水力压裂增透技术在鲁班山北矿穿层条带瓦斯治理中的应用

陈兴燚 张尚斌 谢文波 秦江涛 张翠兰

摘 要：为提高鲁班山北矿井下瓦斯抽采效果，在鲁班山北矿142底板巷进行穿层条带水力压裂技术应用，对8号煤层进行水力压裂增透，压裂过程中最大压力达27MPa，单孔最大注入液量273m3。压裂后大幅度提高钻孔瓦斯抽采纯量，抽采纯量提高了5.5倍，压裂影响半径40m以上。结果表明，达到了压裂设计方案要求，增透卸压效果显著，水力压裂在鲁班山北矿是适用的。下一步将进行大面积推广实施，以充分发挥水力压裂增透技术的效果。

关键词：水力压裂技术；瓦斯治理；抽采纯量

中图分类号：TE357.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）20-0085-04

Hydraulic Fracturing and Penetration Technology in

Lubanshan Application in Gas Treatment

CHEN Xingyi1 ZHANG Shangbin1 XIE Wenbo2 QIN Jiangtao3 ZHANG Cuilan1

（1. Chongqing Energy Investment Group Technology Co.， Ltd.，Chongqing 400060；2. Sichuan South Sichuan Coal Company Luban Mountain North Mine，Junlian Sihcuan 645250；3.Chongqing Vocational Institute of Engineering，Chongqing 402260）

Abstract： In order to improve the effect of underground gas extraction in the Luban Mountain North Mine， the hydraulic fracturing technology was applied in the 142 floor lane of Luban Mountain North Mine， and the hydraulic fracturing of No. 8 coal seam was enhanced， the maximum pressure in the fracturing process was 27MPa， and the maximum injection liquid of the single hole was 273m3. After fracturing， the net volume of borehole gas drainage was increased drastically， and the pure volume of extraction increased by 5.5 times， and the influence radius of fracturing was more than 40m. The results showed that the fracturing design met the requirements and the effect of enhancing permeability and relieving pressure was remarkable. The hydraulic fracturing was suitable for Lubanshan North Coal Mine. The next step will be large area promotion and implementation， so as to give full play to the effect of hydraulic fracturing technology.

Keywords： hydraulic fracturing technology；gas treatment；extraction purity

1 煤層概况

2010年以来，重庆地区开始在矿井中试验水力压裂增透技术。经过几年的发展，该技术已成为一项瓦斯治理的常规化手段[1，2]。

目前，水力压裂技术被大量应用于煤矿井下煤层增透，有效提高了瓦斯治理效果[3-5]。为解决鲁班山北矿存在的瓦斯治理难问题，对煤层实施水力压裂增透，大幅增强了煤层的透气性，提高了瓦斯抽采效果，从而缩短抽采时间、减少钻孔工程量。为了确保矿井安全生产，选择在142底板道穿层钻孔进行水力压裂，力求提高穿层条带煤层的瓦斯抽采量，改善因瓦斯制约而影响安全生产的被动局面，并将这一压裂增透技术在四川煤矿瓦斯治理中推广运用。

鲁班山北矿设计生产能力为900kt/a，属中型矿井。该矿井为高瓦斯矿井，煤层全区稳定可采，平均可采厚度为2.2m。中厚煤层为8号煤层，采用综合机械化开采。对于全区不稳定的局部可采薄煤层，即2号、3号煤层采用炮采方式，利用分区式通风系统。

鲁班山北矿通过142底板巷道瓦斯抽放8号煤层，解放条带。8号煤层埋深330m，煤层厚度为2.82～5.7m，煤层平均厚度为3.87m。煤层较稳定，全区可采，顶板主要为砂岩或泥质岩、砂岩类组合，有一层0.02～0.20m的伪顶。底板个别地方为砂岩，其他由泥质岩组成。

8号煤层瓦斯含量为25.55m3/t，坚固性系数f为2～4，煤层走向180°，平均倾角21°。

2 压裂设备选型及关键参数确定

2.1 压裂泵组选用

目前，常用的压裂泵组有BRW200-31.5乳化液泵组、CBYL400型压裂泵组。BRW200-31.5乳化液泵组，该泵电机功率为125kW，额定压力为31.5MPa，最大流量为12m3/h。该泵的缺点是流量小，不能满足规模压裂的液量供给，重庆地区的水力压裂多选用BRW200-31.5型压裂泵组。

CBYL400型压裂泵组，该泵电机功率为400kW，对应相应的档位压力为16.5～50MPa，流量17.6～70.5m3/h。该泵组具有流量大、体积小、智能化程度高等优点。经选型及工况对比，本次采用CBYL400型压裂泵组[4]。

2.2 压裂参数确定

根据煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律，结合鲁班山北矿的现场煤层赋存情况，在142底板巷布置3个压裂钻孔，1#和2#孔间距100m，2#和3#孔间距80m，钻孔倾角15°，钻孔穿透8号煤层，终孔于8号煤层顶板0.5m，钻孔开孔孔径为Ф94mm，终孔孔径为Ф75mm，封孔采用砂浆水泥封孔，封孔管前端布置2根筛管，其余为内径Ф38mm的钢管。

根据郭臣业和覃乐等提出[5]的计算方法，通过142底板道的埋深、岩体抗拉强度、目标方向角和预压裂的有效半径（50m）等参数综合计算，压裂孔破裂压力为19.6MPa。若有效半径为50m，压裂层需压入水量175m3；若有效半径为40m，压裂层需压入水量140m3。CBYL400型压裂泵组3档运行，即可满足压裂要求。

3 压裂及抽采效果

3.1 压裂过程及影响范围分析

3.1.1 压裂过程。2016年3月31日至2016年4月15日，分别对1—4#压裂钻孔进行水力压裂，具体压裂情况如下。

1#钻孔压入水量132m3、最大压力16MPa，压裂后进入142底板道。通过观察发现，距1#钻孔以外80m处有一个钻孔出水，钻场口的抽放人工放水桶放出的水发黑，有煤粒，现场决定停止压裂，压裂曲线如图1所示。

2#钻孔分3次压裂，共压入水量273m3，最大压力24.5MPa，压裂后进入142底板道。通过观察发现，2#压裂钻孔前后30m范围巷道吊渣严重。3次压裂曲线如图2、图3和图4所示。

3#钻孔压入水量为70m3，最大压力为15.3MPa，压裂后进入142底板道。通过观察发现，3#钻孔周围巷道顶板多处吊渣、多处锚杆出水，并与4#压裂钻孔压通。压裂曲线如图5所示。

4#钻孔进行了2次压裂，第一次于2016年3月31日进行，压裂压入水量150m3、最大压力14.2MPa。经研究决定，于2016年4月15日对4号压裂孔进行了重复压裂，压裂压入水量16m3、最大压力27MPa。通过观察发现，与3号钻孔沟通，3号钻孔出水明显增大。经现场讨论，决定停止压裂。共压入水量166m3、最大压力27MPa。压裂曲线如图6和图7所示。

各钻孔压入水量及压力情况见表1。

3.1.2 压裂影响范围分析。各孔的压裂影响范围可通过以下两方面来判定[6]：一是压裂过程中附近钻孔及巷壁的出水情况；二是压裂区域内抽采钻孔施工过程中的见水情况。

3.1.2.1 各钻孔压裂过程中的压裂出水情况。各钻孔压裂过程中压裂出水情况如下。

①1#钻孔压裂情况。1#钻孔压入水量132m3、最大压力16MPa。压裂后观察发现，距1#钻孔80m处有一个钻孔出水，钻场口的抽放人工放水桶水放出的水发黑，有煤粒出来，而压裂过程中未与2#钻孔沟通。经现场决定，停止压裂。

②2#钻孔压裂情况。2#钻孔分3次压裂，共压入水量共273m3、最大压力24.5MPa。通过观察发现，2#压裂钻孔前后30m范围巷道吊渣严重，经现场决定，停止压裂。未与3#和1#钻孔沟通。

③3#钻孔压裂情况。3#钻孔压入水量70m3、最大压力15.3MPa。通过观察发现，3#钻孔周围巷道顶板多处吊渣、多处锚杆出水，并与4#压裂钻孔压通。经现场决定，停止压裂。

④4#钻孔压裂情况.4#钻孔进行了2次压裂，第一次于2016年3月31日进行，压裂压入水量150m3、最大压力14.2MPa；经研究决定，于2016年4月15日对4号压裂孔进行了重复压裂，压裂压入水量16m3、最大压力27MPa，与3号钻孔沟通，3号钻孔出水明显增大。经现场决定，停止压裂。共压入水量166m3、最大压力27MPa。

3.1.2.2 抽采钻孔见水情况。压裂区域内，在抽采钻孔施工过程中发现，所有抽采钻孔见煤层时均大量含水，并造成钻孔施工过程中风排粉穿煤困难。

3.1.2.3 影响范围判定结果。判定本次压裂的影响范围，通过压裂时出水情况分析可知，1#压裂钻孔向东80m的钻场有一个钻孔出水，钻场口的放水桶里放出的水是黑的，有煤粒出来；2#压裂钻孔前后30m范围有吊渣现象，前后20m有渗水现象；3#钻孔周围巷道顶板多处吊渣、多处锚杆出水，并与4#压裂钻孔压通；4#压裂钻孔与3号钻孔勾通，3号钻孔出水明显增大。

3.2 抽采效果

3.2.1 瓦斯抽采情况。各钻孔水力压裂完成后，立即对其进行排水，待孔内水量变小后接入抽采系统进行抽采。由于压裂孔有一个排采过程，经现场观察，压裂孔内正压瓦斯明显减少，因此决定在压裂区域进行打孔抽采，于5月上旬共施工了21个抽采观测钻孔，并进行投抽工作。在现场使用“V”锥校正仪进行各参数测定，具体见现场测定情况见图8、图9和图10，压裂区域钻孔投抽流量统计情况见表2。

3.2.2 瓦斯抽采效果对比分析

3.2.2.1 压裂区域内抽采效果。通过分析压裂区域内抽采钻孔的抽采情况可知：压裂区域内抽采钻孔的平均单孔抽采纯量连续4个月内均呈现出稳中带升的趋势，压裂区域内抽采钻孔平均单孔抽采纯量为0.120 9m3/min。

3.2.2.2 非压裂区域钻孔抽采效果。整个矿井普通抽采钻孔的抽采纯量以矿井实际周报表情况（2015-05-19—2015-05-25）为0.020 59m3/min。

从142底板道始抽至2016年8月15日共统计了88周数据情况计算，142底板道非压裂区域钻孔抽采纯量为0.021 9m3/min。

由以上抽采情况分析可知，142底板道压裂区域内的平均单孔纯量是0.120 9m3/min，非壓裂区域内抽采钻孔的平均单孔抽采纯量是0.021 9m3/min，即压裂区域内抽采钻孔的平均单孔抽采纯量是非压裂区域的5.5倍。

4 结论

①对鲁班山北矿142底板道8号煤层实施水力压裂，压裂孔的影响范围半径可达40m以上。

②压裂区域内抽采钻孔的平均单孔抽采纯量是非压裂区域单孔抽采纯量的5.5倍。

③现场应用表明，水力压裂在鲁班山北矿是适用的、可行的。

④通过142底板道条带水力压裂增透的实施，各项指标达到了现场压裂要求，增透抽采效果显著。但由于本次施工孔数较少，各孔之间存在差异。下一步进行大面积推广，以充分发挥水力压裂增透技术的效果。

参考文献：

[1]余模华.煤矿井下高压水力压裂安全技术标准（审查修改稿）[S/OL].（2014-08-24）[2018-06-01].http：//www.doc88.com/p-5304125392928.html.

[2]李栋，郭臣业，黄昌文，等.煤矿井下穿层水力压裂钻孔布置优化分析及应用[J].矿业安全与环保，煤炭科学技术，2015，（5）：63-67，75.

[3]袁志刚.煤岩体水力压裂裂缝扩展及对瓦斯运移影响研究[D].重庆：重庆大学，2014.

[4]覃道雄，朱红青，张民波，等.煤层水力压裂增透技术研究与应用[J].煤炭科学技术，2013（5）：79-81.

[5]郭臣业，覃乐，李栋，等.地应力及原生裂隙对水力压裂起裂方向和起裂压力的影响[J].煤矿安全，2015（12）：161-165.

[6]郭臣业，沈大富，张翠兰.煤矿井下控制水力压裂煤层增透关键技术及应用[J].煤炭科学技术，2015（2）：114-118，122.