瓦斯较难抽放煤层水力压裂增透技术的应用

尹振林 许大会(通化矿业集团公司道清煤矿，吉林 白山 134301)

瓦斯较难抽放煤层水力压裂增透技术的应用

尹振林 许大会(通化矿业集团公司道清煤矿，吉林 白山 134301)

科学技术的不断发展，为煤矿安全生产的提高及设备性能的优化带来了重要的保障作用，促进了煤矿企业的快速发展。针对通化矿业集团公司道清煤矿煤层属于较难抽放瓦斯煤层，煤层透气性差、瓦斯抽采效率低，给相关安全生产计划的顺利完成带来了严重的威胁。因此，研究水力压裂增透技术并进行应用，提高钻孔瓦斯抽采效率，消除局部应力集中，最终达到消除瓦斯超限保证安全生产的目的。

瓦斯;难抽煤层;水力压裂;煤层增透;安全生产

道清煤矿北斜井经沈阳煤科院测定煤的破坏类型为Ⅱ～Ⅲ类，煤的瓦斯放散初速度指标ΔP介于5.41～15.28之间；煤的坚固性系数f值介于0.18～0.75之间；煤层的透气性系数在0.366～2.543m2/MPa2·d之间；吸附常数a值为21.542ml/g·r、b值为0.862MPa-1；钻孔瓦斯涌出量衰减系数介于0.0487～0.0717ad-1。属于较难抽放类型。抽采效果差，无法保证安全生产。为解决低透气性煤层带来的瓦斯抽采率低的问题，应用水力压裂增透技术，增强煤体透气性，提高钻孔瓦斯抽采效率，解除局部应力集中，最终达到消除瓦斯超限保证安全生产。

1 水力压裂增透机理分析

井下水力压裂增透技术是利用高压注水迫使煤体裂隙扩张，孔隙增大，从而提高煤层的透气性，使吸附状态的瓦斯转变为游离状态的瓦斯增多，提高瓦斯抽采效率，试验表明，裂缝起裂取决于注入时间、注水压力、通过高压水力渗透使煤层内部组织受到破坏，煤层裂隙扩大，增多，达到消突、降尘、阻止自燃、解除局部应力集中及增强煤层透气性，从而提高煤层的瓦斯抽采效果。

2 水力压裂技术的实施

2.1 钻孔设计

在道清煤矿北斜井-505轨道下延中段实施5个穿层钻孔，其中3号孔为水力压裂钻孔，2号孔、4号孔为水力压裂观测孔，水力压裂孔与2个放观测孔为平行孔，平行距离为8m在水力压力控制范围内。1号孔、5号孔为普通预抽钻孔，水力压裂孔与2个普通预抽钻孔为平行孔，平行距离为16m在水力压力控制范围外。钻孔全部实施完毕后，通过2号、4号水力压裂观测孔与1号、5号普通预抽孔的对比数据来判断，水力压裂，是否增大钻机控制-520m顶高线水力压力控制范围内的煤体透气性以提高瓦斯抽采效果。

2.2 钻孔密封

钻孔密封是顺利完成水力压裂的保证。根据井下实际施工的情况2号水力压裂穿层钻孔前27米为岩石，施工时未出现塌孔现象，为保证顺利完成水力压裂，经研究确定水力压裂钻孔密封钙质页岩长度约27-30m，钻孔密封后48h后开始压裂。封孔材料为马丽散或黄泥+木楔等。其余孔段采用机械方式进行封孔，封孔材料为425#普通硅酸盐水泥与白水泥（比例=3.5∶1）进行封孔，封孔长度应根据压裂钻孔的长度进行确定，具体为钻孔封孔至5#煤层顶板钙质页岩与灰岩交界面或直接封至煤岩交接面，（详见图1）。1号孔、3号孔为瓦斯抽放观测孔，钻孔密封深度为10米。采用两堵一注的封孔方式进行封孔，在封孔段的两端用聚氨酯进行封堵，再通过注浆管对两端封堵段之间的钻孔段进行注浆，待浆液固化后，与煤体颗粒固结在一起，有效密封漏气通道。

2.3 现场压裂的实施

压裂实施前，需要对注水压力、流量、注水时间及压裂结束条件等主要参数进行估算。

(1)压裂过程中注水压力的变化是压裂进行程度的直观反映。注水压力的主要影响因素包括煤层埋深、邻侧抽采孔布置间距两个因素。根据道清煤矿煤层埋深及压裂的经验，在我矿的4层煤进行水力压裂，抽采孔与压裂孔间距为8m时，注水压力控制在13MPa左右。

(2)压裂时间与注水压力、流量等参数密切相关。注水过程中，煤体被逐渐压裂破坏，各种孔裂隙不断沟通，高压水在已沟通的裂隙间流动，注水压力及流量等参数不断发生着变化，注水时间根据注水过程中压力及流量的变化来确定，水力压裂全过程一般需要4一8小时左右。

(3)压裂实施过程中，需连续记录注水压力和时间，根据现场实际情况，进行调整压裂孔注水压力。根据钻孔设计，此次压裂孔与邻侧抽采孔间距为8m。当压裂孔与邻侧抽采孔出现高浓度瓦斯或出水，或注水泵压不再上升或出现泵压回落时，立即停泵，压裂结束。在煤体深部，水力压裂过后裂隙发育完成，瓦斯通道形成，在抽采负压的作用下瓦斯由吸附状态变成游离状态。而对于水力压裂孔影响区，煤体内瓦斯由于受到高压水的驱赶，高浓度瓦斯会积聚在钻孔内，进行抽采时会出现大流量、高浓度瓦斯。

3 对比与分析

(1）水力压裂后，由于煤体裂缝的贯通，透气性增加，抽放浓度明显增大，通过15天的数据收集与对比，其中2号、4号水力压力范围内预抽孔，最高抽放浓度为37.5%，1号、5号水力压裂范围外预抽孔，单孔抽放浓度最高为19%，抽采效果提升明显。

(2)一般的钻孔瓦斯抽放时，衰减速度快，在抽采6天后浓度、流最迅速下降，而水力压裂孔在对比观测的12天内均保持较高水平，通过12天的数据分析根据抽放范围内抽放量的计算1号、5号非压裂区域内2个预抽孔抽放半径内抽采率为13.2%，2号、4号压裂区域内两个预抽钻孔抽放半径内抽采率为27%，由此判定该区域实施的水力压裂钻孔提升了2倍的抽放时间。

4 结语

根据实际检测水力压裂前后煤体抽放浓度的对比分析可知，水力压裂使煤层中的裂隙增大，透气性增强，提高了抽放效果，使大量的瓦斯被抽出；同时改变了煤体内部应力结构的重新分布，在一定范围内起到消突的作用，消除了煤与瓦斯突出的隐患；同时经过水力压裂后的煤体内水分增加，减少了在开采过程中粉尘产生量，改善了井下的作业环境，能有效降低尘肺病的生成机率，并且保证了煤矿企业生产的正常接续和安全生产。

[1]水力压裂技术手册作者：俞绍诚.

[2]水力压裂原理 作者：王鸿勋.

[3]高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究《安徽理工大学》闫金鹏.