低渗透煤层掘进工作面气相压裂技术应用研究

2020-03-05靳俭强

山东煤炭科技 2020年2期

靳俭强

（潞安集团常村煤矿，山西长治 046102）

瓦斯作为煤矿井下五大灾害之一，对矿井的安全生产有着十分重要的影响[1-3]。随着煤炭资源逐渐转向深部开采，瓦斯问题也变得尤为突出。治理瓦斯的常用技术为瓦斯抽采，而在渗透性较低的煤层，抽采难度大，效率低。气相压裂具有压裂范围大、工艺简单、效果显著等优势，近年来越来越多的应用于煤矿井下[4-5]。

1 工程概况

该矿地面整体地势北东高，南西低，地面标高865～957m，8406掘进工作面标高380～450m。开采15#煤层为复杂结构煤层，一般含矸2～4层，岩性为泥岩，煤岩类型为半亮型～光亮型。该煤层渗透性差，瓦斯含量高，掘进过程中具有突出危险。

2 气相压裂抽采增透技术方案及优化

2.1 气相压裂技术基本原理

气相压裂技术是治理井下瓦斯问题的有效技术之一，它是利用液态的CO2在加热条件下瞬间膨胀为高压（压力高达250MPa）气体的特性，对煤层做功，使煤层产生裂隙，实现煤层增透，提高煤层瓦斯抽采效率。与传统技术相比其主要特点为：气相压裂技术易形成扩散状的裂缝，影响范围较大；气相压裂属于干式压裂，不会污染煤储层；能量可控，不需要大型压裂设备和其他辅助设备，操作简单，施工作业方便，工期较短；气相压裂的压力上升时间在毫秒级，能量可以准确控制，压力峰值处于炸药爆破技术和水力压裂技术中间，易形成多条扩散状复杂的裂缝网。气相压裂裂隙扩展模型如图1所示。

图1 煤层内深孔气相压裂裂隙扩展模型

2.2 回采面气相压裂抽采增透技术方案

为消除8406掘进工作面的瓦斯危害，在8406掘进工作面选择250m处作为气相压裂施工区域布置钻孔。每隔5m布置一个压裂钻孔，每两个压裂孔中间为两个本煤层条带预抽钻孔，预抽钻孔水平间距为2.5m，与压裂孔间距为1.25m。10个抽采孔为一组抽采单元，压裂区所在抽采单元从第14组到目前第5组，每组约15个抽采孔（含压裂孔）。压裂钻孔参数见表1，钻孔方案设计见图2、图3。

表1 8406掘进工作面气相压裂参数

（1）压裂钻孔参数

① 钻孔编号：压裂孔1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47、49；

② 钻孔直径：Φ113mm；

③ 钻孔深度：100～120m；

④ 压裂孔方位：方位角沿巷道回采工作面方向，倾角：根据工作面煤层倾向确定；

⑤ 压裂管：25～40 根 /孔；

⑥ 压裂时封孔器封孔深度：20m；

⑦ 压裂段：20～100m。

（2）抽采钻孔参数

① 钻孔编号：2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50；

② 钻孔直径：Φ113mm；

③ 抽采钻孔角度：根据工作面煤层倾向确定；

④ 抽采钻孔两堵一注膨胀水泥封孔长度15～18m，全程下筛管，如果由于客观原因，无法达到设计封孔深度，效果考察时不予考察。

图2 8406掘进工作面布孔方式图

2.3 回采面抽采方案优化

为对抽采钻孔间距进行优化，以获得更为经济有效的抽采技术参数，对8406掘进工作面采用气相压裂技术后抽采数据进行对比分析，选择更合适的抽采钻孔间距，详情如下：

6m区域内：压裂孔最大浓度31.2%，平均浓度12.1%，平均百米抽放量131.7m3/d，日均抽放量100.5m3；测试孔最大浓度44.3%，平均浓度18.4%，平均百米抽放量19.2m3/d，日均抽放量23.7m3。

图3 8406掘进工作面气相压裂方案

9m区域内：压裂孔最大浓度36.8%，平均浓度29.3%，平均百米抽放量112.2m3/d，日均抽放量90.2m3；测试孔最大浓度38.7%，平均浓度22.7%，平均百米抽放量42.7m3/d，日均抽放量58.37m3。

12m区域由于扩帮造成钻孔全部损坏。选取可用的有效数据分析可知，压裂孔浓度14.3%，平均浓度7.8%，平均百米抽放量87.9m3/d，日均抽放量140.7m3；测试孔浓度6%，平均百米抽放量48.2m3/d，日均抽放量62.5m3。

表2 不同区域预裂钻孔抽采效果

表3 不同区域测试钻孔抽采效果

三个不同间距的压裂区域内钻孔百米抽放量分别为 131.7m3/d、112.2m3/d、87.9m3/d，所以确定6m间距压裂为最佳方案，即选定在8406掘进工作面布置间隔为6m的气相压裂钻孔，辅助进行抽采。

3 抽采效果考察

为分析气相压裂技术在8406掘进工作面的应用效果，对8406掘进工作面的瓦斯抽采流量进行测试。本次测试流量每组抽采孔每隔一个小时测试一次，每组抽采孔共测试三次取平均值，测试结果见表4、表5、表6。由表可以看出，压裂区段单孔平均抽采量是非压裂区段的1.6倍，单组平均流量是非压裂区段的1.75倍，看出压裂后区域的整体抽采数据比较稳定，其中单孔平均流量在0.0176m3/min，较非压裂区段提高了247%，压裂区域单组钻孔瓦斯平均纯流量为0.196m3/min，较非压裂区段提高了220%。