深井开采水力压裂技术参数确定与应用

2023-08-24张国江

现代矿业 2023年7期

张国江

（煤炭工业石家庄设计院有限公司贵州分公司）

随着煤炭资源需求的增长，煤矿开采强度的增大，浅部煤炭资源逐步被开采，不得不对深部资源进行开采。随着开采深度的增加，瓦斯灾害逐渐增多，瓦斯灾害防治一直是困扰煤矿安全生产的难题之一。随着科学技术的发展，水力压裂技术被应用于矿井瓦斯增透抽采。学者们对其进行了大量研究［1-6］，焦先军等［7］利用数值模拟与现场试验等方法，研究了水力压裂技术对煤层增透效果，获得了增透范围，并进行了现场验证。黄兴利［8］以209 工作面瓦斯赋存条件为研究背景，开展深部矿井定向钻孔水力压裂技术试验研究，制定了“煤层+底板”的定向抽采技术。高松［9］利用数值模拟、现场工程试验的方法，系统研究了深部低透气煤层水力压裂强化增透技术及增透效果，研究成果为相似矿井提供了借鉴。

综上，对于水力压裂技术在矿井瓦斯增透方面进行了大量研究，但是对于水力压裂技术扩展方面研究较少。因此，本文以石壕煤矿为工程背景，基于前期矿井瓦斯治理成果基础上，提出了在对揭煤局部范围可以采取井组压裂技术，对于瓦斯重灾区采取拦截降压压裂技术，介绍两种水力压裂扩展技术的原理，通过数值模拟不同水压下钻孔渗透率变化，确定井组压裂与拦截降压压裂施工参数，并进行工程应用，以期解决喷孔造成瓦斯高浓度超限问题，为深部矿井开采瓦斯防治提供新途径。

1 工程概况

石壕煤矿范围内可采煤层为6#、7#、8#煤层，其中6#、7#煤层作为保护层开采，8#煤层为主采煤层，矿井M8煤层透气性系数为1.56×10-7m3/（MPa·d），f值0.2～0.7，平均瓦斯含量21.34 m3/t；M6煤层透气性系数为4.5×10-3m3/（MPa·d），f值0.3～0.7，平均瓦斯含量12.32 m3/t。3 层煤均为突出煤层，为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯治理一直是矿井生产的重点工作，抽放钻孔在施工过程中垮孔严重，瓦斯预抽困难，严重威胁矿井采掘安全。

随着矿井开采的不断深入，瓦斯治理已成为矿井发展的瓶颈，面对矿井瓦斯治理严峻形势，石壕煤矿在前期水治瓦斯治理成果基础上，积极推广水治瓦斯增透技术，坚持先压、后抽、再采（掘）的理念。在以往条带和揭煤单一压裂方式上，对水力压裂技术进行深入研究，对揭煤局部范围控制压裂采取井组压裂技术，瓦斯重灾区降压压裂采取拦截降压压裂技术。

2 水力压裂技术扩展研究

2.1 井组压裂原理

井组压裂技术是在水力压裂区域对煤层进行多孔联合组成压裂，在各个压裂孔进行水力压裂后，使各个压裂孔之间发生相互影响和相互干扰，压裂导致闭合裂隙重新打开，形成新的流通网络，从而使得煤层渗透性增加，为煤层瓦斯的流动创造了良好条件，进而让瓦斯抽采变得更加容易。

2.2 拦截降压压裂原理

拦截降压压裂技术［10］是针对局部施钻地点瓦斯压力大、穿过煤层喷孔严重造成的瓦斯浓度高问题的技术。为了对该局部地点瓦斯进行降压，采用水力拦截压裂降压手段。在压裂钻孔前后50 m 范围内的2 个钻场各预先施工3～5 个拦截降压钻孔至煤层，然后进行压裂，直至拦截降压钻孔压穿，喷出大量水后停止压裂。在压裂过程中使得闭合裂隙重新打开，形成新的流通网络，造成煤层渗透性增大，为煤层瓦斯的流动创造了良好条件，煤层裂隙与拦截降压孔导通，释放瓦斯压力。拦截降压压裂钻孔设计位置应选择在巷道围岩较好段内，在压裂钻孔两端提前施工布置出抽采钻孔，作为拦截降压孔。

3 水力压裂增透数值模拟

3.1 模型建立与边界条件确定

为了确定合理的水力压裂参数，根据石壕煤矿8#煤层的实际情况，利用COMSOL 数值模拟软件，建立初始模型，如图1 所示。建立2 m×2 m 的二维模型，模型的中心位置设定半径30 mm 的水力压裂孔。通过改变水力压裂技术的注水压力，模拟不同注水压力下煤体压裂效果［11-13］。

3.2 结果分析

为了研究注水压力对煤岩体渗透性的影响，通过设置不同的钻孔压力，分析煤岩体渗透性变化，从而确定合理的注水压力。本次方案模拟钻孔压力分别设置为20、25、30、35、40、45 MPa。图2为不同注水压裂状态下的煤层渗透率变化。

从图2 中可以看出，当注水压力为20 MPa 时，有钻孔周围小部分区域的渗透率逐渐增加，说明20 MPa 注水压力下，影响范围较小；当注水压力为25～35 MPa 时，钻孔周围渗透率逐渐增加，影响范围逐步扩大；当注水压力为40～50 MPa 时，钻孔周围渗透率逐渐趋于平稳，变化范围很小，说明40～50 MPa 注水压力渗透率扩展延伸的范围达到最佳，增加注水钻孔的注水压力可以提高水力压裂的压裂效果，增加水力压裂的裂隙扩展延伸，提高煤层渗透率，从而使得抽采效果更好。

4 井组压裂与降压压裂技术参数确定

4.1 回风巷井组压裂孔施工参数

回风巷内设计3 个钻场5 个压裂孔用于南四区轨道进风上山揭M8煤层，1个钻场在揭煤中心位置布置1 个压裂孔，其余4 个压裂孔呈四方形布置在4 个角上，5个压裂孔均施工至M8煤层顶板0.5 m位置，封孔至M8煤层底板位置，井组压裂钻孔参数及布置详见表1。

4.2 回风巷井组压裂参数确定

表2为回风巷井组压裂各个钻孔压裂参数，根据数值模拟结果，泵压为确定35～45 MPa，1 号钻场2 个钻孔的水压致裂累计时长达到1 000 min，2 号钻场1个钻孔的水压致裂累计时长达到1 000 min，3 号钻场2个钻孔的水压致裂累计时长达到1 000 min。

4.3 瓦斯巷拦截降压压裂孔施工参数

瓦斯巷下段上方对应N1643工作面机巷，设计共压裂孔9 个，其中3 个尾排压裂孔，6 个条带压裂孔。条带压裂孔压裂前，选取2 个钻场各预先施工3 个抽采钻孔兼作拦截降压孔，拦截降压孔与压裂孔间距为48 m，施工拦截降压孔后再进行压裂，瓦斯巷下段拦截降压压裂钻孔参数见表3。

5 工程应用效果分析

5.1 井组压裂技术应用效果分析

井组压裂孔压裂7 d 后放水进行接抽，压裂钻孔单孔浓度91%～95%，平均浓度93%；经过230 d 的连续抽抽采后，单孔平均浓度仍稳定在92%，未出现明显衰减，且负压稳定在13 kPa 以上。在回风巷内针对南四区轨道进风上山施工的揭煤钻孔已施工完毕，接抽的钻场瓦斯浓度51%～91%，总点瓦斯浓度68%～75%，负压14.36～18.09 kPa，现在的钻场瓦斯浓度30%～95%，总点瓦斯浓度58%，负压11.31 kPa，瓦斯纯量1.23 m3/min；在接抽后的第2 个月达到高峰，钻场瓦斯浓度49%～87%，总点最高瓦斯浓度85%，负压16.23 kPa，瓦斯纯量2.32 m3/min；说明该处采取井组压裂后，在高负压的抽采下瓦斯浓度也高，瓦斯量也在增加。

南四区2#回风下山进行单孔水力压裂，未进行井组压裂，水力压裂孔初抽瓦斯浓度24%，负压8.11 kPa，经过半年的接抽，瓦斯浓度20%，负压22 kPa。南四区2#回风下山揭煤预抽钻孔布置在回风巷，初期接抽的总点瓦斯浓度分别为18%、20%，平均19%，期间最高总点瓦斯浓度分别为31%、33%，平均32%，最大共计瓦斯纯量1.2 m3/min，现在的总点瓦斯浓度分别为10%、23%，平均16.5%，瓦斯纯量共0.38 m3/min。

通过与已进行井组压裂的南四区轨道进风上山进行比较，进行了井组压裂地点的单孔初抽浓度较未进行的高2.96 倍，平均浓度高2.33 倍，总点瓦斯浓度最高时多1.66 倍，瓦斯量多0.93 倍。井组压裂抽采效果对比见表4，效果统计对比如图3所示。

5.2 拦截降压压裂技术应用效果分析

拦截降压孔和压裂孔压裂7 d 后放水进行接抽，钻孔单孔浓度为10%～90%，平均51%，负压11.7 kPa；至10 月止，钻孔单孔浓度为30%～93%，平均72%，负压14.6 kPa。

压裂孔接抽1个月后，在位于1#、2#和4#压裂孔压裂区域的42#～36#、17#～14#钻场施工钻孔，共计73 个孔，其中有3 个孔在施钻过程中因为M8煤层垮孔严重，未施工到设计层位，需重新补孔。压裂孔接抽2个月后，在位于3#和8#压裂孔压裂区域的34#、35#钻场和边界瓦斯巷3#～8#钻场施工钻孔，共计78个孔，其中2个孔在施钻过程中因为M8煤层垮孔严重，未施工到设计层位，需重新补孔2 个；有2 个孔在钻孔施工完毕后出现延时喷孔，造成瓦斯超限。压裂孔接抽3个月后，在位于3#和8#压裂孔压裂区域的33#、32#钻场和1#～3#钻场施工钻孔，共计66 个孔，其中1 个孔在施钻过程中M8煤层垮孔，但还是能穿过设计层位。压裂孔接抽4个月后，在拦截降压压裂区域施工的钻孔均未出现垮孔喷孔造成瓦斯超限的现象，瓦斯巷下段拦截降压压裂后施工情况统计见表5。

北三区7#瓦斯巷上段实施了水力压裂，但未实施拦截降压，在施工抽采钻孔期间由于注入水量多，导致煤层变软，钻孔易垮孔堵塞，在疏通过程中出现垮孔喷孔，造成瓦斯超限。北三区7#瓦斯巷上段施工抽采钻孔，在水力压裂孔接抽1～4 个月期间，因为施工抽采钻孔造成瓦斯超限共5次，而实施过拦截降压后施工抽采钻孔的北三区7#瓦斯巷下段与之相比，垮孔现象减少了21 次，降低了78%，喷孔造成瓦斯超限减少了3 次，降低了60%，瓦斯巷下段与上段抽采钻孔考察对比见表6。