基于礦井開采的水利壓裂治理技術研究

（云南省一九八煤田地質勘探隊，云南 昆明 650000）

我國能源開采行業的開采條件十分艱苦，井下易燃氣體含量也很高，在工人的開采過程中，極其容易發生爆炸事故，嚴重影響工程的開采進度，甚至會帶來人員傷亡和重大經濟損失。與此同時，井下開采深度在不斷增大，開采范圍也越來越廣，礦層數量的增多不僅增加了礦層縫隙，對于開采工人的安全性也帶來一定的隱患，對于井下易燃氣體的治理，勢必要采取有效的方案和措施[1]。應用水力壓裂技術能夠提高礦層的透氣性，降低易燃氣體含量，可起到預防事故的作用，提高我國礦山開采的安全性。

1 水力壓裂技術概述及原理

水力壓裂技術是井下開采隱患治理的常見技術之一，這項技術能夠有改善井下開采環境，降低易燃氣體的濃度，在開采過程中形成一個較為安全的環境，從而降低事故的發生概率。

這項技術主要是用于治理礦山開采中出現的爆炸事故，在煤礦的開采過程中，由于其深度的原因，會導整個開采環境相對閉塞，透氣性極差，這時候需要將氣體充分排出，以便于開采人員進行作業，否則當開采人員進入到礦井中時，會吸入大量的有害氣體，導致中毒的情況，甚至會引起爆炸。而水利壓裂技術則能夠對泄露的有毒氣體起到治理作用，夠降其含量，使得開采人員在進行作業時得到安全的保障，減少安全事故的發生；其次，水力壓裂技術還能增加礦層的透氣性，在存有礦物質的區域打孔，并在孔隙中注入含砂的液體，通過液體的流向滲透礦層，使整個礦層間形成縫隙，從而使整個開采環境起到流暢、透氣的作用，能夠有效預防中毒問題，現階段這項技術主要被運用在原生態結構礦區的安全隱患治理中。

不過在運用這項技術時，有一點是需要特別注意的，在實際應用時，要保證井下環境能夠滿足水力壓裂工作時的條件，需要嚴格按照礦山開采的設計方案來執行；其次是要了解開采礦區的地質情況，以及易燃氣體的濃度等等，確定其參數值等；最后是校驗應用的質量，保證易燃氣體的濃度達到標準。符合以上條件時，再來應用水力壓裂技術處理安全隱患問題。

2 水力壓裂技術在應用中的重要性

2.1 對開采礦的礦層起到增透作用

在前面水力壓裂技術的原理中有提到，這項技術能夠增加礦層之間的縫隙，從而達到釋放有害氣體的效果，這便是水力壓裂技術的增透效應，通過水力壓裂技術，確保礦層裂縫之間出現良好的增壓效果，并且能夠助于這些裂縫長度的延伸，讓整個開采環境的增透效應達到顯著提升[2]。隨著礦山開采工作的不斷深入，對于開采深度也在隨之增加，而井下開采環境也開始越來越惡劣，井下的透氣性和易燃氣體的釋放問題成了現目前能源開采行業重點關注的問題，而水力壓裂技術的應用則能夠有效解決這樣的問題，使用該項技術將礦層之間的縫隙增加，從而對開采工程起到增透作用。

2.2 改善開采環境，降低事故發生

在礦山開采工程中應用到水力壓裂技術，還能夠在一定程度上改善開采環境，降低安全事故的發生，其主要表現在以下幾點。第一，在礦井開采工作中，為了減少事故的發生，需要對礦層中的易燃氣體進行封鎖，確保氣體不會溢出，這個時候原本吸附的易燃氣體會變成游離狀態，利用水力壓裂技術，能夠將易燃氣體進行更好釋放，避免造成中毒的危害；第二，這項技術能夠在一定程度上改變礦層結構的強度，增加礦層的含水飽和度，有效降低礦層抗壓抗拉的強度，使開采難度下降的同時提升整體的安全和質量；第三，井下開采環境中，易燃氣體和其他物質會經常處于不穩定的狀態，在長久的積壓過程中，易燃氣體出現過于集中的情況則容易發生氣體大量涌出的情況，最終引起爆炸，而水力壓裂技術的應用，能夠使礦層中的易燃氣體含量壓力值降低；第四，水利開裂技術還能有效改善開采環境，起到抑制灰塵的作用，由于井下開采環境復雜且惡劣，對開采人員來說，受環境影響，也會導致工作效率的降低，并且在長期作業中，對身體健康也有一定的影響，而水力壓裂技術能夠對環境中的灰塵起到抑制作用，有效改善開采環境，從而提升開采工作的安全與質量[3]。

2.3 延長抽采時間，提高開采量

在礦層中，易燃氣體的分布常處于不均勻、不平衡的狀態，在相鄰的兩個礦層之間，易燃氣體的壓力也有所不同。在應用水力壓裂技術之后，易燃氣體含量相比之前會有所減少，加上抽采孔也發生了一定的變化，原本需要花費一周時間開采，經過水力壓裂技術之后，時間可能會延長到一個月甚至更久，時間的延長增加了井下抽采量。同時，水力壓裂技術的應用增加了礦層之間的含水量和飽和度，為礦層的開采降低了難度，有效提高了其抽采量。

2.4 降低井下易燃氣體的壓力

井下的礦層之間原本是處于封閉的狀態，但運用了水力壓裂技術之后，礦層之間則會產生風縫隙，而縫隙之間又會起到相互連通的作用，這樣一來就增加了礦層之間氣體的流通，不僅疏散了礦層間的其他氣體，也降低了井下易燃氣體的壓力，從而使得易燃氣體壓力的分散變得更均衡，不僅利于開采人員作業，也保障了開采工作的安全性。

3 水力壓裂技術的應用步驟

3.1 水力壓裂技術支撐礦層裂縫

前面已經提到了關于水力壓裂技術的工作原理，其原理在發生作用時，需要滿足必要的條件才能進行作業。礦山開采中，高壓水需要砂子材料等多種混合液體進入礦層縫隙，隨著多種混合液體的進入，會使礦層中的縫隙更大，而液體在高壓作用下，進入礦層裂縫后，砂子便會留在裂縫中，起到一定的支撐作用，在這個過程中，由于砂子支撐了縫隙，使得礦層避免縫合在一起，起到了良好的透氣性，易燃氣體通過這些縫隙，也可以均勻的排出，避免突然涌現的情況[4]。在開采過程中，由于外力條件的作用，也會產生裂縫，但是裂縫無法保證其安全性，所以需要利用水力壓裂技術來保證煤層透氣性，在高壓的條件下，通過打鉆的方式在礦層中注入高壓水，水體不斷進入煤層中，在高壓的作用下，對礦層中的裂縫起到支撐作用，這樣一來，也保證了開采的安全性。

3.2 對水力壓裂技術進行模擬實驗

在水力壓裂技術中，單井壓裂技術又是其中的核心所在，現已被廣泛運用到能源開采領域中，尤其是大型礦田，運用單井壓裂技術能夠對井下易燃氣體起到整體的治理作用，充分發揮出其技術效果[5]。在整體優化的過程中，需要先對礦層進行分割處理，使其他參數發生變化，在根據礦層縫隙的大小及倒流的參數合理實施水力壓裂技術。在進行現場開采工作前，可以提前對高壓水進入礦層的現象做一個模擬實驗，在模擬實驗中發現技術中不足的地方，并及時加以改善，從而有效提升水力壓裂技術在井下易燃氣體治理中的效果。

3.3 對開采礦進行方位步井

在利用水力壓裂技術對井下易燃氣體進行治理時，首先要對開采的礦井進行一系列規劃，研究礦層水力縫隙之間的關系，明確該技術所針對的目標，從而提治理的效果，這一操作在開采中也叫做方位步井。在進行方位步井時，需要提前掌握現場的信息，布置好現場稀井網之后，分析易燃氣體在礦層中的應力方向。以上步驟是因為礦層中所產生的裂縫方向變化很大，并且裂縫的大小不一，要想保證水力壓裂技術的治理效果，就需要根據實際的裂縫大小來設計方位步井，設計好之后確保水力縫隙與方位步井的關系，以保證壓裂技術達到更好的效果。

3.4 重復性水力壓裂技術

水力壓裂技術在對易燃氣體進行治理時，還具有重復性這一特點，重復水力壓裂技術能夠使治理更有效，并且能提升治理的效率和質量。在水力壓裂技術中，其選層選井的技術需要結合一定的邏輯理論來進行綜合考量，重復性水力壓裂技術能夠在現場選擇礦層和礦井的模型，結合開采礦現場的情況進行水力壓裂技術的實施方案，通過重復操作，能夠預測到礦井中應力場的變化，并且能夠在模型中輸入多個礦山應力場，預測出來的結果可以作為依據，設置出礦井的距離、水平主應力差、水力壓裂時間等參數，然后根據其變化規律，安排水力壓裂技術，從變化規律的強度判斷，使用重復性水力壓裂技術來降低易燃氣體發生爆炸的風險。

4 結語

礦井開采的安全問題一直以來是社會民眾關注的焦點。近年來，礦山開采的事故頻發，除了塌方造成的人員傷亡之外，易燃氣體的泄露和爆炸也成了井下開采工作中的重大威脅，安全隱患問題沒有得到有效解決，對礦山開采帶來重大損失，在這種情況下，進行水力壓裂技術的治理就顯得異常重要。