金黃莊煤礦水力壓裂增透技術研究應用

劉德春+曹國華

摘 要：金黃莊煤礦為煤與瓦斯突出礦井，煤層的瓦斯壓力高，透氣性較差。而且隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和地應力相應增大，煤層的突出危險性會繼續增大，針對金黃莊煤礦低透煤層的強化，研究應用了增透抽采技術。

關健詞：煤礦;水力壓裂;增透技術;研究應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.056

1 研究背景

1.1 礦井概況

金黃莊礦業地處蘇魯豫皖交界安徽省宿州市蕭縣境內，淮北平原北部，黃河故道南岸，緊靠淮海經濟區、徐州都市圈中心城市徐州市，地理位置優越，交通方便。井田面積30平方公里，煤炭儲量1億噸。礦井設計生產能力45萬噸，服務年限為50年以上。金黃莊煤礦為煤與瓦斯突出礦井，煤層的瓦斯壓力高，透氣性較差。而且隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和地應力相應增大，煤層的突出危險性會繼續增大，針對金黃莊煤礦低透煤層的強化增透抽采技術的研究迫在眉睫。

1.2 增透技術簡介

增透技術手段隨著瓦斯治理工作的深入開展也在不斷提高，目前國內突出煤礦所采。目前國內對低透氣突出煤層的卸壓增透措施可分為兩類，一類是煤層層外卸壓增透技術，另一類是煤層層內卸壓增透技術。煤層層外增透技術在一些方面已經應用較為成熟且效果顯著，例如開采卸壓層技術。根據目前國內外研究成果，水力壓裂技術可以實現大范圍卸壓增透，并大幅度提高瓦斯抽采效率。將水力壓裂強化增透技術與底板巷穿層鉆孔預抽瓦斯技術相結合，便能以實現首采工作面的大范圍卸壓增透，進而實現高效消突，從而實現礦井安全高效生產。特別是在近兩年煤炭產業效益下滑的形勢下，煤礦在瓦斯治理方面的投入卻越來越大，在這種經濟背景下，從技術、經濟角度提高煤層卸壓增透效果是煤礦必由之路，而采用井下水力壓裂增透則是最適宜的技術手段。

1.3 增透技術應用

金黃莊煤礦煤層的透氣性較差，導致了B103首采工作面的底板穿層鉆孔預抽效果非常不理想，既大幅增加了抽采鉆孔數量，增大了抽采成本，同時也嚴重影響到了礦井的安全生產。因此必須采取輔助的卸壓增透措施，以提高抽采和消突效果。為提高B103工作面底抽巷穿層抽采效果為目的，金黃莊礦業與安徽理工大學合作共同研究B103工作面底抽巷穿層水力壓裂增透技術，利用穿層鉆孔對回采區域煤層進行水力壓裂作業，使煤層得到大范圍卸壓，從而增加煤層內部裂隙，提高煤層透氣性，提高預抽穿層鉆孔抽采效果。

2 水力壓裂增透技術內容

2.1 技術內容

通過本次水力壓裂增透技術的研究，形成了適用于金黃莊煤礦的底板巷穿層鉆孔水力壓裂工藝。具體工藝流程包括：壓裂設備選型及調試、壓裂鉆孔設計與施工、測定煤層基礎參數、壓裂鉆孔封孔、高壓水力壓裂、施工抽采鉆孔、壓裂效果檢驗、數據分析。

2.2 原理

煤層水力壓裂技術是一種通過使煤層卸壓來達到強化抽采瓦斯目的的方法。其基本原理是利用高壓泵將水在一定的壓力下通過鉆孔壓入煤巖層，使其載荷急劇增高，在地應力和水壓的綜合作用下使鉆孔壁產生位移，擴大鉆孔周圍煤體的卸壓區域，使煤體內產生更多裂隙，最終在煤層中形成高透氣性瓦斯抽采帶，提高瓦斯抽采率。

2.3 工藝流程

水力壓裂工作按時間先后順序分九個步驟，具體工藝流程如下：①圍巖裂隙注漿鉆孔設計、施工及注漿→②壓裂設備安裝與調試→③壓裂鉆孔設計與施工→④測定瓦斯基礎參數及煤層含水率→⑤壓裂鉆孔封孔→⑥水力壓裂→⑦壓裂效果檢驗→⑧施工抽采鉆孔→⑨數據分析。

3 礦水力壓裂增透的效果

通過壓裂后瓦斯含量的測試分析，高壓水導致瓦斯氣體被驅趕至較遠的區域，并在壓力孔附近形成低含量區域。而當壓裂孔內的水被排出后，裂縫內的水將空間還給瓦斯氣體，被驅趕至其他區域的瓦斯緩慢運移至該區域。由于水在煤體表面會形成一層水膜，同時孔隙內的水分也會堵塞瓦斯運移通道，因此“回填”的瓦斯氣體較少，這也導致了壓裂孔附近區域雖然壓裂效果最好，但瓦斯富集量卻最少。綜合瓦斯運移規律及水力壓裂特征，本次水力壓裂的影響范圍達到20m半徑。

壓裂后的抽采鉆孔具有“水份邊散失，瓦斯邊解吸”特征，即抽采鉆孔的抽采濃度和單孔抽采瓦斯流量曲線均存在明顯的初期上升過程、快速上升過程、穩定過程三個階段。根據試驗數據分析，在煤體的親水性、瓦斯放散速度等因素的影響下，金黃莊礦壓裂后抽采的初期上升過程可能要持續15天左右，而后便進入快速上升期。

通過本次水力壓裂增透實驗，該區域的瓦斯抽采濃度大幅度提高（最高達到原始區域的4倍之多），瓦斯抽采純流量明顯提升（為未壓裂區域的3.04倍，甚至最高達到幾十倍）。而且，瓦斯的平均抽采速率是原始區域的2.5倍（最高達到6.17倍）。

數據表明，水力壓裂增透措施顯著的提高了瓦斯抽采率，增透、增產時間長。水力壓裂增透技術達到了預期。

總之，傳統的密集鉆孔進行瓦斯抽采，煤層透氣性較低，抽采時間長，嚴重影響生產進度。而水力壓裂增透技術的實施有效的縮短了煤層消突時間，減少了抽采達標時間，為礦井安全生產提供了保障。此方法達到了國內領先水平。具有廣泛的推廣應用價值和良好的經濟社會效益。endprint