辛置煤礦2-559工作面水力壓裂增透技術機理分析與試驗

崔 勇

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

辛置煤礦2-559 工作面位于南區+310 水平，主采煤層為2#煤層，煤層均厚3.6m，平均傾角4°，屬于自燃煤層。2#煤層頂底板均為砂質泥巖，煤層的瓦斯含量在4.43~5.71m3/t 的范圍內，瓦斯壓力在0.53~0.62MPa 的范圍內，滲透性系數在0.2~0.5m2/MPa2的范圍內。隨著辛置礦開采深度的增大，礦井在南區延伸至+310 水平后，根據礦井實測的結果顯示：瓦斯涌出量明顯增大，掘進工作面的最大瓦斯涌出量為2.0m3/min，南區+310 水平采區的瓦斯涌出量在28.7m3/min 左右，南區煤層的透氣性系數僅為0.2~0.5m2/(MPa2?d)，處于可以抽采煤層的下限范圍。據上述數據可知該煤層瓦斯具有涌出量較大、運移規律復雜的特征，2-559 工作面原本設計采用本煤層瓦斯抽采結合采空區瓦斯抽采和上隅角埋管抽采相結合的方式進行工作面的瓦斯治理作業，但由于南區煤層屬于不容易抽采煤層，為避免工作面出現瓦斯積聚的現象，提高瓦斯的抽采率及抽采速度，通過對煤層局部進行水力壓裂增透試驗來研究分析該技術對瓦斯抽采效果的提升程度。

2 定向水力增透機理分析

為分析煤層中使用定向水力壓裂技術增透的機理，假設水力壓裂的過程僅考慮煤層受到地應力和高壓水壓力的作用，具體壓裂鉆孔壁面的應力狀態如圖1 所示。根據相關研究[1-2]，得出鉆孔孔壁上三個主應力的表達式為：

圖1 壓裂鉆孔壁面應力狀態示意圖

式中：

σ1、σ2、σ3-分別為鉆孔孔壁上的三個主應力；

τrθ、τθz、τzr-分別為離鉆孔截面圓心R距離并與σy方向θ角位置處的徑向、切向和軸向剪應力分量；

σr、σθ、σzz-分別為距離鉆孔截面圓心R 距離并與σy方向θ角位置處的徑向、切向和軸向正應力分量。

根據式（1）能夠看出壓裂鉆孔的初始起裂位置應處于θ-z 平面，在假設鉆孔的孔壁發生拉伸破壞時，再結合最大拉應力理論能夠得出，當煤巖體的抗拉強度與孔壁的最大拉應力相等時，此時孔壁便會出現裂縫，再結合式（1）能夠得出最大拉應力σmax的表達式為：

在壓裂過程中，鉆孔孔壁的破裂條件為σmax=σt，σt為煤的抗拉強度，則據此能夠得出鉆孔裂縫的起裂方向θf，起裂方向θf通過下式可得：

根據相關學者研究表明[3-4]，地層中的孔隙壓力p0的增大會減小鉆孔的起裂壓力，煤體或者巖體的抗拉強度σt會增大鉆孔的起裂壓力，據此當假設兩種壓力相互抵消時，則能夠得出鉆孔的起裂條件的表達式為：

式中：

pw-水力壓裂起裂壓力；

θ-起裂方向與σy方向的夾角；

σx、σy-分別為沿x、y方向的正應力分量；

ξ-相關系數；

υ-煤巖體的泊松比；

τxy、τyz、τxz-沿著xoy、yoz、xoz 面的剪應分量。

進一步將（4）中的孔壁應力進行表達式替換能夠得出，水力壓裂的起裂壓力pw會受到煤層傾角α、煤層傾向β及起裂方向夾角的影響。在相同的應力狀態下，鉆孔的起裂壓力的大小會隨著煤層傾角的增大而減小，隨著煤層最大主應力與煤層傾向夾角的增大而逐漸減小。

3 水力壓裂增透技術應用

3.1 方案設計

根據辛置礦2#煤層的具體情況，并結合2-559工作面煤層的特點，在工作面下巷實施了水力壓裂技術。在2-559 工作面下巷共布置2 個壓裂鉆孔，其中1 號鉆孔垂直于巷道煤壁布置，2 號鉆孔與煤壁成60°的傾角布置。壓裂鉆孔的直徑為89mm，1 號鉆孔的孔深為45m，2 號鉆孔的孔深為60m，設置壓裂鉆孔的封孔深度為30m，壓裂孔壓裂的影響半徑為20~25m，壓裂鉆孔采用聚氨酯和膨脹水泥進行封孔作業。具體2-559 工作面水力壓裂試驗鉆孔的布置形式如圖2 所示。

圖2 2-559 工作面壓裂鉆孔布置平面圖

在進行水力壓裂作業時，水力壓裂系統主要由乳化液泵站、高壓膠管、高壓接頭、高壓放水器、高壓閥門及封孔器組成[3-4]。注水過程中注水壓力的范圍在10~15MPa，單孔注水量視現場施工時的具體情況決定。具體水力壓裂工藝如圖3 所示。

在進行水力壓裂作業施工時，具體的操作流程如下：（1）首先檢查各管路的連接情況，確保高壓管路連接完好；（2）打開注水泵和注水孔口的閥門；（3）啟動高壓注水泵，開始進行高壓注水水力壓裂作業；（4）在水力壓裂鉆孔過程中，要對壓裂鉆孔周圍巷道圍巖的情況進行觀察，若發現問題應及時停泵處理。

圖3 高壓水力壓裂工藝圖

在進行水力壓裂作業時，為確保水力壓裂能夠產生充足的裂隙，確定注水壓力為10~15MPa，具體水力壓裂的施工順序如下所述：

（1）先安裝水壓儀和封孔器，在封孔器安裝完畢后，通過連接靜壓水管對封孔器進行排氣試壓，確保其能正常工作，然后通過高壓膠管將封孔器與注水泵機進行連接，在注水鋼管與高壓膠管的連接處安設水壓儀器，用來對水力壓力進行監測。

（2）在安裝連接以及調試工作結束后，通過注水鋼管將封孔器推送至設定的位置處后進行封孔作業，注水壓裂施工時從孔底處開始1#~2#槽依次進行壓裂作業。

（3）對注水進行逐漸加壓，當注水壓力達到10MPa 時停止加壓操作，通過觀察鉆孔并監測壓力表，來對封孔器的保壓效果進行觀測。當鉆孔中流出水或者壓力表的指數下降明顯時，即代表著此時的封孔已經失效，應及時對封孔器進行檢查，找出原因并解決，確保封孔器的正常工作。

（4）在提高水力壓力時，及時記錄注水泵機的壓力表、手動泵壓力表及流量計上顯示的數據。將注水壓力提升到預裂縫開裂時，此時壓力表的數據會突然下降，此時應進行保壓注水操作，以使裂紋能夠持續擴展，具體的注水壓裂時間根據現場進行壓裂的具體情況確定。當巷道圍巖表面出現滲水或者有水冒出時，即代表著水力壓裂操作的完成，應及時停止壓裂作業。

（5）單孔水力壓裂操作完成后，進行斷電停水、封孔器卸壓操作，這些操作完成后即可進行下一個鉆孔的水力壓力壓裂作業。

3.2 應用效果分析

在采用水力壓裂的試驗段進行本煤層瓦斯抽采作業時，在1#和2#瓦斯抽放孔周圍共布置8 個瓦斯抽采孔。其中1#瓦斯抽采孔與2#瓦斯抽采孔間距50m；2#~7#抽采孔設置為等間距布置，孔間距為10m；7#抽采孔與8#抽采孔間距為25m。瓦斯抽采鉆孔的孔徑為94mm。具體瓦斯抽采鉆孔的布置形式如圖4 所示。

圖4 水力壓裂后瓦斯抽采鉆孔布置平面圖

為充分驗證分析定向水力壓裂增透技術在瓦斯抽采應用中的效果，通過對水力壓裂試驗前后瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽放濃度進行監測，得出水力壓裂前后瓦斯抽放濃度曲線如圖5 所示。

圖5 定向水力壓裂前后抽放孔瓦斯濃度變化曲線圖

通過分析圖5 可知，在定向水力壓裂鉆孔的影響范圍內，瓦斯抽放鉆孔在水力壓裂后瓦斯的抽放濃度出現明顯增大的現象。其中5#瓦斯抽放孔在水力壓裂前的最大抽放濃度為6.6%，水力壓裂后鉆孔的最大瓦斯抽采濃度為59.6%，進行水力壓裂后瓦斯的抽放濃度為水力壓裂前抽放濃度的9 倍。另外在靠近1#壓裂孔的7#瓦斯抽放鉆孔，從曲線中能夠看出在水力壓裂前該鉆孔的最大瓦斯抽放濃度為16.5%，在進行水力壓裂后鉆孔瓦斯的最大抽放濃度達到71.3%，即水力壓裂后鉆孔的抽放濃度為壓裂前抽放濃度的4 倍，其余瓦斯抽放鉆孔在水力壓裂影響范圍內的抽放鉆孔瓦斯抽放濃度均有不同程度的提升。水力壓裂后的瓦斯抽采濃度為水力壓裂前抽采濃度的3~9 倍，而在水力壓裂影響范圍外的瓦斯抽放孔，其瓦斯抽采濃度基本未出現變化。另外從曲線中能夠看出瓦斯抽放孔的抽放濃度在水力壓裂20d 后便會回落注水力壓裂前的水平，據此可知水力壓裂對瓦斯抽采鉆孔的作用時間約為20d。

根據2-559 工作面水力壓裂增透段瓦斯抽采的實際監測數據得出，工作面的瓦斯抽放量平均為5.6m3/min，工作面風排瓦斯量為6m3/min。基于此數據，結合工作面抽放率的計算公式：

式中：

dk-工作面的抽放率，%；

qkc-抽放的瓦斯量，m3/min；

qkf-工作面的風排瓦斯量，m3/min。

基于上述數據能夠計算得出工作面的抽放率為48.7%，抽放率基本符合預期的瓦斯抽采量。2-559工作面在瓦斯抽采與風障導風配合下，使得試驗段回風上隅角的瓦斯含量控制在0.75%以下，且在水力壓裂的試驗段回風流中的瓦斯濃度一直低于0.5%，保障了工作面的安全。

4 結論

通過對水力壓裂的增透機理的具體分析，并與2-559 工作面的具體情況相結合對水力壓裂增透瓦斯抽采方案的各項參數進行具體設計，根據水力壓裂施工過程中及施工完成后的觀測結果可知，水力壓裂后的瓦斯抽采濃度為水力壓裂前抽采濃度的3~9 倍，水力壓裂對瓦斯抽采鉆孔的作用時間約為20d，水力壓裂對提升工作面瓦斯抽采效果明顯。