外延伸了80余米，向区内2#孔方向仅有少量延伸；2#钻孔向3#钻孔方向延伸已影响至3#孔，即影响范围达60 m，但2#孔未和1#孔联通。可以看出其压裂发育分布不均匀，裂缝主要沿着煤层走向即垂直于最小水平主应力的方向上发育。

水力压裂后，在压裂范围内施工穿层抽采钻孔时发现，所有钻孔均有水流出，结合理论计算的压裂影响范围综合分析可知，1#压裂孔的影响范围为以向外延伸为主的不规则的形状。2#压裂孔与3#压裂孔的影响范围为1#压裂孔向内20 m开始到3#压裂孔向里30 m止的区域。图3为水力压裂影响范围示意图。

图3　水力压裂影响范围示意Fig.3　Schematic diagram of water drilling in the coal seam after fracturing

由于3#压裂钻孔抽采瓦斯流量远小于其他2个压裂孔，没有达到预期效果，决定对3#压裂孔进行二次压裂。对3#压裂孔进行二次压裂时出现压力急剧上升至47.6 MPa而无法压入的异常情况，因此立即停止了压裂作业。分析由于该区域煤层底板为黏土岩，遇水会发生形变，且压裂管上的筛眼较小，该钻孔进行第一次压裂后，回流的煤泥水已将多数筛眼以及煤体中的裂隙堵塞，从而造成了瓦斯抽采量小且无法压入的情况。该孔的压裂情况证明白皎煤矿238底板道区域的岩性不适合进行反复压裂。

3.4.2压裂钻孔瓦斯抽采效果分析

表3为压裂钻孔与238底板道常规穿层抽采钻孔瓦斯抽采参数。1#压裂孔抽采瓦斯浓度较238底板道常规穿层钻孔瓦斯抽采浓度提高2倍，抽采纯流量提高12倍。2#压裂孔抽采瓦斯浓度低于238底板道常规穿层钻孔瓦斯抽采浓度，但其日抽采纯流量较238底板道常规穿层钻孔瓦斯日抽采纯流量提高2.6倍。结合压裂钻孔施工情况：2#压裂孔穿煤深度为1.5 m，而1#压裂孔穿煤深度为6 m。该区域存在地质构造煤层赋存变化较大，使水力压裂裂缝发育不充分，造成区域内局部瓦斯含量低。3#压裂孔由于进行二次压裂，抽采瓦斯浓度与238底板道常规穿层钻孔瓦斯抽采浓度持平，抽采纯流量低于238底板道常规穿层钻孔瓦斯日抽采纯流量。

表3　瓦斯抽采参数

压裂结束后，将压裂孔连入抽采系统并对其抽采情况进行监测。图4分别为1#、2#、3#压裂钻孔的瓦斯日抽采浓度变化图和日抽采纯量变化图。

图4　1～3#孔瓦斯抽采浓度及纯量变化曲线Fig.4　Variation curve of gas drainage concentration and purity in 1-3# hole

由图4可以看出： 1#压裂孔瓦斯抽采量呈现出稳定上升趋势，瓦斯抽采浓度及流量均较238底板常规道穿层抽采钻孔有较大的提高，且瓦斯浓度及流量衰减较小，压裂后瓦斯抽采钻孔存活时间较长。由于2#压裂孔所处区域存在地质构造并且煤层赋存变化较大，影响了水力压裂裂缝发育，使 2#压裂孔瓦斯抽采浓度及流量均低于1#压裂孔。但2者具有类似的特征，即瓦斯抽采浓度及流量稳定时间长，瓦斯抽采衰减慢，瓦斯抽采钻孔存活时间长。3#压裂孔由于二次压裂，使煤层渗透率降低，造成瓦斯抽采纯流量偏低。压裂区域内抽采钻孔平均抽采浓度58.6% ，钻孔平均单孔抽采纯量约为34.94 L/min。对比白皎煤矿日均单孔瓦斯抽采浓度计流量。说明水力压裂区域化瓦斯增渗技术适用于区域增渗，具有较好的效果。

由3个压裂孔的瓦斯抽采参数和图2 水力压裂影响范围示意图可以看出：水力压裂区域化瓦斯增渗技术在复杂地质条件下存在压裂效果不均匀，压裂裂缝发育不充分等不足，不能很好的适应复杂地质条件。该矿水力压裂实施后2372机巷掘进过程中，掘进迎头区域仍发生了瓦斯超限事故，这是由于压裂裂缝发育不均匀，存在“盲区”。因此在实施水力压裂区域化瓦斯增渗技术时需要增加一种局部化处理措施，即对水力压裂存在的盲区进行增渗，强化抽采。而水力割缝能够对煤层的特定位置进行割缝，强化抽采，具有定位精准的特点，是水力压裂区域化瓦斯增渗技术的有效补充。

4　水力割缝瓦斯增渗技术应用及效果分析

水力割缝是利用高压水对钻孔周围的煤体进行切割并将切割的煤屑排出孔外，从而在煤层中形成一个圆饼形的缝槽，增加煤层的暴露面积，促进瓦斯的解析；同时由于地应力的作用，缝槽附近的煤体发生位移，在煤层中形成新的裂隙，为瓦斯的运移提供新的通道。

4.1　水力割缝钻孔布置方式

水力割缝钻孔共8组，开孔位置位于237底板道，间隔5 m，每组4个钻孔，终孔位于B4煤层2372机巷掘进东碛头处。每个钻孔割缝完工后立即封孔并及时投抽。水力割缝钻孔布置如图5所示。

图5　水力割缝钻孔布置Fig.5　Hydraulic slotting borehole layout

4.2　水力割缝效果分析

在实施水力割缝工作前对割缝孔的瓦斯抽采情况进行监测，用以确定割缝效果。割缝期间1#、2#孔的抽采浓度及纯流量如图6所示(由于篇幅有限只列举1#、2#监测孔)。

图6　1#、2#孔瓦斯抽采浓度及纯量变化曲线Fig.6　Variation curve of gas drainage concentration and purity in 1#， 2# hole

水力割缝后，割缝孔瓦斯抽采参数较割缝前均有一定提高，同时割缝增透区内抽采钻孔瓦斯浓度平均提高4.9倍，瓦斯纯流量平均提高3.3倍；但瓦斯抽采有效期较短约为20 d。

对比表3中的水力压裂孔抽采参数可以看出割缝孔的瓦斯抽采流量及浓度较小，这是由于水力割缝半径仅为0.4 m，割缝影响范围有限导致游离瓦斯含量低，仅适用于局部增渗。

5　结论

1) 3个压裂钻孔平均瓦斯抽采纯流量较238底板道常规抽采钻孔单孔瓦斯抽采纯流量提高了15.8倍，瓦斯抽采浓度提高4%，压裂区瓦斯抽采纯流量较对比区提高2.1倍；水力割缝增透区内抽采钻孔瓦斯浓度平均提高4.9倍，瓦斯纯流量平均提高3.3倍。

2)水力压裂具有影响范围大瓦斯抽采时间长、抽采量大的特点，适用于区域瓦斯治理但对复杂地质条件的适应性较差；而水力割缝的特点是割缝位置精确可控、抽采有效抽采时间短，对不同地质条件均有较好的适应性，适合用于对局部瓦斯问题进行快速有效治理。

3)复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增渗技术，不仅可以用于区域煤层瓦斯治理，而且对于局部瓦斯问题如：煤巷掘进遇到的煤与瓦斯突出、瓦斯超限等也有较好的治理效果，全面提高了复杂地质煤层的瓦斯治理水平，同时也为之后的回采工作打下坚实基础。

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