水力压裂技术在高产高效矿井瓦斯治理中的应用

柳岸春

（国能神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

近年来，由于新技术、新工艺、新技术装备等在煤炭开采领域的应用，煤炭开采技术水平显著提高，工作面开采强度也日益增强，其高产高效低瓦斯矿井瓦斯涌出表现出了速度快、较集中和极不均衡等特点。神东矿区在多数矿井开采过程中，出现了煤层的原始瓦斯浓度相对较低，而当矿井开采力度大、生产率高时，矿井内绝对瓦斯涌出量大的现象[1]。其中，布尔台矿井是典型的高产高效低瓦斯矿井之一，然其在采掘过程中矿井的绝对瓦斯涌出量高达35.51m3/min，且随着矿井深度的扩大，绝对瓦斯涌出量有明显增长趋势[2]。所以，对如何解决布尔台煤矿采煤工作面的回风隅角气体易聚集、顶板垮落易造成的气体含量瞬间增加这一主要危险源至关重要。从技术层面上讲，提升采场硬顶板管理水平，并降低在硬顶板破断过程中产生的动力显现强度，是克服矿山压力显现和来压时，回采工作面内绝对瓦斯涌出量异常变动的主要路径，也是保障作业面内安全生产的主要举措[3]。据目前的生产实践分析，水力压裂既可以从根本上改善坚硬岩体的构造，也可以有效地削弱坚硬顶板。故本文依据水力压裂基本原则，确定了适合于该矿井的水力压裂装备，并在现场进行了定向长钻孔分段水力压裂的强制放顶技术实验研究，用以提高矿井工作面顶板管理水平，实现采空区瓦斯抽采综合治理。

1 矿井及主要研究煤层概况

布尔台煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，是神华神东煤炭集团主力生产特大型矿井之一，井田东西长6.8～18.4km，南北宽2.2～16.3km，面积为192.63km2，设计可采储量为20.16×108t，年生产能力2000×104t，服务年限为71.3年。矿井采用斜井—平硐—立井综合开拓，分区抽出式通风，回采工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法开采全部垮落法管理顶板。

目前，矿井开采煤层为42上煤层，煤层赋存稳定，整体构造简单，属于全区可采的较稳定煤层。煤层原始瓦斯量为1.81～2.28m3/t，透气性系数为0.158782～0.265069m2/(MPa2·d)。42201回采工作面平均埋深约349.6m，煤层厚度为5.1～7.30m，平均6.24m。工作面顶板以砂质泥岩为主，厚度为5～15m，底板为砂质泥岩，工作面初次来压步距为40m左右，周期来压步距为19.5m左右。

根据2018年布尔台煤矿矿井瓦斯等级和涌出量评估报告结论[4]，矿井的相对瓦斯涌出量为0.74m3/t，绝对瓦斯涌出量为35.51m3/min，42201回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为4.36m3/min，相邻的42109辅运巷掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.45m3/min。但该工作面煤层可解吸瓦斯含量仅为0.10～0.44m3/t，可见这是典型的高产高效低瓦斯矿井回采工作面瓦斯异常涌出现象。

2 瓦斯治理技术难点

（1）由于煤层的原始瓦斯浓度相对较低，而煤矿开采力度大、生产率较高，造成了煤矿的绝对瓦斯涌出量相对较高而且不均匀，瓦斯灾害显现的频率和严重程度较高。

（2）煤层透气性差，可解吸瓦斯含量较低，导致瓦斯不易释放。同时，由于工作面基本顶坚固，在直接顶垮落后无法填满采动空间，从而造成了基本顶悬顶，回采期间工作面的矿山压力显现和来压现象更加明显，在矿山压力显现和来压时，常造成煤壁瓦斯涌出增加。

3 定向水力压裂技术

3.1 定向水力压裂原理

定向水力压裂工艺技术[5-6]是指在顶板岩层压裂段利用水力割缝工艺将施工顶板钻孔中的煤体切断，形成预制横向切槽，随后采用密封设备对切槽段进行密封，再向钻孔中注入高压水对之实施水力压裂，并利用预制横向切槽引导致裂裂纹发展方向的工艺技术。定向水力压裂对坚硬难垮顶板的控制有着较为突出的成效，其主要体现在压裂与软化2个方面，并由此尽可能地破坏顶板岩层的完整性，进而削弱其强度与稳定性，使得采空区顶板能够实现分层分次垮落，从而缩短初次来压距离和周期来压的步距，达到降低并消除坚硬难垮顶板对作业面回采影响的目的[7-8]。

3.2 水力压裂的主要设备

水力压裂的主要装置包括管路系统、辅助系统、压裂系统三个部分[9]。其中，压裂系统主要由高压注水泵、水箱和压力表、水表、卸压阀和相关设备的连接接头等所构成（如图1所示）。高压注水泵主要作用是在高压下将压裂液、支撑剂等深入预制导向槽中，以引导裂纹扩展发育；管路系统通常会使用无缝钢管或抗压胶管，以起到传输功能。所以，需按照技术条件精心选择。

图1 压裂系统连接图

3.3 定向水力压裂施工工序和工艺

水力压裂顶板的一般施工工序包括：钻孔、封孔、水力压裂、高压保压注水等内容。顶板定向分段水力压裂如图2所示。

图2 顶板定向长钻孔分段水力压裂示意

首先使用大功率钻机，在需压裂的坚硬顶板上实施钻孔。依据工作面围岩特性以及顶板的岩性改变而决定钻孔深度，并按照所要求压裂平面夹角的改变而决定钻进夹角，钻孔水平投影至巷道方向的视角通常在70°～75°，而钻进仰角则通常不宜高于20°。

钻孔的封孔方式：首先将橡胶密封装置安装到预设封孔的部位，然后向密封装置注水或继续加压至设定的水压范围，使密封装置的橡胶管能够撑紧孔道，从而实现高压水流对预裂缝的起裂及其扩展发育，达到弱化顶板的目的。

高压水力压裂主要是利用高压水泵所供给的高压水流，进而经过高压胶管、注水管道以及压裂管等管路实施压裂，并利用高压水泵的压力表以及水压检测仪的压力曲线监测预裂缝的起裂。

预裂缝在起裂之后水压将有所降低，进而步入保压阶段。在这一阶段，原生裂隙仍将不断扩大并伴随产生无数大小不一的次生裂隙，并在此过程中，需通过流量计监测流量及所注入的水量，确保顶板岩层能够完全弱化和软化。

4 定向水力压裂设备确定

（1）切槽钻头。根据矿井现有的钻孔设备，在定向水力压裂钻孔选用型号为ZDY15000LD型履带式全液压定向钻机进行施工，该钻机钻进深度在500m以上，适应性强，体积小，可满足井下施工。

（2）钻孔密封设备。为了保证钻孔的密封性，钻孔采用专用胶囊封孔器进行密封，抗压强度不低于40MPa，外径为105mm。

（3）定向水力压裂设备。运用定向水力压裂技术致裂顶板的核心是控制裂纹的起裂以及扩展的方向，以尽可能地对顶板进行定向致裂，破坏坚硬难垮顶板岩层的完整性，从而较大程度地降低坚硬顶板的强度及其稳定性，释放顶板弹性能，实现采空区顶板的分层、分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，或者说实现巷道浅部围岩高应力的转移，达到降低动压巷道应力环境的目的。所以，合理地选取高压泵设计参数是有效弱化坚硬难垮顶板强度和减小应力环境对动压巷道影响的关键。

现阶段煤矿井下常用的高压泵组型号有BRW200-31.5、CBYL400等，其中BRW200-31.5高压泵组电动机额定工作功率为125kW，提供的最高水压为31.5MPa，流量最大为12m3/h，在西南地区使用的比较普遍，但是主要存在注水流量过小问题，不能满足井下压裂供液需要。在42上煤层辅运巷水力压裂采用的CBYLA00高压泵组，该设备具有体积小、流量大、自动化程度高等优点，具体设备运行参数见表1。

表1 CBYL400高压泵组运行参数

（4）钻孔密封设备。高压管路，选用DN50高压胶管，耐压70MPa。

5 效果分析

为了分析定向水力压裂技术的应用效果，运用矿压监控系统对回采进入压裂施工区前后的顶板及支架压力变化实施了动态监控，以分析其对顶板压裂弱化的效果；并选择测风当天检修班和生产班，就42201工作面的上隅角瓦斯抽采效果开展了检测。其中，联络巷插管瓦斯抽采示意如图3所示，上隅角瓦斯抽采量与风排瓦斯量对比如图4所示。

图3 联巷插管示意图

图4 上隅角瓦斯抽采量与风排瓦斯量对比

经过综合分析，压裂施工后顶板来压强度明显降低，最高压力由59.1MPa降低至48.0Ma，来压步位也由44～46m降低至23m左右，整体上超过40MPa的来压范围也显著下降。其上隅角瓦斯抽采量为2.70～3.79m3/min，平均为3.25m3/min，风排瓦斯量为1.61～1.69m3/min，平均为1.65m2/min。上隅角瓦斯抽采量占总瓦斯涌出量的比例为62.65%～69.16%，联络巷插管采空区抽采瓦斯成效显著。

6 结语

（1）基于水力压裂原理，确定了适用于该矿井工作面的水力压裂技术装备，水力压裂技术装备主要有管路系统、辅助系统、压裂系统。

（3）在现场使用后，顶板的来压强度明显降低，最大压力由59.1MPa下降至48.0MPa；上隅角瓦斯抽采量占总瓦斯涌出量的62.65%～69.16%，联络巷插管采空区抽采瓦斯成效显著。