告成礦“三軟”煤層壓裂增透技術研究

田忠友

（中國礦業大學（北京），北京市海淀區，100083）

告成礦“三軟”煤層壓裂增透技術研究

田忠友

（中國礦業大學（北京），北京市海淀區，100083）

針對告成礦“三軟”煤層瓦斯抽采遇到的難題，對水力壓裂增透技術機理進行深入研究，并進行了現場試驗。試驗結果表明，水力壓裂前的瓦斯抽采量4.6%，日平均抽采瓦斯量0.970m3；水力壓裂后的瓦斯抽采濃度達到22.1%，日平均抽采瓦斯量10.437m3，效果明顯。

瓦斯抽采 三軟煤層 水力壓裂增透 點源模型

1 水力壓裂試驗區域簡介

告成礦水力壓裂試驗地點選擇在21采區的21031工作面，它的設計走向長1409m，傾斜寬147m，面積209941m2。煤層傾角7～10°，平均傾角9°，煤層平均厚度4.9m，該工作面開采二1煤層，東北部與－110運輸大巷和－100回風大巷相鄰，南接21采區3條集中下山，東為已回采的21021工作面，西為正在回采的21041工作面。

21采區屬于典型的“三軟”煤層，全層發育為IV類構造軟煤，堅固性系數0.3，煤層瓦斯含量10.5m3／t，瓦斯壓力0.42MPa。該巷掘進期間，瓦斯噴孔、夾鉆現象較嚴重。從煤體結構參數、瓦斯賦存情況及動力現象來看，該采區煤與瓦斯突出的危險性很大。目前，主要采取穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、淺孔排放瓦斯等綜合防突措施，采用q、s復合指標法進行突出危險性預測和效果檢驗。

2 水力壓裂增透機理

水力壓裂增透技術是將高壓液注入煤（巖）體中，使煤（巖）中的固有裂隙擴展并與壓裂后的裂縫、裂隙溝通，從而提高煤層的透氣性，增加瓦斯的可抽采性。

注入壓裂液使孔壁發生開裂的瞬時壓力稱為初始破裂壓力。掌握破裂壓力對分析研究煤層的壓裂規律和選擇確定壓裂施工設備是十分重要的。

水力壓裂部位可視作無限大球體中的一個中心點源，見圖1，它屬于空間問題球坐標形式。

圖1 點源模型示意圖

該模型適于水平與垂直應力差別不大的厚煤層，在三維地應力相差不大的情況下，有：

式中：σR——地層中一點相對球中心的徑向主應力，MPa；

σvT、σHT——地層中一點相對球中心的兩個相互正交的切向應力，MPa；

a、b——分別為中空圓球的內、外半徑，m；

R——該點距球心的空間距離，m；

P1——孔內水壓力，MPa；

P2——地應力，MPa。

根據固體力學材料強度理論，可對材料在復雜應力狀態下是否發生破壞進行判別的理論有6種，即最大主應力理論、最大主應變理論、最大剪應力理論、總應變能理論、畸變應變能理論和莫爾應力圓理論。

由于煤巖脆性較大，一般情況下用最大主應力理論作為煤層初始破裂壓力Pco的計算依據。根據試驗可得煤的單軸抗拉強度σbt，可得破裂壓力：

3 水力壓裂增透方案設計

3.1 水力壓裂方案選擇

為全面掌握水力壓裂技術在告成礦煤田地質條件下的適應性，理應選擇穿層鉆孔和順層鉆孔兩種方式分別進行試驗。但是，由于順層鉆孔對工作面的日常生產與管理工作影響較大，故本次試驗主要針對穿層鉆孔，具體壓裂試驗地點為21031抽放巷（北段）1＃鉆場。

3.2 水力壓裂方案設計

21采區壓裂孔的布置如圖2所示，壓裂孔孔徑94mm，孔長34.5m，封孔深度25m，垂直巷幫以＋12°角度施工。壓裂孔均采用內徑25mm封孔管，用水泥砂漿封孔。

圖2 21031抽放巷（北段）1＃鉆場壓裂孔布置圖

3.3 水力壓裂技術要求

（1）注水壓力：注水壓力是試驗的重要參數。若注水壓力過低，不能壓裂煤體，煤層結構不會發生明顯變化，相當于低壓注水濕潤措施，短時間內注水起不到卸壓防突的作用；若注水壓力過高，導致煤體在地應力和水壓綜合作用下迅速變形，可能誘發事故。因此，合理的注水壓力應該能夠快速、有效破裂松動煤體，進而排放煤體瓦斯，達到消除煤與瓦斯突出的目的。

（2）壓裂時間：壓裂時間與注水壓力、注水量等參數密切相關。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，高壓水在已溝通的裂隙間流動，注水壓力隨注水流量的變化而波動，當注水泵壓降達峰值的30%左右時，可以作為注水結束時間。

（3）壓裂層段：煤層作為壓裂目的層宜有適當的瓦斯含量和厚度，一般瓦斯含量在6m3／t以上，厚度1.5m以上。煤層壓裂層段及其上下圍巖賦存完好，無斷裂構造，以保證壓裂時不發生串槽、卸壓事故。

4 水力壓裂現場試驗

各項參數選擇完畢后，開始實施水力壓裂試驗。21031抽放巷（北段）穿層鉆孔壓裂試驗于2010年10月12日實施，最高壓力21.09MPa，用時160min，注水量64.9m3。試驗過程中壓力和累計流量變化曲線如圖3所示。

壓裂結束后，頂板產生1cm左右的裂縫，并有脫皮；觀察孔有大量出水；一聯巷向南20m處瓦斯抽采孔出水；一聯巷向南抽放巷頂板12m處頂板有輕微脫皮、40m往里頂板有明顯淋水。

圖3 21031抽放巷（北段）穿層鉆孔壓力和累計流量曲線圖

5 水力壓裂增透效果考察分析

在21031抽放巷（北段）壓裂鉆孔的左右兩側各施工了一個考察孔，用于效果考察，鉆孔參數如表1所示，鉆孔布置同壓裂孔，參見圖2。

現場考察分兩個階段，壓裂前從2010年10月1日到10月11日，壓裂后從2010年10月14日到2010年11月13日，瓦斯平均抽采濃度由壓裂前的4.6%到壓裂后的22.1%，提高了380%；日平均抽采瓦斯量由壓裂前的0.970m3到壓裂后的10.437m3，提高了9.76倍。21031抽放巷的瓦斯抽采效果在水力壓裂后有明顯改善。

表1 21031抽放巷（北段）考察孔參數表

6 結論及展望

采取水力壓裂技術措施后，瓦斯抽采量大幅度上升，煤（巖）壁出水，這些現象表明，壓裂效果良好。

水力壓裂后，瓦斯抽采濃度由4.6%上升至22.1%，雖然提高了3.8倍，但是，瓦斯抽采的濃度還不是很高，這是由于鉆孔的封孔質量較差的緣故。因此，提高瓦斯抽放鉆孔封孔質量是瓦斯抽采的重要問題，亟待進一步研究。

[1] 張少科，張宏軍，楊青合等.地質構造對告成礦瓦斯突出的影響及對策[J].江西煤炭科技，2006（2）

[2] 崔清理，胡同嶺，胡永超等.告成礦21采區二1煤層消突技術探討與實踐[J].江西煤炭科技，2007（4）

[3] 姜光杰，孫明闖，付江偉.煤礦井下定向壓裂增透消突成套技術研究及應用[J].中國煤炭，2009（11）

[4] 郭峰.低透氣突出煤層水力壓裂增透技術應用研究[J].中國煤炭，2011（2）

[5] 王思鵬.低滲煤層壓裂增透新技術研究[J].中國煤炭，2010（7）

[6] 宋建成，郭啟文，陳學習等.告成礦“三軟”煤層井下水力壓裂增透技術研究報告[R].鄭州：河南省煤層氣開發利用有限公司，2010

[7] 杜春志.煤層水壓致裂理論及應用研究[D].徐州：中國礦業大學，2008

[8] 陳小奎.煤層水力壓裂三相棍合數值模擬研究[D].淮南：安徽理工大學，2008

Research on hydraulic fracturing increased permeability technology for soft coal seam with soft roof and floor in Gaocheng coal mine

Tian Zhongyou

（China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China）

Aimed at the difficulties of gas drainage in soft coal seam with soft roof and floor in Gaocheng coal mine，the mechanism of hydraulic fracturing increased permeability was further studied and the site application was carried out.The results showed that the drained gas amount was enhanced from 4.6%to 22.1%and the average gas amount per day was increased from 0.970m3to 10.437m3after using the technology of hydraulic fracturing increased permeability，suggesting agood gas drainage effect.

gas drainage，soft coal seam with soft roof and floor，hydraulic fracturing increased permeability，point－source model

TD712.6

A

田忠友（1961－），男，黑龍江五常人，在讀博士生，教授，現在華北科技學院從事教學與科研工作。

（責任編輯 梁子榮）