謝橋礦1351（3）工作面水力壓裂增透卸壓技術實驗

欒玥琪

（安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232000）

0 引言

我國作為一個“富煤、貧煤、少氣”的國家，其能源生產的發展前景很大程度上依賴煤炭工業的穩健發展。我國各項工業資源的儲存情況決定了煤炭資源在很長一段時間內都是占據我國支配地位的主要能源，我國煤礦多為高瓦斯低透氣性礦井，隨著煤層開采深度增加，地質情況愈加復雜，瓦斯災害趨于嚴重，煤與瓦斯突出已經成為威脅煤礦安全開采的主要問題之一[1-5]。煤與瓦斯突出是一種極為復雜的煤礦自然災害，受諸多自然因素和人為干預的影響，它是煤礦井下含瓦斯的煤巖體多以碎粉狀向采掘部位急劇運動并伴隨著大量瓦斯噴出的一種強烈動力過程，突出過程中噴出的煤-瓦斯兩相流可推進幾百米，瓦斯流則可逆向推進數千米，嚴重危害了礦井生產和人員人身安全[6]。

煤層瓦斯抽采的關鍵在于煤層滲透率的提高，結合施工安全和應用效果，水力壓裂技術可以較好地解決這個問題[7]。水力壓裂作為一種防治煤與瓦斯突出技術，其工作原理為通過將高壓水注入煤層，使得煤層中的原生裂隙發展成為網狀，這會增加瓦斯流動通道，進而提高煤層透氣性[8]。本試驗對謝橋礦1351（3）工作面使用水力壓裂技術，測得抽采半徑、單孔抽采量、抽采純度等參數，為水力壓裂技術在謝橋礦煤層中的推廣提供了一種可靠思路。

1 工作面概況

謝橋礦1351（3）工作面走向長度1070m，傾斜寬240m，設計標高-600m～-654.5m，處于突出煤層突出危險區，鄰近工作面1341（3）工作面均已回采完畢。本煤層采用上下順槽順層鉆孔進行預抽，其中上順槽每50m施工一個鉆場，下順槽位于巷幫施工平行鉆孔，排內間距10m，上下順槽鉆孔壓茬5m。設計1351（3）底抽巷為1351（3）工作面瓦斯治理專用巷道，內錯1351（3）下順槽30m，巷道斷面設計為4.0m×3.0m，采用錨網索支護，巷道底板標高-667.1～-670.5m，距13-1煤底板法距18～23m，設計全長1118m。巷道巖性為砂質泥巖，頂板至13-1煤層底板巖性依次為砂質泥巖（10.1m）、花斑泥巖（3.6m）、砂質泥巖（0.6m）、炭質泥巖（3.0m）、泥巖、12煤（0.7m）、砂質泥巖（4.5m），巷道底板為砂質泥巖。

1.1 瓦斯儲存情況

13-1煤為突出煤層，-610m以下為突出危險區。該區域煤層原始瓦斯壓力1.12MPa，原始瓦斯含量5.4 m3/t，煤層透氣性系數為0.00136m2/(MPa2·d)，原始含水率2%。

1.2 地質情況

13-1煤呈黑色，形狀以塊狀為主、少量為片狀及粉末狀，呈玻璃～油脂光澤，屬半亮型煤。煤層下部普遍發育一層夾矸，夾矸為泥巖或炭質泥巖，均厚0.4m。煤層結構為3.6（0.4）1.0，賦存穩定，煤層總厚1.0～6.7m，平均厚度5m。其中煤層產狀為：185°～205°，∠10°～15°，平均傾角13.5°。

2 水力壓裂設備及壓裂孔設計

水力壓裂設備：1351（3）工作面水力壓裂選用額定壓力56MPa、額定流量200L/min的BZW200/56型乳化泵，注水管路選用兩路∮19.0mm高壓膠管，封孔管采用∮42mm高壓無縫鋼管。

壓裂鉆孔設計：壓裂鉆孔的設計為沿工作面走向，每隔100m布置一個，孔徑為∮113mm，終孔位置在于工作面的正中偏下方，距下順槽118m，距上順槽122m。

水力壓裂進展情況：共完成1#、2#、3#、5#共計4個鉆孔水力壓裂，其中1#、2#、3#鉆孔單孔注水量依次為407m3、352m3、190m3，總量逐漸降低，注水壓力分別為23.9MPa、38.2MPa、34.0MPa，并無明顯規律；5#鉆孔注水量為710m3，較1～3鉆孔明顯增加，注水壓力22.0MPa，為4個鉆孔壓力中最小。經分析可知，此現象是由底抽巷撥門口及1#鉆場鉆孔因出水較大而停止壓裂所造成的。

3 壓裂效果考察

3.1 水力壓裂影響半徑考察

本試驗設計通過在1351（3）底抽巷施工穿層孔，在1351（3）上、下順槽順層鉆孔取樣測定煤層瓦斯含量及含水率，其中1351（3）底抽巷在底抽巷施工3個走向壓裂考察鉆孔（K3、K2、K1），設計考察走向半徑分別為70m、60m、50m，有遠至近進行施工；1351（3）上順槽利用2#鉆場3#、4#抽采鉆孔，設計考察傾向（上向）半徑分別為70m、60m、50m；1351（3）下順槽利用22#～28#順層抽采鉆孔，設計考察傾向（下向）半徑分別為70m、60m、50m、40m。

從實際施工情況可知，下順槽在施工至孔深50～70m時，孔口返出煤粉潮濕，70～100m孔內開始出水，鉆進困難。上順槽施工至孔深40～60m時煤層潮濕，易造成跨孔埋鉆。2號鉆場的1#孔因煤層潮濕，導致鉆進困難無法排渣，故停止鉆進。

3.2 壓裂后抽采效果考察

1351（3 ）上順槽第一單元抽采考察：選擇上順槽走向200m為第一考察單元，鉆場內鉆孔扇形布置，孔間距10m，雙排三花布置。現已施工完畢2個鉆場，1#鉆場設計鉆孔17個， 2#鉆場設計鉆孔18個。1351（3）下順槽第一單元抽采考察：選擇1#壓裂鉆孔東側60m范圍作為第一單元，設計順層抽采考察鉆孔15個，平行工作面布置，排內間距10m，雙排三花布置。

抽采效果考察結果分析：（1）下順槽第一單元最大抽采純量0.66 m3/min，單孔最大抽采純量0.03 m3/min。單元平均抽采濃度37.6%，平均抽采混量1.33 m3/min，平均抽采純量0.50m3/min，單孔平均抽采純量0.027 m3/min，相比上順槽第一單元抽采瓦斯純量增加了2.6倍。（2）上順槽施工鉆孔35個，鉆孔量4003m；下順槽施工鉆孔21個，鉆孔量2410m，相比上順槽第一單元，下順槽單位面積鉆孔量減少40%，鉆孔單位面積抽采純量增加45%。

4 試驗結果分析

（1）隨著壓裂注水量及壓力的增加，壓裂范圍不斷擴展至原煤巷穿層條帶預抽區域，鉆孔出水后停止壓裂。自底抽巷由外向里按順序進行壓裂過程中，1、2、3號壓裂孔單孔注水總量逐漸下降。經分析后認為，這一現象是由前一輪壓裂影響范圍與后一輪壓裂影響范圍之間相互交叉、后一輪壓裂注水量達不到前一輪壓裂注水量（即達到注水壓裂效果）所產生，即是實際壓裂影響半徑超過設計影響半徑（設計壓裂半徑50m）。5號壓裂孔的單孔總注水量達710m3，注水壓力始終保持在22MPa，注水量保持在0.4m3/min；當壓裂進入第4天，距離壓裂孔712m處（底抽巷撥門口）的錨桿出現明顯淋水現象，此時底抽巷內其他地點無淋水現象，且底抽巷內距離壓裂孔最近的實見斷層FG1（h=2m,距離壓裂孔最近處48m）也未出水。對于這一現象，經分析后認為與下列因素有關：（1）5#壓裂孔終孔深度75m，理論計算封孔水泥12袋，實際注漿14袋，封孔效果好；（2）壓裂水沒有進入斷層帶內；（3）壓裂水是在距離壓裂孔一定距離外（至少48m）通過煤層裂隙進入煤層底板，并通過沿底板的層間裂隙向外流動；（4）可能存在一條或多條貫通東西走向的裂隙通道。為進一步驗證出水來源與壓裂水的關系，停止壓裂后，出水點水量逐漸減小，7天后出水終止。

（2）工作面順層鉆孔取樣測定煤層最高水分為4.1%，測定值偏低。造成這一結果的主要原因為順層鉆孔煤層傾角較小（最大13°），排渣不夠徹底，鉆進過程中各煤層段煤粉相互混合；特別是下向順層鉆孔，在取樣深度較長、孔內潮濕的情況下，鉆孔深部的煤粉很難排出孔外，即使孔口取到煤樣也不能準確反映出目標位置的真實數據。

（3）從順層鉆孔含量測定結果來看，距離壓裂孔下方58m處測得瓦斯含量5.35 m3/t，與原始含量（5.4 m3/t）基本一致；壓裂孔附近的瓦斯含量低于原始含量值，并從壓裂孔向外逐漸增加至原始值；距離壓裂孔上方76m，處于壓裂影響范圍以外，且煤層埋深相對較淺，測定值接近原始含量值。

（4）從順層鉆孔抽采效果來看，下順槽單孔平均抽采純量較上順槽增加260%，單位面積抽采純量（m3/ m2.d)增加45%。按壓裂影響半徑60m計算，下順槽鉆孔控制范圍60%位于壓裂影響區域內，上順槽僅占9%，壓裂區域內煤層裂隙擴展延增強煤層的透氣性，是影響抽采效果的主要原因。此外，上下順槽原始瓦斯含量相差接近1m3/t，也起到了影響抽采的作用。

5 結論

謝橋礦1351（3）底抽巷對應工作面13-1煤層實施水力壓裂后，由于煤層透氣性改善，抽采半徑增加，距離有效影響區域越近的1351（3）下順槽第一單元與1351（3）上順槽第一單元對比，單孔抽采量增加了260%，下順槽單位面積抽采純量增加了45%，鉆孔量減少40%，鉆孔抽采效率明顯提高。現場研究表明，水力壓裂技術能顯著提高煤層的透氣性，為存在煤與瓦斯突出問題的施工現場的人員財產安全提供有力保障。

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