水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的應用

康 宇

(晉中市煤炭規劃設計研究院，山西 晉中 030600)

我國煤礦大部分煤層的透氣性都很差，瓦斯含量也很高，加上煤礦本身開采條件惡劣，所以很容易發生瓦斯爆炸事故。這不僅會延誤煤礦開采的進程，而且還可能會帶來嚴重的經濟損失和人員傷亡。同時，隨著煤礦開采深度的不斷加大，突然涌現的煤層也就越多，而煤層數量的增多也會極大地增加煤層縫隙，導致安全性方面的問題層出不窮。以往大多數煤礦煤層瓦斯治理中很難采取有效的安全防護措施，而應用水力壓裂技術可提高煤層的透氣性，降低煤層瓦斯含量，從而可有效抑制煤層瓦斯爆炸事故的發生，提高煤礦開采的安全性[1]。

1 水力壓裂技術概述

水力壓裂技術是煤礦治理中常見的技術之一，具有改善煤礦環境，平衡瓦斯含量的作用，從而可降低煤礦瓦斯爆炸事故發生的概率，提升煤礦開采的安全性。該技術主要被用來治理煤礦開采中的瓦斯問題。在透氣性較差的煤層中煤礦中的瓦斯容易溢出，水力壓裂技術可治理這些泄漏的瓦斯，降低煤礦中瓦斯的含量，從而降低煤礦瓦斯爆炸事故發生的概率。水力壓裂技術在煤層瓦斯治理時可同時增加煤層的透氣性，從而減少煤礦瓦斯泄漏的可能。現階段，該技術主要被用在原生態煤層結構的瓦斯治理中，工作原理是以水力為動力源，使煤體裂縫之間保持暢通。這是因為采用了高于地層濾失速率的水排量，且高于地層破裂實際壓力，所以在煤層開采時每一個級別都能產生一定程度的流體壓力，煤層空間在膨脹力的作用下使煤層具有一定的延伸性。這樣煤層在產生裂縫以后就能相互連通，使縫隙之間互相貫通，相應的會增大煤礦儲層含量，提高采井間的連通性。不過水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中應用時，需要保證該煤礦具有水力壓裂作用的條件，比如達到標準的壓力值、水力排量值等。另外需規定水力壓裂的泵注程序，使每個煤層中都有相配置的封孔技術并采取了相應的保護措施。

2 水力壓裂技術在煤礦應用中的多重效應

2.1 降低煤礦瓦斯事故，改善開采環境

第一，為減少瓦斯事故，需要封鎖煤層中的瓦斯，確保其留在煤層中而不溢出，確保原本吸附態的瓦斯變成了游離態瓦斯，如此有助于瓦斯涌出量的減少和更好地進行散放。第二，該技術在應用時會出現大量裂縫，而裂縫的存在使煤層透氣性顯著提高，使其有效散發而不是突然的涌出。第三，該技術的應用有助于改變煤層結構的強度，使煤層含水飽和度增加，可有效降低煤層單軸抗壓抗拉強度，使煤層開采難度下降，從而提升煤礦開采整體的安全性。第四，該技術的應用還可以增強煤層結構的地應力場，使煤層結構能長期處于平衡，避免煤層結構出現應力太大導致煤礦中瓦斯處于不平衡狀態而發生涌現。第五，煤礦中瓦斯會經常處在不均勻、不平衡的狀態，這時煤層之間瓦斯含量，以及和其他物質的比例會長期處于變化狀態中，當差異過于明顯瓦斯過于集中時就會增大涌出的概率，加大瓦斯爆炸的可能性。而應用了水力壓裂技術以后，可使煤層中瓦斯的含量能從高壓力值區域向低壓力值區域發展，這樣瓦斯能發生作用的條件減少，就會降低瓦斯爆炸的可能。第六，水力壓裂技術的應用也有降塵的作用，比如抑制煤礦開采時揚塵的概率，從而可提升煤礦開采環境的安全，比如改善了煤礦開采的環境，不僅可減少瓦斯爆炸還能保護操作人員的安全。因為煤礦開采環境本身就比較復雜，開采人員長期在惡劣環境下不僅會降低工作效率，還會對身體健康甚至生命構成威脅。而水力壓裂技術的應用，能有效改善煤礦環境，為煤礦作業人員提供一個相對友好的環境。

2.2 增透效應

通過水力壓裂有助于增加煤層之間的透氣性，確保煤層裂縫出現良好的增壓效果，且有助于裂隙長度的有效延長、拓展，致力于煤層增透效應的顯著提升。隨著開采深度的進一步加大，生產環境越來越復雜，煤層的透氣性也越來越差，瓦斯不能有效地釋放導致濃度日益提高，而水力壓裂技術的應用可以在煤層表面增加更多縫隙，延長分析長度，增強煤層透氣性，使對煤礦井下瓦斯的處理有了更多選擇的方式。

2.3 抑制突出，延長抽采時間

煤層瓦斯分布呈非均勻狀態，在相鄰兩個煤層之間瓦斯壓力也顯著不同。而在經過水利壓裂技術應用以后，瓦斯量和應用之前對比明顯減少。同時瓦斯抽采孔也發生了改變，本來可能要花費一周的時間，而在經過壓裂操作以后需要花費的時間延長，可能變成一個月甚至更久，說明在水力壓裂技術應用以后可有效提升抽采量。同時該技術的應用可不斷增加煤層之間的含水量和飽和度，降低了抗拉和抗壓強度，可為煤層開采降低難度，提高日抽采量，提高抽采效果。

3 水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的具體應用分析

3.1 應用原理

在煤礦瓦斯治理中應用水力壓裂技術，發生作業的關鍵條件之一是煤礦中必須要有高壓水，在高壓水中還要有砂子材料形成混合液體進入煤層縫隙中。隨著混合液體的進入，使煤層產生更大裂縫，液體的高壓作用下進入煤層裂縫后砂子便會留在縫隙中，這些留在縫隙中的砂子具有支撐性作用，在這個過程中可避免縫隙閉合在一起，從而能保證煤層的透氣性，使瓦斯可以從煤層中均勻有效地散發而避免了突然涌現。煤礦在開采時在外力條件作用下也會產生裂縫，但是受到地質地形等的影響，不同煤礦的煤層其暢通性也不同，這時需利用水力壓裂技術來保證煤層的透氣性，在高壓作用下可通過打鉆的方式往煤層中注入高壓水，水體在高壓作用下進入煤層地質。高壓作用越大，水力壓力越大，在水力作用下在煤層內產生支撐作用。

3.2 整體優化

單井壓裂技術作為水力壓裂技術的核心，已經被廣泛應用到多個煤礦瓦斯治理當中，特別是大型煤礦油田，該技術的應用能夠整體優化煤礦瓦斯治理，將其最優效果充分發揮出來。在進行整體優化的過程中需要對煤層進行分割，使其他參數全部覆蓋，使煤層縫隙指標在長度、深度等方面產生變化。然后根據煤層縫隙大小、導流參數的設計來合理應用水力壓裂技術。在現場可進行瓦斯治理模擬，對高壓水進入煤層縫隙的現象進行仿真模擬和試井研究、實驗室研究等，從而提高該技術在煤礦瓦斯治理中的效果。

3.3 方位布井

在利用水力壓裂技術進行煤礦瓦斯治理時，方位布井指的是進行開采井的規劃，研究煤層水力縫隙之間的關系，明確水力壓裂技術應用目標，從而提高瓦斯治理效果。方位布井時，首先要得到現場各方面的信息，在布置好現場稀井網以后分析瓦斯煤層中的地應力場，然后分析瓦斯煤層中的最大應力方向。因為在煤層開采中所產生的裂縫大小不一且方向變化很大，因此為保證水力壓裂技術在煤層中瓦斯治理的應用效果，需根據煤層瓦斯裂縫實際對方位布井進行設計，同時了解兩者之間的關系，有效匹配水力縫隙和方位布井關系，提高水力壓裂技術的應用效果。

3.4 水力壓裂

重復性是水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中應用時的另一大特點，可提升煤礦瓦斯治理的效率和質量。一般來說，水力壓裂技術中的選層選井技術需結合模糊邏輯理論來綜合考量，重復性水力壓裂技術的應用可在現場選擇煤層和礦井模型，結合現場指定合理的水力壓裂技術應用方案。應用重復性水力壓裂技術可預測應力場的變化，通過模型研究可在模型中輸入多個煤礦地應力場，并以預測的結果為依據設置應力場中的礦井距離、水力壓裂時間和原水平主應力差等，然后在變化規律越來越明顯后可安排重復性水力壓裂技術來降低煤礦瓦斯事故發生的風險。

4 水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的應用實案例[2]

某煤礦長期存在瓦斯突出礦井的問題，在多次水力壓裂實施以后將每次注水量控制在100～230 m3之間，將作業壓力控制在17～35 MPa之間，發現經過水力壓裂作用后所對應的瓦斯抽采情況明顯改善，提高了實際的抽采效率，水力壓裂作業甚至可以影響作業外的抽采孔。從所獲得的數據明顯可以發現水力壓裂作業可明顯提高煤礦瓦斯抽采速度，提高煤礦瓦斯治理的效率。

表1 水力壓裂技術在瓦斯治理中前后數據對比

5 結語

本文對水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的工作原理、作用和具體應用進行了分析。隨著水力壓裂技術的成熟，該技術對于煤礦瓦斯治理非常有效，不但可增加煤層透氣性而且還能降低煤層瓦斯含量，改善煤礦作業環境，減少煤層瓦斯事故發生概率，同時也為煤礦開采提供了一個相對友好的環境。