基于底抽巷的上向水力壓裂增透試驗研究

朱修亮

(淮河能源控股集團煤業分公司 朱集東煤礦，安徽 淮南 232087)

隨著煤礦淺部資源開采殆盡，大多數煤礦進入深部開采水平，煤層所受的地應力以及煤層內瓦斯壓力不斷升高，煤層滲透率逐漸降低，瓦斯抽采率低，抽采時間長，對礦井的正常生產帶來嚴重影響。因此，必須采取措施提高煤層的透氣性，從而提高瓦斯抽采率。常用的增透方法主要有CO2預裂爆破、炸藥深孔控制預裂爆破、水力壓裂、水力沖孔等措施，每種方法都有一定的適應性。本文根據淮南潘三煤礦11-2煤及1232(1)底抽巷的地質條件，選取水力壓裂的方法進行增透，開展基于底抽巷的上向水力壓裂增透試驗。

1 試驗區域概況

淮南潘三煤礦11-2煤直接頂為泥巖，均厚2.5 m，灰色，泥質結構，植化發育，巖石性脆；老頂為粉細砂巖，均厚3.6 m，淺灰色，粉細粒結構，主要礦物成份石英，巖石致密堅硬；偽底為炭質泥巖，均厚0.1 m，直接底板為泥巖，均厚7.8 m，灰色，泥質結構。11-2煤黑色，塊狀為主，片狀次之，以暗煤為主，底部有一層、兩層局部夾亮、鏡煤條帶，屬半暗半亮型煤，煤厚2.04～4.73 m，均厚2.7 m，煤層產狀約140～160°∠3～8°。根據礦井煤層瓦斯基礎資料，瓦斯壓力約為2 MPa，瓦斯含量約為9 m3/t。

1232(1)底抽巷外錯煤巷35 m，穿層掩護鉆孔按照5 m×5 m方式布置，每個鉆場設計10個鉆孔，分為2組交錯布置施工，按照30～50 m間距布置鉆場。為防止壓裂時圍巖裂隙漏水，對水力壓裂地點及其前后50 m范圍進行噴注漿加固措施。

2 基于底抽巷的上向水力壓裂方案

根據11-2煤層和1232(1)底抽巷的地質特點和層位關系，在借鑒相鄰煤層水力壓裂的基礎上，制定了基于1232(1)底抽巷上向水力壓裂試驗及瓦斯抽采效果考察方案。

2.1 鉆孔布置

根據煤巖地質條件，壓裂鉆孔布置在鉆場中間位置，鉆孔不穿過11-2煤層，距頂板0.8 m時即可起鉆，終孔點位于煤巷巷中位置。鉆孔按照設計參數施工，并詳細記錄見煤巖情況。根據1232(1)底抽巷掘進情況，按照設計已壓裂8個壓裂孔，分別位于底板巷12號、19號、23號、25號、27號、30號、33號和37號鉆場，鉆孔布置示意如圖1所示，壓裂鉆孔設計參數如表1所示。

圖1 壓裂鉆孔布置示意

孔號方位/(°)仰角/(°)孔深/m壓1號9079.455.6壓2號2705562.4壓3號904977壓4號048.636壓5號9029.576壓6號-37.876.254.2壓7號-9076.251.75壓8號-142.276.254.2

2.2 壓裂孔封孔

2.2.1 封孔管加工

壓裂鉆孔需送入D25 mm內徑的壓裂管，壓裂管每根長1 m，采用特制接頭連接，壓裂煤層底板以上至終孔位置采用篩管。

壓裂鉆孔孔口段10 m送入D25 mm內徑的超高壓無縫綱管，每根無縫鋼管長2 m，采用絲扣連接；孔外的一根無縫鋼管尾端焊接D25 mm高壓直通快速接頭，確保能正常與兩根D19 mm內徑高壓纏繞鋼編管連接。由于送入孔內鋼管重量重，為確保鋼管不從孔內向下滑，在最后一根鋼管孔外段加工支撐塊。

2.2.2 壓裂孔的封孔工藝

壓裂鉆孔全孔段直徑為D94 mm，確保D15 mm注漿管能正常送入孔內；本次水力壓裂鉆孔采用多次封孔工藝。在進行多次封孔前，首先按照設計鉆孔參數施工鉆孔至煤層底板，然后使用水泥進行注漿；待注漿凝固后再按照壓裂孔設計參數施工壓裂孔至煤層頂板，不穿透煤層，鉆孔施工完成后進行壓裂孔封孔。

2.3 水力壓裂過程及分析

此次壓裂在1232(1)底抽巷19號鉆場進行，以2號孔壓裂為例，壓裂控制箱和監控柜布置于距離壓裂地點150 m的14號鉆場位置，水箱和高壓泵布置于距離壓裂地點120 m的15號鉆場位置。

2號水力壓裂孔準備工作完成后開始進行注水壓裂，壓裂泵的泵壓保護上限為30 MPa。首先試壓壓力為22.58 MPa，水量2 t，未出現異常后繼續注水加壓，當孔口壓力達到27.6 MPa后，停止壓裂但保壓3 h，此時注水量約為59 t，巷道頂板及壓裂孔附近無異常現象；隨后繼續壓裂，孔口壓力穩定約在26 MPa，4 h后壓裂孔口出現滴水，附近周邊錨桿錨索出現少許陰濕，距離壓裂孔60 m的17號鉆場的40號和45號鉆孔出現少量高溫水，水中有少量煤渣；保壓6 h后停止壓裂，總注水量約為129 t。壓裂注水結束后，壓裂孔內高壓水不卸壓，關閉孔口閘閥保壓一周。

3 水力壓裂效果考察

3.1 考察鉆孔布置

對壓裂孔區域水力壓裂后進行效果考察，壓裂效果考察鉆孔布置如圖2所示。

圖2 壓裂孔考察鉆孔布置示意

3.2 壓裂后抽采效果考察

抽采效果考察以19號鉆場2號水力壓裂孔為例進行分析，施工結束后進行瓦斯抽采。2號水力壓裂孔影響區域評價單元全部抽采鉆孔施工結束后進行合并抽采， 60 d的平均抽采瓦斯濃度達59%，與未進行水力壓裂煤層區域的抽采瓦斯濃度25%相比，提高了1.36倍；百米抽采瓦斯純量最高達1.25 m3/min，平均百米抽采瓦斯純量為0.68m3/min，與未進行水力壓裂煤層區域百米抽采瓦斯量0.32m3/min相比，提高了1.12倍；抽采85d后濃度和抽采量逐漸降至未壓裂煤層抽采數據水平，抽采90d時瓦斯含量和壓力達到了《煤礦安全規程》規定標準，相比于未進行水力壓裂區域抽采時間減少了約1個月，抽采濃度及抽采量變化曲線見圖3和圖4。

圖3 壓裂抽采濃度變化曲線

圖4 壓裂百米抽采量對比曲線

4 結 語

基于底抽巷的上向水力壓裂增透試驗取得了明顯的增透效果，相比于未進行水力壓裂區域，抽采瓦斯濃度和百米抽采瓦斯量明顯提高，減少了瓦斯抽采時間，保證了礦井的采掘平衡。