水力割縫－水力壓裂聯合增透技術應用

孫 鵬

（山西煤炭進出口集團公司霍爾辛赫煤業有限公司，山西 長子 046600）

引 言

我國的煤層大部分為低滲透煤層，瓦斯抽采困難，因此尋求一種快速卸壓增透的措施是大多數低滲透煤層開采所面臨的難題［1］。近年來，隨著高壓水射流技術的發展，利用高壓水在已施工的鉆孔中對煤體割縫、鉆擴孔等方法有了一定的成效。張連軍等通過現場實踐表明，采用水力割縫技術能夠有效降低煤巷瓦斯涌出初速度和減少瓦斯鉆屑量，對于煤礦的瓦斯抽采和瓦斯防突工作意義重大；童碧等［2］研究了下向穿層孔水力割縫工藝，采用“分組分排吹”的排水排渣工藝；吳教錕［3］在石門揭煤過程中利用25MPa～30MPa高壓水進行水力割縫，縮短了石門揭煤工期；朱紅青等［4］通過數值模擬研究發現，圓錐形噴嘴的水力割縫效果最好，水力割縫效果的好壞與高壓水射流噴嘴的關系密切；黃春明等［5］利用自振脈沖水射流裝置在平頂山礦區進行水力割縫試驗，最高壓力為30MPa，使得割縫后的瓦斯抽采濃度為割縫前的1.9倍，通過設計防噴裝置來進行排水排渣。但是單一的高壓水力卸壓增透方法對煤層割裂仍有一些缺點，比如割縫不均勻、雜亂、裂隙不規律等，對工作面下方底板有破壞。

基于此，采用水力割縫－水力壓裂聯合增透技術克服單一高壓水力卸壓增透技術帶來的缺點，解決西南重慶礦區煤層松軟，透氣性差，瓦斯抽采率不高的問題。并在同煤浙能麻家梁煤礦進行現場對比試驗，總結了復合增透技術的優點。

1 水力壓裂及水力縫的增透原理

煤層水力壓裂原理是利用高壓水射流將煤體原有形態破壞，當水壓超過煤體承壓時，煤體被高壓水沖破，并沿著注水方向產生大量裂縫，裂縫順著煤層節理和上下頂底板壓應力與拉應力不斷發育延伸，形成瓦斯流動的裂隙通道，并使得煤層在高壓水的沖擊下卸壓增透，瓦斯涌出。當前對壓裂后裂隙的發育與擴展很多學者在借助巖石力學知識的基礎上構建了很多數學模型來量化裂隙發育規律。

高壓水力割縫原理是高壓旋轉水射流割縫增加了煤體暴露面積，給煤層內部卸壓、瓦斯釋放和流動創造了良好的條件，縫槽上下的煤體在一定范圍內得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性。縫槽在地壓的作用下，周圍煤體產生空間移動，擴大了縫槽卸壓、排瓦斯范圍。在高壓旋轉水射流的切割、沖擊作用下，鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，形成扁平縫槽空間，增加了煤體中的裂隙，可大大改善煤層中的瓦斯流動狀態，為瓦斯排放創造有利條件，改變了煤體的原始應力和裂隙狀況，緩和煤體和圍巖中的應力緊張狀態，既可削弱或消除突出的動力，又可提高煤層的強度，起到防突作用，并提高透氣性和瓦斯釋放能力。從而大大提高瓦斯抽采效率。

2 現場試驗

2.1 工作面概況

本工作面位于一采區，北鄰＋665回風巷，東鄰14103工作面，西鄰14101工作面，南部預留天燃氣管道保護煤柱。14102兩條順槽呈南北方向布置，切眼呈東西方向布置。14102輔運順槽原留設保護煤柱19.5m，由于受14101采動影響，巷道變形嚴重，支護困難，將保護煤柱擴至40m，并在里程388m處重新掘14102輔運順槽。14102原切眼在2 922m處，由于受上覆天然氣管道影響，將新切眼開設在1 788m處。根據順槽巷及切巷掘進過程中的探測資料分析：煤層厚度變化不大，里程1m～350m平均煤厚8m，350m～388m平均煤厚9m，388m切眼平均煤厚10m。純煤厚度為6.80m～10.85m，平均厚度9.69m。煤層瓦斯φ（CH4）＜50%，φ（N2）＞50%，瓦斯含量CH4一般小于1mL／g礦井最大絕對瓦斯涌出量20.66m3／min，最大相對瓦斯涌出量為0.82m3／t，據地勘資料可知，M7－2、M8－1煤層屬于煤與瓦斯突出煤層。

2.2 試驗設備

水力壓裂設備選用QH－600TWS型壓裂泵，采用合金鋼鍛造、體積小、重量輕、耐酸堿、耐高壓、抗沖擊、方便開展各種不同的井下作業工作。最高承受壓力為116.2MPa，最大流量為2 604lpm。配合高壓表、耐高壓可纏繞軟管、壓裂管等。高壓管連接高壓泵與壓裂管，高壓管上接入壓力表和流量表來檢測水壓和注水量，確保壓裂過程安全穩定開展。水力割縫設備選用MG－200型超高壓水力割縫裝置適用于高地應力、高瓦斯、低透氣性煤層（煤層硬度f＞0.5）工作面順層鉆孔、穿層鉆孔及石門揭煤卸壓增透、沖擊地壓防治等，配合超高壓旋轉水尾、金剛石水力割縫鉆頭、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、高低壓轉換割縫器、超高壓清水泵。

2.3 試驗過程

試驗方案分四組試驗，水力壓裂－水力割縫聯合增透試驗、單一水力割縫試驗、普通鉆孔抽采；實驗地點在北鄰＋665回風巷3區幾個鉆場。分別對M7－2煤層頂板和 M7－2、M8煤層進行聯合壓裂；鉆孔抽采方式為穿層瓦斯抽采，布置間距為橫六豎八交錯布置，孔底打到M7－2煤層底部，每種試驗方法分別打鉆30個。

1）水力壓裂－水力割縫聯合增透試驗。首先進行壓裂孔施工，打至割縫孔中偏上位置，初期壓力設置為27MPa，當發現鉆孔有煤漿涌出時降低壓力到13MPa，累計注水量為59t。壓裂完畢后，間隔5d開始對壓裂孔進行水力割縫，使用高壓水泵和旋轉噴頭對30個鉆孔進行半小時割縫；割縫完畢后連接瓦斯抽采管，開始抽采瓦斯。

2）水力壓裂增透試驗。壓裂孔施工方式與聯合割縫壓裂孔相同，保持初始注水壓力與聯合增透壓力相同，壓裂數小時后發現煤層內有水涌出時停止壓裂。降低壓力至10MPa，累計注水60t。間隔數日后開始瓦斯抽采孔布置，省去割縫施工過程，封孔完畢后連接瓦斯抽采管路進行抽采。

3）水力割縫增透試驗。割縫孔施工方式保持與聯合增透施工方式相同，首先進行鉆孔擴孔操作，待擴孔完畢后，利用螺旋鉆桿與高壓水泵進行高壓水射流割縫，每個鉆孔割縫半個小時以上，割縫完畢后連接抽采管路進行瓦斯抽采。

4）普通鉆孔抽采試驗。普通鉆孔與上述鉆孔施工方式相同，打好30個鉆孔后直接擴孔，間隔數日封堵孔口，連接瓦斯抽采管路開始抽采。

2.4 試驗結果

1）鉆孔瓦斯抽采效果。設置四種抽采技術方案，并在每種抽采方案的孔口連接瓦斯濃度檢測儀，記錄單孔瓦斯濃度和30個鉆孔瓦斯濃度總合。四種抽采方案單孔瓦斯濃度變化情況，如圖1所示。

圖1 四種抽采技術方案的單孔瓦斯濃度對比

對比圖1中四種抽采技術的初抽瓦斯濃度，普通抽采技術的瓦斯抽采濃度在10%以下，平均單孔瓦斯濃度只有6.3%；水力壓裂技術中大部分抽采孔瓦斯濃度在18%～50%，水力割縫技術中大部分瓦斯抽采孔瓦斯濃度介于15%～39%；而壓裂－割縫聯合增透技術中瓦斯抽采濃度最低也在30%，最高可達63%；可見水力壓裂－水力割縫聯合增透技術綜合了壓裂與割縫技術的優勢，破壞了煤層原有形態，大大擴大了煤層的透氣性，使得煤層泄壓增透，大量裂隙發育發展，為瓦斯流動提供了良好的運移通道。

四種抽采技術方案瓦斯累積抽采量曲線，如圖2所示。

由上圖可看出隨著抽采時間的延長，每種抽采技術的抽采量都在不斷上升，聯合增透方案的曲線上升斜率高，也就意味著相同時間內瓦斯抽采量增長更多，截至累計抽采28d后，聯合增透鉆孔瓦斯抽采量基本接近8 000m3，水力壓裂鉆孔瓦斯抽采量為5 333.3m3，水力割縫技術為4 705m3，而普通鉆孔抽采瓦斯量幾乎是聯合增透的1／7，可見聯合增透技術大大超越了其它單一抽采方法，而且高效抽采時間比較持久，抽采15d后，水力壓裂與水力割縫瓦斯增長率都出現輕微減小，而聯合增透瓦斯增長率基本無衰減。

圖2 四種抽采技術方案瓦斯累積抽采量曲線

3 結語

1）水力壓裂－水力割縫聯合增透技術比其它單一抽采技術方案具有明顯的優勢，結合了水力壓裂與水力割縫的各自優勢，極大地破壞了煤層原有形態，使得煤層泄壓增透，大大提高了瓦斯抽采率。水力壓裂技術中大部分抽采孔瓦斯濃度在18%～50%，水力割縫技術中大部分瓦斯抽采孔瓦斯濃度介于15%～39%；而壓裂－割縫聯合增透技術中瓦斯抽采濃度最低也在30%，最高可達63%。

2）四種抽采技術瓦斯抽采量隨著抽采時間的增加而不斷增長，但是聯合增透技術的瓦斯增長率基本不衰減，而其他抽采方案的瓦斯增長率隨著時間的推移而不斷減小，可見水力壓裂－水力割縫聯合增透技術高效抽采時間持久，聯合增透技術抽采后一個月內瓦斯抽采量，分別是其他三種抽采方法抽采量的1.6倍、1.8倍、6.9倍。可見水力壓裂－水力割縫聯合增透技術能很好地增大松軟煤層透氣性，適合在西南礦區推廣應用。