低透氣性煤層高壓水預裂試驗及效果分析

文/王瑞　白鵬

低透氣性煤層高壓水預裂試驗及效果分析

文/王瑞白鵬

煤礦低透氣性煤層瓦斯治理是世界性難題，長期以來一直未得到徹底解決，此類煤礦瓦斯事故多發、易發，生產效率低下，高效開采難以實現。山西石泉煤業有限責任公司為高瓦斯礦井，現開采煤層為3#煤層，為較難抽采煤層，礦井客觀存在煤層瓦斯含量大、透氣性差、吸附性強、單孔抽采鉆孔衰減快，抽采效果差及“抽掘采”銜接緊張等實際情況，采用常規的瓦斯治理技術難以達到預期效果，瓦斯治理難度極大，嚴重制約礦井正常生產接續。經過實踐，高壓水預裂新技術效果顯著，煤層透氣性增強，單孔抽采鉆孔衰減緩慢，煤層內游離瓦斯所占比例明顯加大，單孔瓦斯抽采鉆孔濃度呈高倍數遞增，抽采純瓦斯量大幅度提升，為瓦斯利用所需氣源呈梯次遞增提供了技術支撐，夯實了高瓦斯礦井安全生產基礎。

一、30103工作面基本概況

石泉煤業30103備抽工作面走向長度為821m，傾向長度為180m，煤層厚度平均為6.4m，工作面煤層直接頂為砂質泥巖，基本頂為細砂巖，煤層底板直接底為泥巖，基本底為中粒砂巖。工作面沿走向回采，采用綜采放頂煤開采，采用一進兩回“U+I”型通風方式。30103工作面共布置三條順槽，其中膠帶順槽和軌道順槽均沿煤層底板掘進，分別作為工作面進風巷和回風巷，內錯尾巷沿煤層頂板掘進，作為專用排瓦巷，30103備抽工作面巷道平面布置如圖1所示。

二、高壓水預裂實施方案

30103膠帶順槽瓦斯含量為10.49m3/t，瓦斯壓力為0.43Mpa。根據30103工作面掘進期間瓦斯涌出量預測，30103工作面絕對瓦斯涌出量約為20.5m3/min，相對瓦斯涌出量為12.6m3/t。由于煤層透氣性較差，采用普通的平行鉆孔預抽煤層瓦斯，單孔瓦斯抽放濃度較低且衰減較快。為了增加煤層透氣性，提高工作面瓦斯抽采率，提升礦井整體通風能力，緩解風量緊張的局面，決定在30103膠帶順槽實施本煤層順層鉆孔高壓水預裂煤層。

1.預裂鉆孔布置方案

距30103膠帶順槽開口處308m處施工一個注水孔，注水孔距底板為1.3m，孔徑為Φ75mm，孔深為150m，傾角為0°，方位角為90°。

距底板1.6m與注水孔平行布置1個返水孔，兩個鉆孔間距為12m，孔徑為Φ113mm，孔深為150m，傾角為0°，方位角為90°。

圖1　30103備抽工作面巷道平面布置圖

注水孔封孔采用Φ50mm鋼管，孔口加裝閘閥，采用水泥砂漿封孔，封孔長度為15m，孔口裝設壓力表。

返水孔封孔采用Φ75mm×8m雙抗管，采用水泥砂漿封孔，封孔長度為12m，孔口裝設壓力表。

施工鉆孔采用低鉆速、大扭矩ZDY4000S型礦用全液壓坑道鉆機，為了保證施工鉆孔期間安全，在孔口安設孔口噴霧。

鉆孔施工采用井下靜壓水，注水孔和返水孔間距為12m，鉆孔布置如圖2所示。

圖2　30103膠帶順槽高壓水預裂鉆孔布置示意圖

2.高壓注水預裂實施方案

（1）高壓注水預裂工藝

采用BZW63/31.5-SZ型高壓柱塞泵，額定注水壓力為31.5MPa，額定流量為63L/min。

注水前配齊壓力表、流量表，以便及時掌握注水情況；注水過程中需連續記錄注水壓力及流量，必須安排專人做好詳細的原始記錄，根據現場實際情況，適時調整預裂參數。注水壓力不得小于20MPa。

每次注水需5個小時左右，采用間歇式注水，待煤壁掛汗返水孔出水后，表明注水孔和返水孔間距12m范圍，長150m面積范圍內的煤體內水分已達到飽和狀態，即說明煤體注水工作完成。

（2）高壓注水施工安全技術措施

注水前必須對高壓注水泵進行全面檢查，確保高壓注水泵運行正常。

進入注水地點，必須首先檢查工作現場周圍巷道煤層頂、幫情況，檢查確認安全后，方可進行注水作業，且注水地點風流中瓦斯濃度不得超過0.5%。高壓注水泵安設位置距注水孔間距不得小于30m，通過高壓膠管與注水孔進行連接，注水泵必須安裝牢固，靠巷道一側放置。此外，接、拆注水泵電源需辦理接停電手續，并由專職電工負責操作。

注水前，必須檢查各連接件連接是否牢靠，高壓膠管連接必須用正規U型卡進行連接，并采用8#鐵絲將連接處系牢加固。同時，還須認真檢查注水系統和注水管線的氣密性，在高壓管路密封性不嚴密或有破損現象時，禁止注水；若發現松動，必須及時進行有效連接，防止脫扣傷人；當高壓膠管處于承壓狀態或注水期間，禁止連接、拆卸和修理高壓管路。

注水期間，必須安排專人觀察注水鉆孔周圍及鄰近頂板、煤幫及支護情況，若發現異常情況，必須立即停止作業，采取措施進行處理。嚴禁人員正對注水孔，若發生片幫、冒頂或其它異常情況時，必須立即停止注水。必須經常檢查注水鉆孔附近處瓦斯濃度，若發現瓦斯濃度增大或存在異常涌出現象，必須及時匯報，采取針對性措施后，方可繼續進行注水。注水結束后，操作人員必須對注水管路進行卸壓，卸壓后方可拆除設備。

注水高壓膠管必須采用14＃鐵絲綁扎吊掛在巷道幫部，且在高壓膠管通過地段兩端懸掛警示牌并設置安全警戒，禁止人員通過，防止高壓膠管脫落或爆裂傷人。

注水前后，必須檢查兩鉆孔內的瓦斯濃度，并作好記錄，為注水半徑確定、注水效果分析提供依據。

三、試驗方法及效果分析

1.試驗方法

在30103膠帶順槽實施煤層高壓注水預裂試驗期間，當注水預裂壓力泵達到8MPa時，周圍巷道頂板、煤壁出現掉渣、響動現象，當注水達到一定程度，相鄰返水孔出現出水現象，說明當注水壓力達到8Mpa時相鄰鉆孔之間的煤層裂隙已通過高壓預裂導通，應力集中區重新進行分布，裂隙發育，即可將抽采半徑擴大到12m，相當于目前石泉煤業抽采半徑的6倍。為了考察高壓注水壓裂后的抽采效果，對注水孔和返水孔實施連接抽采，采集高壓預裂后單孔瓦斯濃度及抽采純瓦斯量等參數，如圖3、圖4所示，與普通抽采鉆孔參數進行對比、分析其預裂效果。

2.試驗效果分析

煤體采取高壓水預裂后，由于鉆孔壁原生裂隙及壓裂裂隙在高壓水作用下擴展發育并相互導通，使得原巖應力向深部轉移，瓦斯隨著鉆孔周圍煤層卸壓及壓裂裂隙溝通向鉆孔內流動，由圖3、圖4可以得出：

（1）鉆孔實施抽采后，鉆孔單孔濃度大幅度提高；預裂后1#、2#孔瓦斯濃度在10%～40%，平均瓦斯濃度為19.43%。實施抽采7個月后，瓦斯抽采濃度仍然還能達到15%。

（2）抽采純瓦斯量呈高倍數遞增；1#孔、2#孔的抽采純瓦斯量在0.04m3/min～0.1m3/min，平均抽采純瓦斯量為0.07m3/min，兩個鉆孔的抽采純瓦斯量相當于普通抽采鉆孔的4～5倍，足可見預裂對瓦斯抽采效果明顯。

圖3　1#孔瓦斯抽采濃度及抽采純量變化規律

圖4　2#孔瓦斯抽采濃度及抽采純量變化規律

（3）煤層透氣性增強，單孔衰減程度降低；高壓水預裂后，鉆孔瓦斯抽采濃度隨著時間的推移有增大的趨勢，煤層透氣性增強，瓦斯抽采濃度及抽采純量明顯增大。

（4）實施高壓水預裂并進行抽采后煤層瓦斯含量和壓力均大幅度降低，實現真正意義上的消突治突；對1#孔、2#孔間距為12m范圍的煤體內煤層瓦斯含量和壓力分別進行測定，煤層瓦斯含量為4.65m3/t，降低56%；瓦斯壓力為0.21Mpa，降低51%。

（5）實施高壓水預裂抽采半徑呈高倍數遞增，減小了鉆孔工程量，降低了瓦斯治理成本。

四、結論

實踐表明，高壓水預裂技術能夠有效提高單孔瓦斯抽采濃度及瓦斯抽采純量，相較于普通預抽鉆孔高4～5倍。同時，抽采濃度衰減時間明顯增長，有效提高了瓦斯抽采效率，使煤層瓦斯抽采半徑呈高倍數增加。鉆孔工程量減少90%以上，降低了瓦斯治理成本。

（作者單位：華電煤業集團有限公司山西分公司、山西石泉煤業有限責任公司）

（責任編輯：周瓊）