復雜地質低滲煤層水力壓裂-割縫綜合瓦斯增透技術研究*

賈同千，饒　孜，何慶兵,，宋潤權，白　鑫

(1.重慶大學 資源及環境科學學院，煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400030 ； 2.川煤集團芙蓉公司白皎煤礦，四川 珙縣 644501)

0　引言

我國大部分高瓦斯突出煤層屬于低透氣性煤層，煤層瓦斯抽采技術難度大、成本高[1-3]。因此，學者們提出了水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等強化瓦斯抽采技術，進一步提高煤層透氣性，使煤層瓦斯進一步解析，減少瓦斯賦存，提高瓦斯抽采量，實現煤礦安全高效生產[4-6]。唐書恒等[7]運用數值模擬的方法研究了地應力對水力壓裂的影響。鄧廣哲等[8]通過對9塊大型煤樣進行水力壓裂實驗，研究了水壓裂縫發育過程中的各項參數，為控制水壓裂縫發育提高科學依據。沈春明等[9]運用數值模擬與相似模型實驗研究了割縫前后煤體的滲透性變化。林柏泉等[10]利用FLAC軟件研究發現水力割縫可有效消除“瓶塞效應”，提高抽采鉆孔的抽采半徑。

白皎煤礦為全國有名的極難抽采煤層高突出危險礦井，煤層透氣性極低、瓦斯含量高、瓦斯壓力高、地質構造復雜，為此，該礦采取多種治理措施取得一定成果，但并未滿足該礦實際生產需要。特別是在煤巷掘進過程中發生數次煤與瓦斯突出與瓦斯超限事故，嚴重影響了正常生產。

因此，針對這一情況，綜合使用水力壓裂與水力割縫2種技術，不僅解決了煤巷掘進過程中遇到的瓦斯超限和煤與瓦斯突出問題，也為之后的回采工作創造了有力條件。同時提出了以水力壓裂為主，水力割縫為輔并與瓦斯抽采相結合的瓦斯治理技術，為治理低滲高地應力煤巷條帶瓦斯提供了一種新的途徑。

1　復雜地質低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術原理

水力壓裂與水力割縫這2種水力化措施均存在各自的優缺點：水力壓裂作用范圍大效果好，但由于煤層地質條件的影響水力壓裂裂紋方向不易控制，壓裂影響范圍大并不均勻易存在“盲區”，適用于區域化瓦斯增滲；而水力割縫定位精準能夠對煤層的局部進行快速有效的割縫作業，從而實現煤層瓦斯問題的快速治理，可以作為水力壓裂的有力補充，但是水力割縫的影響范圍較小，適用于局部瓦斯增滲。因此可以綜合運用這2種水力化技術，取長補短，以提高煤層瓦斯問題的綜合治理效果。復雜地質低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術體系如圖1所示。

圖1　復雜地質低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術體系流程Fig.1　The complex geology of low permeability coal seam hydraulic fracturing-slotted comprehensive gas permeability increasing technology

根據水力壓裂與水力割縫的特點，針對復雜地質條件低滲煤層提出復雜地質低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術。即結合煤層地質資料以及瓦斯賦存資料，對該煤層進行區域瓦斯抽采達標檢驗或根據準備巷道掘進、回采過程中瓦斯是否超限，確定瓦斯含量未達標區域。并對該瓦斯含量未達標區域進行穿層水力壓裂作業，從而迅速提高該區域煤層的滲透性以及瓦斯抽采的效果。

水力壓裂施工完成后，對抽采孔的抽采效果進行考查，確定抽采效果欠佳的區域作為水力壓裂“盲區”，掘進、回采過程中瓦斯超限也作為“盲區”，使用水力割縫局部增透強化抽采，從而使煤層局部瓦斯含量迅速降低，達到相應作業要求。

通過使用復雜地質低滲煤層水力壓裂—割縫綜合瓦斯增透技術，不僅能使區域煤層瓦斯問題得到有效治理而且對于煤層內部由于地質構造造成的局部瓦斯問題也有較強的針對性，從而提高復雜地質條件下低滲煤層瓦斯問題的治理水平。

2　試驗地點條件

試驗地點位于白皎煤礦B4煤層2382工作面，工作面走向長度約392 m，煤層堅固性系數(f)為2～4，煤層走向275°，煤層傾向185°，傾角13～23°，平均傾角16°。其中B4煤層瓦斯含量平均為12.412 43/t，瓦斯含量系數為7.69 m3/(t·MPa0.5)。

白皎煤礦井田范圍內存在白皎背斜、巡場向斜、青山背斜，發現地面斷層10條，隱伏斷層11條，煤礦生產揭露落差大于2 m的隱伏斷層千余條。煤系地層中眾多的小斷層造成煤層在短距離內局部重復、缺失或增厚、變薄。同時，煤層埋深大，地應力大，煤層內部節理裂隙發育。復雜的地質條件導致礦井瓦斯超限、煤與瓦斯突出等瓦斯災害異常嚴重，建礦至今已發生煤與瓦斯突出231次，年均突出達5.12次。

3　水力壓裂瓦斯增透技術應用及效果分析

水力壓裂是通過將高壓水注入煤層鉆孔中，當高壓水的壓力達到煤層起裂壓力時，在鉆孔周圍會產生裂縫。隨著高壓水的不斷注入裂縫不斷發育擴展，最終在煤層中形成完整的裂縫系統，從而提高煤層的滲透性。由于其較好的增透效果，水力壓裂在煤礦中的應用日益廣泛。

3.1　水力壓裂鉆孔布置方式

為了考查水力壓裂的區域性增透效果，在2382工作面的238底板巷布置了3個壓裂孔，孔間距控制60 m，鉆孔傾角47°，鉆孔穿透兩層煤體，終孔距煤系最上煤層B4頂板0.5 m，壓裂鉆孔施工完成后立即封孔。鉆孔施工布置如圖2所示。

圖2　鉆孔施工布置Fig.2　layout of drill hole construction

3.2　壓裂壓力的確定

地應力不僅影響煤層的滲透性而且在水力壓裂過程中還影響著壓裂裂縫的起裂與發育。為有效計算水力壓裂參數，提高水力壓裂效果，在238底板道運用套孔應力解除法測定地應力[11]，確定主應力大小和方向(見表1)。

根據拉應力準則，破裂壓力的確定依據公式為[7,12-15]：

pf≥3σ3-σ1+T

(1)

式中：σ1，σ3分別為最大、最小水平主應力；T為煤體抗拉強度，MPa，取1.6[16]。

表1　地應力計算結果

注：地應力分量以大地坐標系為參考，大地坐標為Z軸向上，Y軸向北，X軸向東，主應力方位由北起順時針計算，傾角上傾為正、下傾為負。

經(1)式計算得此次井下鉆孔水力壓裂破裂壓力為27 MPa?？紤]到煤層裂隙發育以及煤層含水的影響，實際破裂壓力會少于此值。

3.3　水力壓裂實施過程

水力壓裂工作分3次實施，壓裂順序依次為3#壓裂孔、2#壓裂孔、1#壓裂孔。各壓裂孔壓力數據及壓裂時間[16]如表2所示。

表2　各孔壓裂數據

3.4　壓裂效果分析

3.4.1裂縫延伸方向及影響范圍分析

根據水力壓裂后巷道周邊的出水情況，可以判斷1#壓裂孔的影響范圍為從1#孔向壓裂區外延伸了80余米，向區內2#孔方向僅有少量延伸；2#鉆孔向3#鉆孔方向延伸已影響至3#孔，即影響范圍達60 m，但2#孔未和1#孔聯通。可以看出其壓裂發育分布不均勻，裂縫主要沿著煤層走向即垂直于最小水平主應力的方向上發育。

水力壓裂后，在壓裂范圍內施工穿層抽采鉆孔時發現，所有鉆孔均有水流出，結合理論計算的壓裂影響范圍綜合分析可知，1#壓裂孔的影響范圍為以向外延伸為主的不規則的形狀。2#壓裂孔與3#壓裂孔的影響范圍為1#壓裂孔向內20 m開始到3#壓裂孔向里30 m止的區域。圖3為水力壓裂影響范圍示意圖。

圖3　水力壓裂影響范圍示意Fig.3　Schematic diagram of water drilling in the coal seam after fracturing

由于3#壓裂鉆孔抽采瓦斯流量遠小于其他2個壓裂孔，沒有達到預期效果，決定對3#壓裂孔進行二次壓裂。對3#壓裂孔進行二次壓裂時出現壓力急劇上升至47.6 MPa而無法壓入的異常情況，因此立即停止了壓裂作業。分析由于該區域煤層底板為黏土巖，遇水會發生形變，且壓裂管上的篩眼較小，該鉆孔進行第一次壓裂后，回流的煤泥水已將多數篩眼以及煤體中的裂隙堵塞，從而造成了瓦斯抽采量小且無法壓入的情況。該孔的壓裂情況證明白皎煤礦238底板道區域的巖性不適合進行反復壓裂。

3.4.2壓裂鉆孔瓦斯抽采效果分析

表3為壓裂鉆孔與238底板道常規穿層抽采鉆孔瓦斯抽采參數。1#壓裂孔抽采瓦斯濃度較238底板道常規穿層鉆孔瓦斯抽采濃度提高2倍，抽采純流量提高12倍。2#壓裂孔抽采瓦斯濃度低于238底板道常規穿層鉆孔瓦斯抽采濃度，但其日抽采純流量較238底板道常規穿層鉆孔瓦斯日抽采純流量提高2.6倍。結合壓裂鉆孔施工情況：2#壓裂孔穿煤深度為1.5 m，而1#壓裂孔穿煤深度為6 m。該區域存在地質構造煤層賦存變化較大，使水力壓裂裂縫發育不充分，造成區域內局部瓦斯含量低。3#壓裂孔由于進行二次壓裂，抽采瓦斯濃度與238底板道常規穿層鉆孔瓦斯抽采濃度持平，抽采純流量低于238底板道常規穿層鉆孔瓦斯日抽采純流量。

表3　瓦斯抽采參數

壓裂結束后，將壓裂孔連入抽采系統并對其抽采情況進行監測。圖4分別為1#、2#、3#壓裂鉆孔的瓦斯日抽采濃度變化圖和日抽采純量變化圖。

圖4　1～3#孔瓦斯抽采濃度及純量變化曲線Fig.4　Variation curve of gas drainage concentration and purity in 1-3# hole

由圖4可以看出： 1#壓裂孔瓦斯抽采量呈現出穩定上升趨勢，瓦斯抽采濃度及流量均較238底板常規道穿層抽采鉆孔有較大的提高，且瓦斯濃度及流量衰減較小，壓裂后瓦斯抽采鉆孔存活時間較長。由于2#壓裂孔所處區域存在地質構造并且煤層賦存變化較大，影響了水力壓裂裂縫發育，使 2#壓裂孔瓦斯抽采濃度及流量均低于1#壓裂孔。但2者具有類似的特征，即瓦斯抽采濃度及流量穩定時間長，瓦斯抽采衰減慢，瓦斯抽采鉆孔存活時間長。3#壓裂孔由于二次壓裂，使煤層滲透率降低，造成瓦斯抽采純流量偏低。壓裂區域內抽采鉆孔平均抽采濃度58.6% ，鉆孔平均單孔抽采純量約為34.94 L/min。對比白皎煤礦日均單孔瓦斯抽采濃度計流量。說明水力壓裂區域化瓦斯增滲技術適用于區域增滲，具有較好的效果。

由3個壓裂孔的瓦斯抽采參數和圖2 水力壓裂影響范圍示意圖可以看出：水力壓裂區域化瓦斯增滲技術在復雜地質條件下存在壓裂效果不均勻，壓裂裂縫發育不充分等不足，不能很好的適應復雜地質條件。該礦水力壓裂實施后2372機巷掘進過程中，掘進迎頭區域仍發生了瓦斯超限事故，這是由于壓裂裂縫發育不均勻，存在“盲區”。因此在實施水力壓裂區域化瓦斯增滲技術時需要增加一種局部化處理措施，即對水力壓裂存在的盲區進行增滲，強化抽采。而水力割縫能夠對煤層的特定位置進行割縫，強化抽采，具有定位精準的特點，是水力壓裂區域化瓦斯增滲技術的有效補充。

4　水力割縫瓦斯增滲技術應用及效果分析

水力割縫是利用高壓水對鉆孔周圍的煤體進行切割并將切割的煤屑排出孔外，從而在煤層中形成一個圓餅形的縫槽，增加煤層的暴露面積，促進瓦斯的解析；同時由于地應力的作用，縫槽附近的煤體發生位移，在煤層中形成新的裂隙，為瓦斯的運移提供新的通道。

4.1　水力割縫鉆孔布置方式

水力割縫鉆孔共8組，開孔位置位于237底板道，間隔5 m，每組4個鉆孔，終孔位于B4煤層2372機巷掘進東磧頭處。每個鉆孔割縫完工后立即封孔并及時投抽。水力割縫鉆孔布置如圖5所示。

圖5　水力割縫鉆孔布置Fig.5　Hydraulic slotting borehole layout

4.2　水力割縫效果分析

在實施水力割縫工作前對割縫孔的瓦斯抽采情況進行監測，用以確定割縫效果。割縫期間1#、2#孔的抽采濃度及純流量如圖6所示(由于篇幅有限只列舉1#、2#監測孔)。

圖6　1#、2#孔瓦斯抽采濃度及純量變化曲線Fig.6　Variation curve of gas drainage concentration and purity in 1#， 2# hole

水力割縫后，割縫孔瓦斯抽采參數較割縫前均有一定提高，同時割縫增透區內抽采鉆孔瓦斯濃度平均提高4.9倍，瓦斯純流量平均提高3.3倍；但瓦斯抽采有效期較短約為20 d。

對比表3中的水力壓裂孔抽采參數可以看出割縫孔的瓦斯抽采流量及濃度較小，這是由于水力割縫半徑僅為0.4 m，割縫影響范圍有限導致游離瓦斯含量低，僅適用于局部增滲。

5　結論

1) 3個壓裂鉆孔平均瓦斯抽采純流量較238底板道常規抽采鉆孔單孔瓦斯抽采純流量提高了15.8倍，瓦斯抽采濃度提高4%，壓裂區瓦斯抽采純流量較對比區提高2.1倍；水力割縫增透區內抽采鉆孔瓦斯濃度平均提高4.9倍，瓦斯純流量平均提高3.3倍。

2)水力壓裂具有影響范圍大瓦斯抽采時間長、抽采量大的特點，適用于區域瓦斯治理但對復雜地質條件的適應性較差；而水力割縫的特點是割縫位置精確可控、抽采有效抽采時間短，對不同地質條件均有較好的適應性，適合用于對局部瓦斯問題進行快速有效治理。

3)復雜地質低滲煤層水力壓裂-割縫綜合瓦斯增滲技術，不僅可以用于區域煤層瓦斯治理，而且對于局部瓦斯問題如：煤巷掘進遇到的煤與瓦斯突出、瓦斯超限等也有較好的治理效果，全面提高了復雜地質煤層的瓦斯治理水平，同時也為之后的回采工作打下堅實基礎。

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