【梁北矿井下水力压裂增透技术应用研究】矿井水水力澄清工艺

　　摘要：针对梁北矿11141煤与瓦斯突出工作面，掘进期间瓦斯含量高，效检超标、掘进风流瓦斯超限问题；采用底抽巷施工水力压裂增透、卸压方法，强化抽采瓦斯；控制范围内瓦斯预抽率提高到32%，降低了风流中瓦斯浓度，效检超标率显著降低；保证了掘进工作面正常生产，为类似条件下工作面安全掘进提供了瓦斯防治依据。
　　关键词：水力压裂；抽采瓦斯；预抽率；超标率
　　中图分类号：TD853.1 文献标识码：A
　　引言
　　梁北矿位于禹州市城南6km，于1997年7月开工建设，2004年12月竣工投产，设计生产能力90万t/a，主采煤层为二叠纪山西组二1煤，煤层平均厚度4.2m，井田面积48km2，为煤与瓦斯突出矿井，2008年矿井瓦斯绝对涌出量为21.20m3/min，相对涌出量为12.40m3/t，煤层瓦斯压力0.6～3.65MPa，瓦斯含量8～13m3/t，硬度系数0.15～0.3，煤层透气性系数0.0011～0.0454m2/MPa2.d，属于难抽放性“三软”煤层，瓦斯灾害严重制约着企业安全生产。11141工作面煤巷掘进缓慢，瓦斯涌出量大、掘进期间瓦斯超限频繁、效检超标率高，该矿采用了井下压裂增透技术，增加了煤层透气性，瓦斯预抽率明显提高，效检超标率明显降低，实现了安全、快速掘进。
　　1 11141工作面概况
　　11141工作面机巷设计长度为775m，瓦斯灾害严重，掘进期间瓦斯超限频繁，效检指标超标率为14%，煤巷掘进40m/月左右，施工了11141底抽巷，距二1煤层底板18-20m，底抽巷内施工钻场，钻场断面宽4m，高3.8m，深5m，钻场间距40m，钻场内施工穿层抽采孔，每个钻场施工30个抽采孔，钻孔布置见图1、2所示，控制机巷掘进条带上下帮各15m。该技术掘进工程量、施工钻孔工程量大，抽采孔见煤长度有限、未有限增加煤层透气性，抽采效果一般，在掘进期间瓦斯依然超限，效检指标仍然超标，影响掘进速度，未达到预期效果。
　　2 井下水力压裂增透技术
　　我国82%煤层渗透率小于1mD[1]，科研工作者、工程技术人员进行了广泛的尝试：水力冲孔、水力割缝、水力挤出、深孔松动爆破和深孔控制爆破等增透方法[2]，采用了采前预抽、采中抽采、采后采空区抽采，瓦斯抽采效果不理想，我国矿井瓦斯平均抽采率仅有23%[3]，常规的瓦斯治理措施效果有限，单纯依靠增加孔数、孔径、抽采时间，效果有效。周世宁等研究认为：钻孔周围瓦斯流动理论以及瓦斯涌出的一般式得知，钻孔瓦斯涌出量与煤层透气性成正比关系[4]，只有增加煤层透气性才是增加瓦斯抽采率的关键。
　　井下水力压裂增透技术是利用强大的水动力对煤层实施高压压裂，当压力超过煤岩的抗压强度时，煤层产生新的裂缝或原始微裂缝被压开，并在横向上和纵向上延伸和扩展。一般情况下，裂缝被限制在一定的高度范围内，压开的主裂缝主要沿煤层最大水平主应力方向在煤层中延伸，对顶底板不造成伤害，动态裂缝的单向延伸距离可达到50m以上，在裂隙的尖端发生破裂，延伸、沟通已有的裂隙，形成裂隙网络，从而增加煤层透气性，提高瓦斯抽采率。
　　配套专用压裂泵组具有压力30MPa以上、流量1m3/min、多档位操作、安全卸载、远程视频监控等功能，操作人员远离压裂现场，实现第二作业地点远程操作，实施多重安全技术体系，保证安全施工，一次施工。可以对60m区域瓦斯进行治理，符合“区域治理措施先行，局部瓦斯补充”[5]的原则。
　　3 技术实施
　　11141工作面底抽巷9#钻场未施工常规穿层抽采孔前，在钻场中心线位置垂直于煤层倾向施工压裂孔，Ф89mm钻头成孔，首先穿过煤层底板，穿透煤层段，见顶板0.3m停钻，成孔后结合现场实际情况选用高强度专用化学材料封孔，封孔段长度为19m，封孔到底板与煤层结合处以保证足够的岩石段来抵抗压裂能量，通过孔口三通阀门连接高压管路至压裂泵组，压裂布孔方案见图4所示，11141工作面埋深500m，煤体坚固性系数0.15～0.3，经计算煤体破碎压力在16MPa，压裂时压裂管路沿线停电撤人，启动压裂泵，泵注高压水，压裂过程持续130分钟，压裂过程中响煤炮声不断，压力稍有波动，压裂过程压力维持在10MPa～25MPa，压裂流量在0.3～0.9m3/min，整个压裂过程用液71m3，压裂完毕后，通过孔口阀门卸压，卸除管路，适度排水后连接抽采系统，并作为主孔开始抽采瓦斯，同时在钻场内施工10个瓦斯抽采孔，孔深、孔径参照以前措施执行，整体较以前减少20个抽采孔的措施工程量，同样控制机巷预定巷道上下两帮各15m。
　　图1 压裂孔布置示意图
　　4 压裂前后效果比较
　　4.1 煤体位移量效果
　　压裂后，现场观测：9#压裂钻场内裂缝沿巷道掘进方向延伸近20m，裂缝宽度最宽达20mm，平均宽度10mm，微裂隙较多，岩体外移10mm；9#钻场对应巷道前后20m范围内巷道有明显湿润迹象。煤体大量位移为应力、煤体瓦斯压力释放提供了空间，使得应力释放成为可能，压裂、破碎了煤体、沟通了原有裂隙，形成了发育的裂隙系统，增大了煤体的透气性，疏通了瓦斯流动通道。
　　4.2 瓦斯抽采效果
　　由压裂现场情况及裂隙发育情况看，压裂范围为半径20m的圆柱体，上下以顶底板为界。在9#钻场施工10个抽采孔，终孔位置距离压裂孔终孔位置20m以内，选取有代表性的1#、2#、3#抽采孔为压裂范围内的抽采孔，同时以距离9#钻场40m 的8#钻场为对比钻场，选取30个常规抽采孔中具有代表性的5#孔为代表，对比孔在同一抽采系统内，具有相同的孔径、负压、压差等。压裂效果考察从2009年11月15日到12月22日，在8天后，常规5#孔瓦斯浓度衰减到30%以下，20天后维持在5%低位，5#常规抽采孔抽采瓦斯465m3，8#钻场30个常规抽采孔共抽采瓦斯9510 m3；压裂范围抽采孔瓦斯流量逐渐衰减，压裂孔19天内共抽采瓦斯4233.8 m3，1#～10#孔共抽采瓦斯17507m3，9#钻场共抽采瓦斯21740 m3；以下为对比压裂抽采孔与常规抽采孔瓦斯抽采总量的结果，见表1所示。
　　压裂控制内，煤厚4 m，平均瓦斯含量10m3/t，煤体密度1.35t/m3，预抽率原来不足15%，通过计算压裂孔控制范围瓦斯预抽率增加到32%，达到了抽采达标。
　　表1 抽采情况对比
　　图2 抽采情况对比
　　图3 抽采情况对比
　　4.3 效检超标率下降
　　11141机巷掘进工作面效检指标为钻屑量S、钻屑量解析值△h2。在7月份未压裂前效检超标14%，机巷掘进至压裂影响区后，安全掘进2个月未出现一次超标现象。同时，风流中瓦斯浓度明显降低，1月20日至3月15日期间，风流中瓦斯浓度平均在0.25%，比以前0.8%大幅度降低，且很少有超限情况。
　　4.4 掘进进尺提高
　　11141机巷2009年1～9月份月平均进尺42.9m，由于效检指标超标率、瓦斯超限大幅改善，有效掘进时间增加，12月份后进入压裂影响区月平均进尺58.2m，掘进速度提高35.7%。
　　4.5 经济效益显著
　　压裂后在压裂影响范围内，煤体物性得以改善，裂隙沟通形成网络，透气性增加，使得瓦斯抽采半径增加，在11141底抽巷钻孔工程量减少2/3，防突措施工程量大幅度降低，瓦斯大量被预抽、由此带来的通风、供电、措施、校检等费用大幅度降低，预计11041底抽巷压裂带来直接经济效益820万元。
　　5 结语
　　５.1 以大于煤层破裂压力的高压液体破碎煤体，沟通煤体裂隙，形成发育的裂隙网络，增加煤层透气性，抽采量大幅度提高，单孔最大抽采量是原来的9倍，区域预抽率提高到32%。
　　5.2 压裂后，煤体产生位移10mm，使煤体卸压有了空间，瓦斯压力大幅度降低，煤与瓦斯突出危险性减弱。
　　5.3 井下水力压裂增透技术，适应性强，过程安全，防护措施可靠，工程投入少，增透、卸压效果显著、经济效果明显，为矿井可持续发展提供了技术支持。
　　参考文献
　　[1]煤层气(煤矿瓦斯)开发利用.北京:科学出版社,2008:27-31.
　　[5]国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京:煤炭工业出版社,2009.
　　
　　
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