瓦斯抽采中水力壓裂增透技術的應用

趙道洪

摘要：近年來，水力壓裂增透技術發展迅速，并被廣泛應用于瓦斯抽采中。文章首先對我國瓦斯抽采現狀和水力壓裂增透技術原理進行了介紹，并結合工程實例，對水力壓裂增透技術在瓦斯抽采中的應用方式進行了詳細探究，以期促進該項技術的發展和應用。

關鍵詞：瓦斯抽采；水力壓裂試驗；水力割縫技術

1.瓦斯抽采現狀

在瓦斯抽采過程中，煤層賦存條件、煤層硬度、地質構造、煤的破壞類型、埋藏深度等因素都會在一定程度上影響煤層透氣性，進而影響瓦斯抽采的順利進行，如果煤層透氣性較高，則抽采效果也會得到有效提升。但是，我國很多煤層一般為低滲透煤層，因此瓦斯抽采難度較大。對此，在瓦斯抽采過程中，應注意適當擴大煤層裂隙范圍和密度，提升煤層透氣性，這樣才能夠保證瓦斯抽采效果。現如今，常見的煤層強化增透技術主要有深孔控制預裂爆破技術、水力壓裂增透、CO₂預裂增透、水力擴孔以及水力割縫技術等。

2.水力壓裂增透技術原理概述

2.1裂縫起裂原理

在水力壓裂技術的實際應用中，首先對煤層鉆孔，然后通過鉆孔將流體壓人至煤層中，在此過程中，需對液體壓人速度進行觀察，如果液體的壓人時間明顯大于煤層的吸水速度，則流動性也會所有增加，液體不斷流入煤層中，與此同時，液體壓力增加，當液體壓力大于煤層巖壓時，煤層裂隙就會產生擠壓作用，保證煤層流通性。與此同時，煤層滲透性也會隨之增加裂隙寬度增加，能夠有效促進煤層瓦斯的流動，為瓦斯抽采提供有力條件。

2.2裂縫延伸原理

在向弱面充水空間注水時，在注水泵的作用下，會產生一定的壓力，即注水壓力。另外，在煤層孔隙的潤濕作用以及毛細作用下，會損失一部分注水壓力，這一部分損失的壓力就被稱為濾失壓力。如果注水壓力大于濾失壓力，就會造成水流人煤層裂隙系統中，水流混合煤粒，就會形成封堵帶，在這種情況下，一級弱裂面壓力逐漸升高，這樣就會造成煤層裂隙擴大，導致封堵作用受到削弱，隨著煤粒逐漸向四周擴散，就會形成二次封堵。

2.3壓裂增透原理

壓力水進入煤層的順序分別為一級弱面、二級裂隙弱面以及原生微裂隙，在裂隙弱面，壓力水會對避免產生壓力作用，這樣就會造成煤層裂隙延伸，裂隙寬度增加，各個裂隙弱面相互貫通，從而形成縱橫交錯的貫通裂隙網絡，煤層滲透率得到有效提升。

3.工程概況

某煤礦為突出型礦井，在礦井開采中，主要采K1煤層，煤層厚度約為3.5m，傾角在25°～30°之間。通過對K1煤層進行現場勘察發現，該煤層埋深在507m～626m之間，K1煤層瓦斯含量26.5m³/t，瓦斯壓力位3.4MPa，煤層透氣性系數（0.902M.700）×10^-2m²/（MPa²·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.1933～0.5636d^-1，煤層硬度較小，透氣性比較差，因此煤層瓦斯抽采難度較大。在該突出礦井開采過程中，事故發生率較高。綜合考慮工程實際情況，在瓦斯抽采中，對于硬度較小且透氣性較差的煤層，可采用水力壓裂增透技術。本次試驗目標為，通過采用水力壓裂增透技術，促進煤層裂隙寬度增加，提升煤層透氣性，為瓦斯開采提供有利條件。

4.瓦斯抽采中水力壓裂增透技術的應用

4.1水力壓裂試驗

4.1.1水力壓裂設備及儀表

在水力壓裂增透技術的實際應用中，乳化液泵是十分重要的設備，乳化液泵額定壓力31.5MPa、最大排量為160L/min。在壓裂泵中還需安裝水表、壓力表、閥門等，對設備運行情況進行有效控制，同時在對煤層注水時，需對注水壓力進行觀測，對此可應用直感耐震壓力表。在本次技術試驗中，壓力表量程為60MPa。水力壓裂增透系統主要由水箱、壓力表、壓裂泵、管路、監控系統所組成。

4.1.2壓裂鉆孔布置及施工

在2014年7月14日，通過資料對比分析及實施鉆孔工程位置，煤點埋深在500m～510m，在底板瓦斯抽采巷與變坡點距離50m的位置實施鉆孔，鉆孔間距30m，鉆孔孔直徑（φ89mm，鉆孔角為128°，鉆孔與巷道軸線之間的夾角為90°，鉆孔傾角45°，布置鉆孔3個，壓裂鉆孔位于中部，兩側為觀測測壓孔。本次水力壓裂測試長度為35.5m。

4.1.3壓裂鉆孔封孔及注水

2014年7月15日，對壓裂鉆孔及試驗測試孔進行封閉。壓裂鉆孔封孔深度15m，采用“兩堵一注”封孔工藝，水力漿帶壓封孔。測試鉆孔在封孔施工中，首先在孔口段位置采用馬麗散進行封孔，封孔長度在1.0m～1.5m之間，以封孔長度為依據，對封孔所需水泥漿體積進行計算，然后通過注漿管，將水泥漿注入鉆孔中，封孔保持24h，然后安裝煤氣表，對鉆孔位置瓦斯流量進行監測。8月13日，對水力壓裂測試鉆孔進行注水，在注水過程中，對觀測點是否發生滲漏現象進行觀測，當持續注水5h后，在距測試空50m位置發現觀測孔開始出現滴水現象，隨著注水的持續進行，滴水量逐漸增加。根據壓力表測試，將注水壓力在7.8MPa左右時，關閉閘閥，停止注水。在本次水力壓裂試驗中，注水時間為5h，注水量約為55m³，注水壓力為18MPa。在該煤層注水試驗過程中，由于受到供水量因素的影響，注水環節出現多次中斷，通過對第一次注水過程以及注水壓力進行觀測，分析可知，在壓裂的初始階段，水壓致裂壓力逐漸增加，隨著壓裂的持續進行，壓力增加速度增長放緩。通過對注水壓力進行監測發現，在進行煤層注水過程中，注水壓力在15MPa（～18MPa之間，注水停止后，液體壓力逐漸降低。通過多次注水，水壓逐漸增加。在該煤層中，當注水壓力達到18MPa后，水壓不再增加。在水力壓裂增透試驗中，注水壓力是十分重要的技術參數，適宜的注水壓力能有效促進煤層松動，促進煤層裂隙寬度的增加，改善煤層結構。

本次煤層水力壓裂增透試驗中，煤層破裂壓力的預估值為16.8MPa，但在注水過程中，部分注水壓力損失，因此，注水壓力實際值應該略大于16.8MPa。而通過本次試驗研究，實際注水壓力位18MPa，符合預估要求。

4.2水力壓裂效果分析

8月14日下午，打開閘門防水，本次防水持續時間為9h，放水完成后，安裝煤氣表，對鉆孔瓦斯流量進行監測，瓦斯體積分數100%。在對孔壓裂情況進行測試后，自然排放瓦斯，在此過程中，采用煤氣表對瓦斯排放量進行監測。通過監測發現，最大自排瓦斯流量為0.07m³/min，平均0.04m³/min，累計排放瓦斯量991m³。隨著瓦斯排放時間的增加，瓦斯流量實際情況如圖2所示。

通過對圖2進行分析可知，在壓裂水的排放過程中，煤層裂隙寬度逐漸增加，有利于瓦斯抽采。通過對瓦斯流量進行監測發現，在鉆孔位置，瓦斯流量逐漸增加，最大流量值為0.07m³/min。煤層壓裂增透試驗完成后，對鉆孔進行封孔處理，封孔第七天后，瓦斯流量已經降低至最低值，瓦斯平均流量為0.00034m³/min。根據本次壓裂試驗，煤層透氣性顯著改善，在注水過程中，鉆孔用水量逐漸增加。

5.結束語

綜上所述，在瓦斯抽采過程中，煤層透氣性會直接影響抽采效果。部分煤層裂隙較小，硬度、透氣性比較差，導致瓦斯應力無法得到釋放。對此，可以采用水力壓裂增透技術，擴大煤層間隙，提升煤層透氣性，釋放瓦斯壓力，降低工作面瓦斯含量，這樣不僅能夠有效提升瓦斯抽采純量，同時還能夠促進掘進效率的提升，值得推廣應用。