煤矿井下水力压冲增透强化抽采技术试验研究*

徐涛，冯文军，苏现波

(1.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆400060;2.中煤科工集团重庆研究院，重庆400037; 3.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454003)

煤矿井下水力压冲增透强化抽采技术试验研究*

徐涛1，冯文军2，苏现波3

(1.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆400060;2.中煤科工集团重庆研究院，重庆400037; 3.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454003)

∶新河煤矿为煤与瓦斯严重突出的基建矿井，煤层透气性低、瓦斯含量高。采用顶板抽放巷下向穿层钻孔进行预抽煤层瓦斯，抽采效率低，条带消突周期长。为提高新河煤矿抽采效果，先后尝试了水力压裂、水力冲孔增透措施，抽采效率有所改善，但持续时间短。在现场实践的基础上，提出了水力压冲一体化技术，以“水力压裂单元增透，水力冲孔出煤卸压”为技术思路，探讨了其技术流程、卸压增透及多级裂缝的形成机理，通过现场水力压冲增透抽采试验，结果表明，水力压裂后进行水力冲孔，瓦斯涌出严重，平均单孔涌出瓦斯1 485 m3，是未进行水力压裂的4.9倍，试验后最大日抽采纯量1 731 m3/d，平均623 m3/d，是试验前的2.9倍。

∶水力压冲;增透;多级裂隙;强化抽采

0 引言

预抽煤层瓦斯作为瓦斯治理区域措施，在不具备解放层开采的高瓦斯矿井中得到广泛应用。为提高低透气煤层抽采效果，国内外学者围绕低透气煤层增透、增流展开深入研究，并结合具体试验条件得到水力压裂［1-3］、水力冲孔［4］、深孔松动爆破［5］、水力割缝［6］等技术，且不同程度地提高了抽采效果，这些技术受到各自试验条件限制，未能全面推广应用。为尽快实现新河矿井首采工作面条带消突，河南理工大学与焦煤集团合作，展开水力增透强化抽采试验，并探索出适合新河矿煤层特点的“水力压冲”增透模式，即先进行水力压裂在煤层中产生主裂缝、降低煤体强度，后进行水力冲孔出煤卸压、诱导钻孔喷孔，对控制范围内煤层充分扰动，最终在控制范围煤层中形成多级裂隙。实践表明，水力压冲可大幅提高抽采效果，并适合应用于软硬互层的单一低透气性煤层。

1 工作面情况

新河煤矿12091首采工作面煤层倾角为11.5°～12.5°，走向长度913 m，倾向长130 m，平均煤厚6.08 m，埋深510～530 m，属稳定煤层。原始瓦斯含量6.62～27.86 m3/t，煤层透气性系数为0.002 MD，瓦斯压力0.78～2.60 MPa，属煤与瓦斯突出矿井。矿井水文地质条件复杂，受底板L8灰岩、L2灰岩、O2m灰岩等强岩溶裂隙岩承压水威胁，首采工作面通过在顶板岩巷施工下向穿层钻孔预抽煤层瓦斯，掩护工作面煤巷掘进。

在距煤层顶板8～12 m层位布置顶板岩巷，每隔20 m布置一个抽采钻场，每个钻场迎头布置4排钻孔，每排4个，预抽煤巷上帮30 m范围煤层瓦斯，左右两帮布置2排钻孔，每排6个钻孔，预抽煤巷下帮15 m范围煤层瓦斯，如图1所示。

在距煤层顶板0.4～1.2m处有连续且不稳定的软煤发育，煤层直接顶板为泥岩、砂质泥岩，间接顶板为细、中粒砂岩(大占砂岩)，底板为灰黑色泥岩、砂质泥岩。抽放钻孔容易发生塌孔和钻孔变形，常规密集钻孔抽采效率低。为尽早实现条带消突，需要采用强化措施提高煤层透气性。

图1 试验钻场钻孔布置图Fig.1 Test borehole pattern

表1 主要岩石力学性能参数Tab.1 M ain performance parameters of rock mechanics MPa

2 水力压冲增透抽采技术

2.1 水力压冲增透机理

水力压裂通过以大于滤失速率向煤层中注入高压水，最终在一定的范围煤层内形成大量裂缝，并沟通煤层原生和次生裂缝，提高煤层透气性［7］。在煤矿井下，受到设备排量限制，不能像地面水力压裂实现大面积增透。多数情况下，水力压裂的结果往往仅沿着最大主应力方向产生一条主裂缝，在垂直于最大主应力方向的煤层通常得不到有效改造。这一点在现场得到验证，主要表现为，压裂钻孔和最大主应力方向附近钻孔压裂后抽采量有明显提高，其余钻孔抽采量提高幅度不大，甚至较压裂前减小。

水力冲孔利用高压水射流的冲击力，破坏、剥离作用范围内的煤体，在钻孔周围形成大的孔洞，孔洞周围煤体在地应力作用下向孔洞移动，煤体膨胀变形，煤体得到充分卸压，煤层透气性大幅度增高，促进瓦斯解吸和排放［8-9］。然而，对于硬煤或者软硬互层的煤层，水力冲孔往往不能有效破碎煤层致使增透效果大打折扣。

水力压冲将两者结合起来，形成优势互补，通过水力压裂在煤层中形成主裂缝，形成瓦斯运移高速通道，形成单元增透，并降低煤体强度。通过水力冲孔出煤卸压，造成孔洞周围煤体膨胀变形，增加裂缝数目;并借助水力冲孔诱导钻孔喷孔，其周围裂隙在高压瓦斯作用下产生以拉伸为主的破坏［10］，同时形成径向引张裂隙、周缘引张裂隙、剪切裂隙和转向裂隙。

水力压冲最终通过“水力压裂单元增透，水力冲孔出煤卸压”，在作用范围内形成多级裂隙体系，使煤层中缝网分布更加均匀，煤层透气性得到最大程度的提高。

2.2 水力压冲增透技术流程

水力压冲流程如图2所示。

图2 水力压冲实施工艺图Fig.2 Hydraulic pressure implementation process

水力压冲期间注意以下事项。

1)水力压裂过程中，记录施工压力和流量，根据生成的水力压裂曲线初步判断水力压裂效果;

2)水力压裂后施工抽采钻孔、进行临时封孔，并测量统计各钻孔15～30 d的抽采数据，对抽采效果不理想钻孔进行重点分析;

3)水力冲孔期间记录冲孔时间和单孔出煤量，并根据冲孔期间瓦斯探头数据计算冲孔期间瓦斯喷出量;

4)水力压冲完成后进行永久封孔，测量抽采数据，结合水力冲孔出煤量、瓦斯喷出量对水力压冲进行效果评价，对于抽采不理想的钻孔可采取二次冲孔，直至抽采达标。

2.3 安全保障

为保障水力压冲安全高效实施，压冲设备与施工地点保持不小于200m的安全距离，并有风门相隔，通过远程操作台进行监控和操作;压冲期间，孔口有防护装置，以免发生大规模的瓦斯喷孔，同时，作业地点及上下风侧100 m处装有瓦斯浓度探头，记录监测作业期间巷道浓度变化情况，实现风电闭锁;作业期间，严禁人员进入作业地点;作业后，由瓦检员进入测量瓦斯浓度，观测巷道顶、底、帮的变化情况，并对异常情况及时汇报处理。

3 水力压冲现场应用

3.1 水力压裂过程

水力压裂总注水量70.4 m3，作业过程中施工压力19.7～23.2 MPa，最大压降达到3.5 MPa，从施工曲线(图3)中可以看出有明显的压降，说明在煤层经过压裂，有裂缝产生并得到延伸。

3.2 水力冲孔过程

在17#钻场40个孔内选7个孔进行水力冲孔，平均单孔冲出煤量1.31 t.冲孔期间孔内瓦斯急剧涌出(图4(a))平均单孔涌出瓦斯1 485 m3，是未进行水力压裂的4.9倍(表2)。冲孔结束后，钻孔附近煤体得到充分卸压，解吸后的游离瓦斯作用于煤体中的孔隙裂隙，进一步破坏煤体，并在瓦斯内能的作用下不间断涌出(图4(b))。

图3 17#钻场水力压裂施工曲线Fig.3 Operation curve of 17#drilling fracturing

图4 冲孔作业期间及结束后巷道瓦斯探头检测曲线Fig.4 Gas probe test curve during and after the punching operation

表2 水力压冲与水力冲孔效果比较Tab.2 Com pared of hyd raulic pressure w ith hydraulic punching

3.3 瓦斯抽采效果

17#钻场共施工瓦斯抽采钻孔40个，水力压裂后开始施工，从抽采数据(图5)中可以得知，抽采初期(2012.10.10—2012.10.24)平均日抽采纯量217 m3/d，试验后(2012.11.17—2013.04.02)136 d中，最大日抽采纯量1 731 m3/d，平均623 m3/d，是试验前的2.9倍。

图5 17#钻场压冲试验前后瓦斯抽采曲线Fig.5 17#drilling gas extraction curve before and after impact test

4 结论

1)煤矿井下水力压裂受设备排量限制，不能实现地面水力压裂大面积增透;水力冲孔对于硬煤或软硬互层的煤层增透效果有限;

2)水力压冲通过水力压裂形成主裂缝，增加瓦斯解吸面积，降低煤体强度;水力冲孔出煤卸压，最终在控制范围煤层中形成多级裂隙体系，实现最大程度的煤层增透、增流;

3)水力压冲通过水力压裂在煤层产生主裂缝，促进瓦斯解吸，再进行冲孔过程中瓦斯喷孔剧烈，平均单孔瓦斯涌出量1 485 m3，是仅进行水力冲孔的4.9倍。

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Experimental research on enhanced gas extraction application w ith hydraulic fracturing and flushing

XU Tao1，FENGWen-jun2，SU Xian-bo3

(1.Chongqing Energy Investment Group Science and Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400060，China; 2.Chongqing Research Institute，China Coal Technology＆Engineering Group，Chongqing 400037，China; 3.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China)

∶Xinhemine is a coal and gas outburst constructingmine，characterized as its low permeability and high gas content.When the downward borehole in the roof tunnel is used to extract gas for safety of the later coal tunneling，the extraction efficiency is low and period of eliminating outburst is long.Therefore，in order to improve the extraction effect in Xinhemine，hydraulic fracturing and hydraulic flushing are used to enhance the coal permeability，and then the extraction efficiency was increased，however，the effect can notmaintain for long time.In this paper，the authors presented hydraulic and flushing integration technology based on practice，which relies on the technical ideas of hydraulic fracturing to increase the unit permeability and hydraulic flushing to rush out coal and release the pressure.Besides，the technological processwas discussed，and the formingmechanism of pressure relief，permeability increase and multiple step fracture was clarified.The experiment of hydraulic fracturing and flushing showed that gas gushed seriously during hydraulic flushing and erupted 1 485 m3per borehole，which is4.9 times of before the hydraulic fracturing.Themaximum extraction volume of pure gas is1 731m3/d and the averageis 623 m3/d，which is 2.9 times of before the experiment.

∶hydraulic fracturing and flushing;increasing permeability;multiple step fracture;enhanced extraction

∶TD 712

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0305

∶1672-9315(2015)03-0303-04

∶2015-03-20责任编辑∶杨忠民

∶教育部高校博士点基金(20134116120006)

∶徐涛(1985-)，男，河南商水人，工程师，E-mail∶xuyoutao1985@163.com