寺家庄矿穿层钻孔水力压裂技术应用

姚壮壮

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037；2.中国煤炭科工集团 重庆研究院有限公司， 重庆 400037)

0 引 言

高瓦斯、碎软、低渗煤层的瓦斯治理一直是业界难题[1-2]。如何提高煤层的透气性是我国各科研院所、高校以及煤炭企业一直以来研究的重要课题[3-7]。目前已形成一系列煤层瓦斯强化抽采技术，包括钻孔深孔预裂爆破、水力冲孔、水力割缝、水力压裂等[8-10]。董钢锋等[11]运用高水压射流扩孔技术来提高穿层钻化预抽放效果；蓝成仁[12]进行了大量的穿层深孔爆破提离瓦斯抽放技术工业实验，并阐述了其作用机理。为了缩短瓦斯抽采时间，保证煤矿井下安全高效生产，国内外学者已经在技术工艺上有所突破[13-18]。

通过数值模拟方法，分析注入高压水后地应力的变化对底板岩石预抽巷应力及位移的影响，确保试验区的压裂施工安全。阳煤集团寺家庄矿15号煤层瓦斯含量高、透气性差，导致抽采困难、生产接替紧张等一系列问题。笔者以该矿为例，分析了底抽巷穿层钻孔的可压性，并在可压的前提下对试验区开展的水力压裂进行效果考察，形成了一种适用于穿层钻孔水力压裂的成套技术体系，为穿层钻孔水力压裂提供了理论支撑和现实依据。

1 穿层钻孔水力压裂可压性分析

本次压裂试验区在寺家庄矿15117工作面回风底抽巷。圈定的压裂试验区域地质构造不发育，透气性差，在压裂试验范围内无透水型地质构造，煤层顶板、底板遇水不易膨胀，且顶底板无含水层，该区域理论上满足进行水力压裂试验需求。

1.1 计算模型的建立

水力压裂施工可能会造成底抽巷顶板离层、垮落、片帮等情况，为了预防这些情况发生，根据寺家庄矿压裂试验区资料，模拟在支护条件下水力压裂实施前后应力及位移变化。通过前后对比，得出水力压裂高压水对实验巷道造成的影响。压裂钻孔布置如图1所示，本次模拟选取2号压裂孔，拟注水90 m3，最大注水压力20 MPa。

图1 2号压裂钻孔布置剖面Fig. 1 No.2 fracturing borehole layout profile

试验巷道压裂地点与煤层垂距均大于20 m。根据钻孔资料，建立了尺寸为150 m×100 m×80 m的数值模拟模型，见图2。模型边界条件：竖直方向上施加竖向荷载模拟上覆岩层自重，X、Y方向限制水平移动，Z方向限制底面垂直方向位移。模型深300 m，容重取25 kN/m3，故模型上边界施加7.5 MPa的应力值，记模型煤岩层密度为ρ，体积模量为Kv,内聚力为c,内摩擦角为θ。模型围岩参数见表1。

图2 底抽巷数值模拟模型 Fig. 2 Numerical simulation model of bottom extraction roadway

表1 计算模型煤岩层参数

1.2 压裂实施前、后巷道应力

首先,模拟试验巷道水力压裂之前支护状态下的应力状态。因本次压裂设计为上向压裂孔，所以主要分析巷道所受垂直应力变化。图3为水力压裂实施前试验巷道垂直应力云图，从图中可以看出，最大垂直应力为11 MPa，左右两帮应力分布均匀。

图3 水力压裂前巷道垂直应力云图Fig. 3 Vertical stress nephogram of roadway before hydraulic fracturing

最大注水压力20 MPa，高压水压力与原岩应力叠加，相当于在钻孔中心施加最大垂直应力30 MPa，模拟高压水应力对钻孔周围应力影响，应力值向四周逐渐减小，在35 m范围内减小至原岩应力10 MPa。模拟结果见图4。

图4 水力压裂实施后煤层平面方向垂直应力云图Fig. 4 Vertical stress nephogram in plane direction of coal seam after hydraulic fracturing

图5为施加水力压裂后，试验区巷道围岩垂直应力云图。压裂孔施工在巷道左帮，在高压水的作用下，左帮垂直应力最大值为16 MPa，比压裂前增加了5 MPa。右帮垂直应力最大值为13 MPa，比压裂前增加了2 MPa。应力分布不再均匀。

图5 水力压裂后巷道垂直应力云图Fig. 5 Vertical stress nephogram of roadway after hydraulic fracturing

1.3 压裂实施前、后巷道应变

图6为巷道支护条件下垂直位移云图，从图中可知，顶底板位移都较小，顶板位移为1 cm，底板位移为2 cm，巷道处于稳定状态。

图6 水力压裂实施前巷道垂直位移云图Fig. 6 Vertical displacement nephogram of roadway before hydraulic fracturing

图7为巷道在施加水力压裂后的垂直位移云图，从图中可以看出，实施水力压裂后，顶板位移为5 cm，增加了4 cm, 底板位移为2 cm，维持不变，由于巷道围岩岩性稳定，加之支护到位，巷道仍处于稳定状态，由此可知，水力压裂对试压巷道影响甚微。

图7 水力压裂实施后巷道垂直位移云图Fig. 7 Vertical displacement nephogram of roadway after hydraulic fracturing

2 穿层钻孔水力压裂效果

压裂区与未压裂区瓦斯抽采浓度变化曲线如图8所示，压裂后经抽采效果考察得出：压裂单元瓦斯抽采体积分数φ为13.9%～36.5%，平均为29.1%；而未压裂区域钻孔瓦斯抽采体积分数为5.9%～11.8%，平均为9.3%，压裂后瓦斯平均抽采浓度是未压裂区域瓦斯抽采浓度的3.1倍。

图8 压裂区与未压裂区瓦斯抽采浓度变化对比Fig. 8 Contrast of gas drainage concentration change between fractured and unfractured areas

压裂区域抽采纯量为0.97～3.44 L/min，平均瓦斯抽采纯量为2.04 L/min，而非压裂区抽采纯量为0.19～0.52 L/min，平均瓦斯抽采纯量为0.36 L/min，压裂后平均瓦斯抽采纯量是未压裂区域的5.7倍，见图9，明显提高了瓦斯抽采效率。

图9 压裂区与未压裂区瓦斯抽采纯量变化对比Fig. 9 Contrast of gas drainage purity change between fractured and unfractured areas

3 结 论

(1)通过数值模拟分析寺家庄煤矿底板巷穿层钻孔可压性并得出，压裂后巷道应力值变化，左右两帮应力值不再均匀，压裂测巷帮应力变大；压裂后巷道变形量变化较小，可知水力压裂对试验区底抽巷影响不大，可以满足水力压裂施工要求。

(2)压裂区抽采单元瓦斯平均抽采浓度和纯量分别是非压裂区的3.1和5.7倍，瓦斯抽采增渗效果明显。