屯蘭煤礦水力壓裂增透技術研究

潘錦晶

（山西省煤炭地質114勘查院，山西 長治 046000）

隨著煤炭開采強度的增大和逐步向深部延伸，煤層的瓦斯壓力及瓦斯含量隨煤礦開采深度增加呈線性增大，瓦斯治理難度也隨之增大，特別是松軟煤層，具有透氣性差、強度低和施鉆難以成孔等特點，屬于難抽煤層，導致本煤層瓦斯抽采時間過長，效率過低，嚴重制約礦井生產接替。

屯蘭煤礦12511工作面主采的2#煤層普氏硬度f=1，為松軟煤層，煤層的原始瓦斯含量為9.21 m3/t，煤層透氣性系數為3.44～7.37 m2/MPa2·d，透氣性差，瓦斯壓力1.5MPa。常規的抽采治理措施效果并不明顯，為解決瓦斯治理難題，研究提出在12511工作面底抽巷對松軟煤體進行水力壓裂增透試驗。

1 地質概況

山西焦煤集團有限責任公司屯蘭煤礦位于山西省太原市古交市木瓜會村，設計生產能力為400萬t/a，主采2#、3#、8#煤層，為煤與瓦斯突出礦井。12511工作面位于南五盤區左翼，東鄰12509工作面，兩工作面設有保護煤柱25m，西為12513工作面，南鄰土地溝斷層防水煤柱，北鄰南五盤區大巷。工作面設計可采走向長1455 m，傾向寬227.5 m。工作面開采2#煤層，煤層平均采厚1.57 m，傾角平均5°。2#煤與3#煤層間距小于5 m，兩層煤均具有突出危險，工作面絕對瓦斯涌出量為20 m3/min，相對瓦斯涌出量為20 m3/t，瓦斯原始含量為9.21 m3/t，殘余瓦斯含量為5.71 m3/t，煤塵具有爆炸危險性，煤的自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層。

煤體瓦斯含量高，瓦斯壓力大，煤層透氣性差，為提高瓦斯治理效果，在12511工作面試驗松軟煤層底抽巷條帶水力壓裂增透試驗。根據松軟煤層微縫網循環延展塑性固化水力壓裂增透機理，通過煤礦井下專用高壓力、大流量注水泵，向煤層壓入高壓水，從而使煤層形成微縫網，打通瓦斯流動通道，提高瓦斯抽采率，達到消突的目的。

2 水力壓裂增透試驗

根據屯蘭煤礦12511工作面實際地質條件及井下生產情況，選擇在12511工作面軌道順槽底抽巷進行試驗。底抽巷距離本次試驗的目標煤層垂直平均間距為26 m，分為兩個試驗區域，試驗區域1為無穿層壓裂區域，試驗區域2為穿層壓裂區域，如圖1。

圖1 試驗區域鉆孔布置圖

工作面底抽巷試驗區域1布置15個效果檢驗抽采鉆孔，鉆孔間距為3 m，試驗區域1為非壓裂區域；試驗區域2布置1個壓裂鉆孔，壓裂結束后施工11個效果檢驗抽采鉆孔進行瓦斯抽采效果考察。壓裂孔Φ95 mm，終孔層位位于煤層頂板0.5 m處，具體參數見表1。

表1 壓裂鉆孔施工參數

2.1 煤體起裂壓力

煤體內起裂壓力計算公式：

式中：Pk為煤體起裂壓力，MPa；σh為最小主應力，MPa；σH為最大主應力，MPa；σt為抗拉強度，MPa；P0為孔隙壓力，MPa。

根據屯蘭煤礦地質報告，該礦的地應力場屬于水平應力場，地應力是以水平壓應力為主導，最大主應力為29.37 MPa，最小主應力為17.2 MPa，煤體抗拉強度為1.3 MPa，煤體孔隙壓力為0.45 MPa。將數據代入可得煤體起裂壓力為23.08 MPa。

實際水力壓裂過程中，由于克服沿程阻力、位能、接頭漏水、管路變徑以及多處拐彎等因素影響，實際注水壓裂要大于煤體起裂壓力，將鉆孔最終注水壓力設計為30 MPa。

2.2 注水量計算

壓裂注水量主要跟壓裂半徑、壓裂孔徑、煤厚及孔隙率有關，根據需要壓裂的預定影響范圍及煤巖層影響體孔隙率計算出單孔壓裂壓入水量。壓裂注水量按下列式計算：

V=π（R-r）2Hφ（2）

式中：R為預計壓裂半徑，m；r為孔眼半徑，m；H為煤層厚度，m；φ為孔隙率，%。

本次設計壓裂半徑15 m，孔徑為94 mm，煤層平均厚1.57 m，煤層孔隙率為4.93%。將數據帶入上式計算得出水力壓裂每個鉆孔注水量為54.37 m3，實際按70～90 m3進行設計。

2.3 水力壓裂試驗

依據鉆孔布置方式以及布置參數進行壓裂鉆孔施工，壓裂設備使用BYW315/55型煤礦井下壓裂泵。根據前述計算，泵注壓力在24～30 MPa之間波動，注水量90 t左右時，停止水力壓裂，整個壓裂過程共持續6 h。壓力曲線如圖2。

圖2 壓裂孔壓裂過程中壓力曲線

由圖2可知，水力壓裂過程中的最高壓力值為30 MPa。壓裂曲線部分段表現為鋸齒狀，表明整個過程中產生了許多的微型裂縫，其將會增大煤層的透氣性。

3 水力壓裂效果分析

水力壓裂保壓以及排水結束后，分別在試驗區域1和試驗區域2按照鉆孔布置方式，施工試驗區域1的15個效果檢驗抽采孔，鉆孔間距為3 m×3 m；試驗區域2施工11個效果檢驗抽采孔，1個壓裂孔。

3.1 瓦斯含量分析

通過對試驗區域2施工效果檢驗抽采孔對60 d單孔瓦斯抽采濃度及純量進行定期監測，并與未壓裂的試驗區域1進行效果檢驗抽采鉆孔抽采數據作對比分析。

通過對檢驗孔1#和2#鉆孔的數據分析發現，試驗區域經過水力壓裂后，距離壓裂孔50 m位置處煤層瓦斯含量提高了約1.5 m3/t，但壓裂孔40 m范圍內煤層瓦斯含量降低了3.0 m3/t，可判定高壓水力壓裂影響范圍達到40 m。因此水力壓裂影響范圍內由壓裂孔口向外煤層瓦斯含量升高，證明高壓水力壓裂對煤層瓦斯具有驅替作用。

3.2 抽采效果分析

將未水力壓裂試驗區域1與水力壓裂區域2在60 d內的抽采濃度和單孔抽采量進行對比分析，選取試驗區域1的7#和9#效果檢驗抽采孔、試驗區域2的2#和4#效果檢驗抽采孔進行抽采數據分析如圖3。

圖3 未壓裂試驗區域1與壓裂試驗區域2抽采效果對比

經以上數據分析，接抽60 d內，未進行壓裂的試驗區域1的效果檢驗抽采孔7#和9#鉆孔瓦斯抽采平均濃度為3.2%、3%，經過水力壓裂措施之后，試驗區域2的效果檢驗抽采孔2#和4#鉆孔瓦斯抽采平均濃度為26%、29%。水力壓裂措施后的瓦斯抽采濃度是原始區域煤層瓦斯抽采濃度的8.1倍、9.7倍。接抽60 d內，經過水力壓裂措施之后，試驗區域2的效果檢驗抽采孔2#和4#鉆孔瓦斯抽采平均抽采純量為0.018 5 m3/min、0.017 8 m3/min，而未進行壓裂的試驗區域1的效果檢驗抽采孔7#和9#鉆孔瓦斯抽采純量平均僅為0.002 8m3/min、0.002 1 m3/min。水力壓裂后的單孔瓦斯抽采純量是未進行水力壓裂區域單孔瓦斯抽采純量的6.6倍、8.5倍，抽采效果提升明顯，抽采達標時間大幅度縮短。壓裂區域煤巷掘進速度為140 m/月，未壓裂區域煤巷掘進速度為52 m/月，壓裂后掘進速度提高2.69倍。

4 結語

通過對屯蘭煤礦12511工作面地質情況分析，計算出煤體起裂壓力23.08 MPa，設計水力壓裂每個鉆孔注水量為54.37 m3，壓裂注水量范圍為70～90 m3。在該礦成功實施水力壓裂后，單孔瓦斯抽采濃度提高了約8～10倍，抽采純量提高了約6.5～8.5倍。現場應用表明，水力壓裂技術能夠顯著提高煤層透氣性，增加瓦斯抽采量以及抽采效果，有效減少事故的發生和保障安全生產。