水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用

倪士佳

摘要：水力压裂增透技术是目前我国煤矿瓦斯抽采技术之一，近年来，取得了举得大发展。

关键词：水力压裂增透技术；瓦斯抽采；应用

1 瓦斯抽采现状

在瓦斯抽采过程中，煤层赋存条件、煤层硬度、地质构造、煤损害类型、埋深等因素都会在一定程度上影响煤层透气性，从而影响瓦斯抽采的顺利进行。如果煤层透气性相对较高，提取效果将得到有效提高。然而，我国许多煤层一般都是低渗透煤层，因此很难抽采瓦斯。为此，在瓦斯抽采过程中，应注意适当扩大煤层裂隙的范围和密度，以增强煤层透气性效应，从而保证瓦斯抽采效果。目前，常见的煤层强化增透技术主要包括深孔控制预裂爆破技术、水力压裂增透技术、CO2预裂增透技术、水力扩孔和水力开槽技术等。

2 水力压裂的原理

2.1裂縫起裂原理

水力压裂技术是通过钻孔将流体压入煤层，当压入液体的速度远远超过煤层的自然吸水能力时，由于流动阻力的增加，进入煤层的液体压力将逐渐增加，当压力超过煤层上方的岩压时，煤层中原来封闭的裂隙将被压开，形成新的流动网络，煤层的渗透率将增加，被压裂隙将为煤层瓦斯流动创造有利条件。

2.2裂缝延伸原理

当将水注入到弱面充水空间时，在注水泵的作用下会产生一定的压力，即注水压力。此外，在煤层孔隙的润湿和毛细管作用下，一些注水压力会损失，这部分损失的压力称为滤失压力。如果注水压力大于滤失压力，将导致水流入煤层压裂系统，水将混合煤颗粒并形成堵塞区。在这种情况下，一级弱裂面压力会逐渐增大，导致煤层裂隙扩大，堵塞效果减弱。随着煤颗粒逐渐扩散到第四周，将形成二次堵塞。

2.3压裂增透原理

压力水进入煤层之后，依次进入一级弱面（张开度较大的层理或切割裂隙）、二级裂隙弱面、原生微裂隙，同时压力水在裂隙弱面内对壁面产生内压作用下，导致裂隙弱面发生扩展、延伸以至相互之间发生连接贯通过程实现压裂分解。从而使内部裂隙弱面的扩展、延伸以及相互之间贯通，形成相互交织的贯通裂隙网络，达到提高煤层渗透率的目的。

3 水力压裂增透技术在煤矿瓦斯抽采中的应用

3.1水力压裂试验情况

3.1.1水力压裂设备及仪表

选用额定压力为31.5MPa、最大排量为200L/min的乳化液泵。为便于操作和控制，压裂泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件，采用直感耐震压力表对注水压力进行观测。此次试验的压裂泵上和注水管上配备的压力表量程均为60MPa，乳化液箱容积为2m3。压裂系统由压裂泵、水箱和压力表等组成。

3.1.2压裂钻孔布置及施工

2018年6月16日，在矿井五采区左7路28#底抽巷施工了水力压裂测试钻孔。钻孔方位角为N128°，即压裂钻孔与巷道线夹角90°；钻孔倾角45°左右，基本上垂直煤层层面。压裂测试孔平均长45m，终孔位置位于左7路28#采面运输巷设计位置，钻孔见煤点埋深在710～720m。距压裂测试孔里部50m施工了1排4个钻孔作为压裂观测孔，外部50m处有1个测压钻孔。

3.1.3压裂钻孔封孔及注水

2018年7月15日，采用采用的是专用封孔料和封孔泵进行封孔，封孔长度为钻孔孔口至28#煤层底板。具体方法为首先在靠近钻孔孔口段专用封口器（两堵一注封孔材料），然后根据钻孔的封孔长度计算出所需封孔料的体积，再借助专用封孔机将预先配制好的体积比为1.0：0.5～0.6（封孔料：水）的封孔料通过注浆管注入钻孔直到全部注完为止，封孔24h后安装在线计量装置观测钻孔的瓦斯浓度及流量。在2018年8月13日中班17：20，开始对水力压裂测试钻孔进行了注水压裂，至22：28发现距水力压裂测试孔水平距离50m处的观测孔出现滴水现象并有增大的趋势，注水压力迅速降低至7.8MPa左右，随即关闭闸阀，结束注水。试验最高注水压力为18MPa，累计注水时间5h，注水量55吨左右。在该煤层注水试验过程中，由于受到供水量因素的影响，注水环节出现多次中断，通过对第一次注水过程以及注水压力进行观测，分析可知，在压裂的初始阶段，水压致裂压力逐渐增加，随着压裂的持续进行，压力增加速度增长放缓。通过对注水压力进行监测发现，在进行煤层注水过程中，注水压力在15MPa～18MPa之间，注水停止后，液体压力逐渐降低。通过多次注水，水压逐渐增加。在该煤层中，当注水压力达到18MPa后，水压不再增加。在水力压裂增透试验中，注水压力是十分重要的技术参数，适宜的注水压力能有效促进煤层松动，促进煤层裂隙宽度的增加，改善煤层结构。

煤层破裂压力经验估算值为16.8MPa，考虑到注水压力损失，注水压力应大于该值。本次试验注水压力为18MPa，符合经验计算条件。

3.2水力压裂效果分析

2018年8月14日下午l5：O0，打开闸阀开始放水，放水9h后在15日凌晨零点整安装煤气表并开始考察钻孔瓦斯流量，此时钻孔排放瓦斯体积分数100%。测试孑L压裂后自然排放考察观测至8月30日20：36，排放期问每天观测煤气表排放量并准确记录读数时间。排放期间最大自排瓦斯流为0.0700m3/min，平均0.0434m3/min，累计放瓦斯量991m？。（

在压裂水的排放过程中，煤层裂隙宽度逐渐增加，有利于瓦斯抽采。通过对瓦斯流量进行监测发现，在钻孔位置，瓦斯流量逐渐增加，最大流量值为0.07m？/min。煤层压裂增透试验完成后，对钻孔进行封孔处理，封孔第七天后，瓦斯流量已经降低至最低值，瓦斯平均流量为0.00034m？/min。根据本次压裂试验，煤层透气性显著改善，在注水过程中，钻孔用水量逐渐增加。

4 结语

压裂是提高煤层渗透性的有效途径，也是提高预抽气体浓度的有力保证。水力压裂技术的发展和应用对我国煤矿瓦斯抽采效果具有重要意义。随着科学的发展，水力压裂技术将会更加完善和广泛应用。

参考文献：

[1]李守国，姜文忠，贾宝山，聂荣山.低透气性煤层致裂增透技术应用与展望[J].煤炭科学技术，2017，45（06）：35-42.

[2]甘林堂，刘吉祥.松软突出煤层采煤工作面水力压裂增透技术应用[J].煤矿安全，2017，48（07）：70-73+77.

[3]袁星旭，钟定云，董国福.水力压裂增透技术在K_1煤层掘进条带中的应用[J].矿业安全与环保，2012，39（S1）：39-41+44.

（作者单位：黑龙江龙煤鸡西矿业有限责任公司滴道盛和煤矿立井抽采区）