煤矿瓦斯治理中水力压裂技术的应用

赵春

摘要：针对煤矿瓦斯治理中水力压裂技术的应用进行分析，介绍了煤炭瓦斯治理中，水力压裂技术，同时还分析了该技术的应用原理，探讨了水利压裂技术在煤层瓦斯治理中的应用，内容有：提升煤层的透气性、消除煤层瓦斯突出危险性、改善煤体强度、平衡地应力等。最后结合实际案例，阐述了在煤层使用水力压裂技术所达到的效果。希望通过对这些内容的分析，能够为煤矿瓦斯治理中水力压裂技术的应用提供一定帮助。

Abstract： This paper analyzes the application of hydraulic fracturing technology in coal mine gas control， introduces the hydraulic fracturing technology in coal gas control， and also analyzes the application principle of the technology， and discusses the hydraulic fracturing technology in coal seam gas control. Applications include： improving the permeability of coal seams， eliminating the risk of coal seam gas outburst， improving coal body strength， and balancing ground stress. Finally， combined with the actual case， the effect achieved by using hydraulic fracturing technology in coal seams is expounded. It is hoped that through the analysis of these contents， it can provide some help for the application of hydraulic fracturing technology in coal mine gas control.

关键词：煤矿瓦斯治理；水力压裂技术；媒体强度；煤层透气性

Key words： coal mine gas control；hydraulic fracturing technology；media strength；coal seam permeability

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0204-02

0 引言

瓦斯事故煤矿事故中所占比例较大，一旦发生，人员伤亡严重，经济损失巨大。为了避免煤矿瓦斯事故发生，需对瓦斯进行抽取。使用水力压裂技术，能够有效提高煤层的透气性，能够提升瓦斯的抽取效率，因此值得广泛应用。

1 煤炭瓦斯治理中，水力压裂技术概述

通常情况下，不同大煤矿在针对突出的煤层进行具体的采集过程中，均会借助一定的方法针对突出的煤层进行预防，避免发生事故。在我国，存在大部煤矿瓦斯突出的煤层的透气性均相对较差，在这种情况下就导致煤层的瓦斯抽采受到不良影响，出现诸多技术上的问题。因此，一定要对煤层进行减压和具体的增压透气性处理，其内容主要有：对煤层进行注水，针对煤层的保护层进行开采，同时对深孔进行爆破，对这些方式和技术进行具体应用，在进行具体的煤层开采过程中虽然起到一定的效果，打那是还是存在一系列的问题。

例如，对煤层保护层进行开采过程中，即便煤层群减压效果相对较好，但是针对较为单一的、透气性比較差的煤层而言，起到的作用并不是很大。进行多种试验发现，对水利压裂技术进行应用，能够有效解决上述问题[1]。

2 水利压裂技术的应用原理

对于水力压裂技术来说，主要是将大批量含有砂子的高压水或者其他一些液体灌输到煤层当中，从而促使煤层产生一定的裂痕，当其中产生孔隙之后，砂子会停留在这些孔隙之中，这些砂子起到一定的支撑作用，能够避免孔隙被再次封堵，能够在一定程度上提高煤层的透气性，这就为瓦斯的抽采提供了一定的方便。

当煤产生过程中，经常会出现比较多的裂缝和孔隙，但是地质情况和煤的质变情况，促使孔隙之间的畅通情况存在不一致现象，这就对煤层的透气效果产生一定影响。技术人员采用煤层打钻的方式，针对含有砂子的高压水或者其他液体实施相应的水利压裂，这些高压水在煤层当中持续的流淌。水是无法进行压缩的，这些高压水逐渐增强，促使煤层的内部产生一定的高压支撑力。这种情况下，就会促使煤层的弱面在裂缝中产生，通过这种方式，能够有效避免裂缝再次愈合。通过这一系列的操作，会促使煤层之间的缝隙足够畅通[2]。

3 水利压裂技术在煤层瓦斯治理中的应用

3.1 提升煤层的透气性

将煤层作为对象，开展相应的水力压裂操作，通过这种方式，能够为煤层制造出更多的裂隙，这种情况下，还可以促使煤层的裂隙长度得到大幅度提升，并且为煤层提供较为理想的透气性。

3.2 消除煤层瓦斯突出危险性

可以在煤层当中注入适量的水，这样便可以在基质块当中储存的瓦斯进行封闭处理，对瓦斯状态进行改变，从容促使其从吸附状态改变为游离状态，这就意味着煤层当中的瓦斯残留量得到大幅度增加，进一步对瓦斯涌出量进行适当的降低，并且进行有效控制。例如在煤矿当中使用水力压裂技术之后，实施相应的采煤作业过程中，能够有效降低瓦斯涌出量，占据直接使用采煤方式的45.3%。与此同时，还进一步实现了对瓦斯放散初中速度的有效降低，总而言之在一定程度上促使煤层瓦斯突出的危险性被有效消除[3]。

3.3 改善煤體强度

如果煤体层在原生结构位置，这时煤体的强度一般相对较硬，对其采用水压裂技术进行处理，可以促使煤层之中的含水饱和度得到进一步提高，并且能够不断降低煤体单轴的抗压强度以及抗拉强度等，这种情况下，就能够为煤层的实际开采提供较大的方便。

3.4 平衡地应力

在对煤矿进行具体开采过程中，借助水利压裂技术可以促使煤层所对应的应力场得到明显的强化，相应区域内实现均一化效果，以避免在某一个点或者某一个方向上出现过大的应力集中现象，从而有效平衡应力，对于瓦斯突出现象来说，具有较大的帮助。

3.5 降低瓦斯压力

在煤层当中，瓦斯压力场多呈现出非均匀状态分布的，在相邻的煤层之间，瓦斯压力场有可能存在较为显著的差异，而瓦斯的能量过度集中，如果被无意的揭露，其能量则会在较为短暂的时间内向外剧烈释放，进而引发比较严重的安全事故。借助水力压裂技术后，所形成的裂隙有可能会让瓦斯在煤层当中从高压区逐渐向低压区传输，最后促使瓦斯压力效果被降低。

3.6 降尘

在煤层当中使用水利压裂技术，因为煤层当中裂隙的存在以及不断延伸，这种情况下的水会逐渐向其中流入，这样在煤炭的具体采掘过程中，在相应的巷到内煤尘的浓度会得到大大降低，这种情况下能够改善一线矿工作业环境，也可以有效减少职业病的产生，还可以避免出现井下煤尘爆炸的事故发生。这种情况下，能够确保煤矿安全生产，并且具备较为积极的现实意义。

4 煤矿瓦斯治理中水力压裂技术的应用

4.1 “三软”煤层水力压裂应用实例

以某煤矿集团为例，该矿井为瓦斯突出矿井，其中媒体的坚固性系数在0.15-0.30逐渐，而煤层透气性相对较差，因此该煤矿属于瓦斯比较难抽放的“三软”煤层。

在2015年在该煤矿的A 工作面底抽巷为其实施12孔次压裂施工，在其中注入44-86m3/次的水量，技术人员将施工压力控制在17-30MPa之间。而在4#钻场压裂之后，与其相隔60m的0#钻场瓦斯抽采情况得到好转，也在一定程度上提升了抽采效率，由此可见，压裂能够对60m开外的抽采孔产生影响。在对其进行压裂之前，瓦斯的抽采数据如表1所示。

经分析可得，该煤矿未压裂区每个月的平均掘进进度为42.9m，当进入到压裂影响区域之后，每个月的平均掘进进度为56.5m，由此可见，平均掘进进度得到明显提升。机巷未压裂区域，每个月的掘进度可达48.1m，该地的掘进进度高了29.6%。由此可见，采用水利压裂技术，对于煤矿瓦斯抽采、掘进进度的提升起到极大的促进作用。

4.2 在区域消突中的应用

以某煤矿为例，从2014年以后，在B机巷和C机巷分别进行了10次的水利压裂施工，进行压裂之后，促使瓦斯抽采以及消突的效果达到预期目标。其中压裂所影响的半径达到30m之多，而在B机巷当中，抽采的半径从原有的2m提高到现在的3m以上。瓦斯的平均抽采其从原有的30d以内，提高到了当前的110d以上（抽采瓦斯的浓度在30%以上）。

在C中巷当中，进行压裂之后，钻场的抽采总量一共增加了5倍以上，而B机巷的压裂区域中所残留的瓦斯含量和压力均顺利下降到了安全安全值以下，比原有瓦斯压力和瓦斯含量低，在相同抽采时间内抽采总量和原来相比，提高了2-5倍，抽采效率也得到了显著提升，比原来提高了50%以上。

在B机巷当中，掘进工作面压裂之后，在预抽期的10d 以上缩短到现在的7d，其抽采量同比增加，区域瓦斯的预抽率在50%，在具体的掘进过程中，没有进行超限、区域瓦斯的浓度得到进一步降低，防突效检指标没有超标，促使掘进的实践得到有效延长，促使掘进进度得到大大提升。

在C中巷，压裂之后的媒体得到充分卸压，而压裂的单孔卸煤6t，在C中巷当中的2#压裂孔一共压出细粒煤粉3t多，而在4#压裂孔一共压出细粒煤粉6t多。相应技术人员进行详细计算之后，发现控制区域内的煤体卸压率为4.8%，比保护层开采卸压率3‰的要求打，相应区域瓦斯抽采量为以前的2倍以上，最终达到区域消突目的。

5 结束语

对水利压裂技术和相关压裂工艺进行应用，能够在一定程度上增加煤层的透气性，同时还能够有效提高瓦斯的抽采率，起到煤层瓦斯卸压以及抽采瓦斯等的作用，最终实现预防突出、避免冲击地压、解除局部应力集中、增加煤体水分、降低粉尘浓度等目的。对该技术进行应用，还可以在一定程度上改善井下作业环境，有效降低矿工出现职业病，确保煤矿能够安全生产，进一步提升煤矿综合经济效益。

参考文献：

[1]李阳，郭立稳，张嘉勇.水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用[J].科技创新与应用，2018（10）：174-175.

[2]马宏宇.煤矿瓦斯治理托管服务模式的探讨及示范应用[J].矿业安全与环保，2016，43（05）：103-105，110.

[3]李定华.煤矿瓦斯灾害防治技术探讨[J].低碳世界，2013（14）：82-83.

[4]张文敏，姜丽丽.煤矿瓦斯治理的问题及解决技术探讨[J].科技与企业，2012（11）：148.