煤层超高压定点水力压裂防治冲击地压机理与试验研究

张宏

摘要：煤层超高压定点水力压裂技术丰富了现有的冲击地压防治技术，可对压裂过程进行有效的控制。本文结合当前水力压裂技术存在的弱点，指出了煤层超高压定点水力压裂防治冲击地压的机理，对试验过程中的水力压裂系统和水力压裂监测方法进行了说明。

关键词：煤层;超高压;定点水力压裂;试验方案

对冲击地压灾害进行治理是当前煤矿工程安全实施的重要措施。水力压裂技术是目前应用较多的防治冲击地压的方法，但是目前的压力一般都很小，在20MPa以下，同时煤层的硬度又很大，常用的煤层注水压力已经无法高质量地完成对煤层进行压裂。采用煤层超高压定点水力压裂的方法，不仅将局部压裂的压力提高，而且在应力监测系统和微震监测系统等的协助下可以对破裂范围和程度进行监测，从而形成矿井煤层控制性压裂防冲成套技术。本文结合煤层超高压定点水力压裂的应用特点，对其防治冲击地压的机理进行说明，并对试验的方法进行阐述。

一、煤层超高压定点水力压裂防治冲击地压机理研究

（一）压裂原理

煤岩层能够被压裂开的关键就是选择合适的起裂压力。如果压力值太小，可能会导致煤岩不能被压开，压裂效果不好;而压力值太大则会对压力设备、封孔器等的硬度和强度要求很高，工程成本无形增加。因此，在选择压裂设备和进行压裂中我们就应该首先判断煤层的起裂压力。煤层超高压定点水力压裂主要是针对以前的传统压裂压力小和流量不足的问题，合理地将钻孔器两端进行适当的封堵，从而在较小的一段距离内产生高压，促进整个煤层的压裂。

（二）裂隙延伸条件

煤层在遇到超高水压时会产生裂痕，工程应用中我们要保证裂痕不断地向前扩展和延伸，就要让注水水压高于渗水水压。注水水压与选择的压力泵规模有关，而渗水水压是煤层发生破裂后开始吸水使得裂痕内降低的压力值。在进行持续压裂的过程中，要结合工程的需要和裂痕的发展程度，适当的将单位时间内的注水量提高，从而满足压裂区内高压水的贮存，始终将压力维持在一个需要的水平内。

（三）煤岩体注水软化减冲机理

在应用水力压裂的过程中，研究煤岩体注水软化减冲的机理对于确定煤层的强度非常重要。当煤层中不存在裂缝、节理以及其他影响强度的因素时，煤層与煤块的强度几乎一样。但是一旦煤层中存在裂缝，在用煤块强度估算煤体强度时就需要修正。相关的岩石学机理表明，弹性波会在岩石中进行传播，其传播的速度主要与岩石裂痕的发育程度有关。通过岩石的完整性系数公式和弹性波纵波传播速度公式可得到当煤层被压裂后，煤层的强度也会跟着显著下降。但是水力压裂能显著改善煤层的性质，降低煤层的强度。因此，煤岩体注水后会使得煤层在单位时间内释放出来的能量减少，即便煤层发生了严重的冲击灾害，也不会发生抛出煤体的情况，能将危害的程度降低到最小。

二、煤层超高压定点水力压裂防治冲击地压试验研究

（一）煤层超高压定点水力压裂系统设计

《煤矿井下压裂设计施工规范》是水力压裂试验设计和施工参照的规范，根据该规范的要求，压裂系统应该由流量计、传感器、压裂泵等组成。根据设计要求，距压裂孔50m范围内不能设置任何设备，压裂时距离压裂孔100m内不能有任何人员活动。在压裂的过程中，压裂泵通过高压将水箱中的水送入钻孔内，从而对煤层进行高压压裂。高压的管路在进行布置的时候尽量减少弯头和长度，从而让管路的压力降维持一个小的数值。在管路上设置压力传感器和流量计对管路瞬时流量和压力进行监测，而在距离压裂孔10m内则布置图像采集、信息采集等系统。

（二）煤层超高压定点水力压裂监测方案

在水力压裂的过程中，设计合适的监测方案是保证压裂成功的关键，的监测方案包括管路压力监测方案、应力动态实时监测方案、微地震监测方案等，合理的确定这些监测方案的执行方法，对于地压试验具体效果具有很大的帮助。在管路压力监测中，随着压裂过程的持续，系统压力也会跟着变化，当表中出现第一个峰值时说明岩石层开始压裂，需要持续注水让压痕不断延伸，直到岩层全部打开，这个时候停止压裂试验。应力动态实时监测则是在煤层中布置压力传感器，通过压力信号的变化将信号转化为数值传输到计算机上，通过应力云图现实煤体应力的变化，用到的主要设备为压力传感器、监测仪;微地震监测则通过制作微地震监测检波器帮助找到煤层中的高应力和高应力差区域，对于分析压裂进行的程度有很大帮助。

三、结语

综上所述，煤层超高压定点水力压裂是一种新型的防治冲击地压的措施，对于控制压裂过程中的稳定性并减少压裂事故起到很好的作用。下一步在进行试验的过程中，要合理的建立煤层分段压裂力学模型，提出压裂防冲效果的评价指数，通过本文确定的压裂监测方案对影响压裂效果的主要参数进行有效的监控，从而丰富当前的冲击地压防治技术。在进行试验的时候要综合考虑煤层的实际情况，包括煤矿下的作业状态、技术指标以及试验工期等，从而让压裂技术能够发挥出其效果。

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