水力壓裂技術在煤礦井下瓦斯防治領域的應用

毛新華

(山西省能源發展中心，山西 太原 030006)

水力壓裂技術最先應用于石油工業，后又被引入煤礦井下瓦斯防治領域。現階段，隨著國內煤礦挖掘深度平均水平的增長，深部開采已經逐漸成為新的趨勢。這種趨勢存在兩方面明顯的變化：一方面，井下通風難度增加；另一方面，深部煤炭資源具有較高的變質可能性，瓦斯防治難度逐漸增加。

1 水力壓裂技術防治煤礦瓦斯的基本原理

1.1 傳統壓裂技術防治原理

由于甲烷(CH4)是瓦斯的主要成分，一般的地質環境下，難溶于水。因此，瓦斯有可能被高壓液體擠壓出煤層縫隙[1]。在高壓的驅動下，水箱中的水被壓入煤層，將煤層內裂隙暢通，并擠占原瓦斯所在空間(圖1)。

圖1 設備及管路連接示意圖

煤層上方一般由巖石覆蓋，在內部存在各項異性的原生縫隙。煤層上方的巖石受到自下而上的液體壓力作用。隨著壓力的持續增加，煤層原本閉合的裂縫發生形變，整體的滲透壓力顯著上升，最終貫通閉合的裂縫，并形成全新的瓦斯流通網絡[2]。基于此，從而實現水力壓裂技術防治煤礦瓦斯的基本原理(見圖2)。

圖2 注水系統布置圖

1.2 重復壓裂技術防治原理

傳統的水利壓裂技術屬于一次壓裂。對于特殊煤層來說，一次壓裂效果不一定理想，也可以采取重復壓裂的方式進行，具體工作流程如圖3所示。

圖3 重復水力壓裂工藝流程圖

在對特殊煤層的處理過程中，將一定劑量的表面活性劑、阻燃劑添加到水箱中，并隨同壓裂液壓入壓裂孔[3]。這樣的工作方式可以提高壓裂效果。

2 水力壓裂技術防治煤礦瓦斯的實際生產價值

2.1 有利于降低瓦斯爆炸風險

在一般情況下，瓦斯往往處于吸附狀態。吸附于煤層的瓦斯往往是產生礦難的根源之一。隨著高壓水的注入，吸附于煤層的瓦斯轉變為游離狀態。對于基質狀煤體內瓦斯有利于實現封閉處理。與此同時，隨著瓦斯實際涌出量的下降，瓦斯爆炸風險得到有效控制。

2.2 有利于開采過程中的除塵

由于水分的增加，煤體自身黏合的物理性能得到優化，原煤以粉塵形態分散能力相對減弱。這樣開采過程中煤炭產生粉塵的程度得到優化。隨著粉塵程度的優化，礦工的工作環境也同時得到了改善。

2.3 有利于煤炭資源的開采

將高壓水注入井下原煤縫隙，一方面在液體的擠壓下煤體的抗拉和抗壓物理參數性能發生了變化[4]。這些物理參數性能的變低有利于原煤的開采；另一方面，由于大量水分的注入，煤體含水量增加。這也有利于煤炭資源開采，提高采出率。

2.4 有利于降低地質災害的產生

在水力壓裂技術的輔助下，貫通后的煤體內部裂縫使得瓦斯的流動性得到了加強，同時地應力也得到了平衡，煤體均質化特征顯著提升，顯著降低了因局部瓦斯壓力過大導致的地質災害發生的概率。

2.5 案例企業基本技術條件分析

在本文案例中，X企業的HM礦井開采能力為120萬t/a。依據此參數可以看出，HM礦井為突出礦井。在實際的工作中，測得的HM礦井瓦斯壓力基本在3.0 MPa～3.9 MPa，且HM礦井瓦斯的含量大約在20 m3/t。鉆孔噴孔率較高，約33%。自正式項目上馬以來，HM礦井發生過多起瓦斯突出生產事故。

3 水力壓裂技術實現瓦斯防治的實驗分析

3.1 水力壓裂鉆孔布置

結合本案例，本課題將實驗布置于煤礦21426底抽巷2號鉆場。基本布置參數如表1。

表1 水力壓裂鉆孔布置參數

3.2 水力壓裂鉆孔封孔

水力壓裂鉆孔封孔的具體的施工方法為：

第一步，封裝。本案例中采用馬麗散進行鉆孔封裝。封裝的長度一般保持在1.6 m左右；

第二步，計算材料用量。計算1.6 m鉆孔所需的馬麗散、石膏、水泥等的用量；

第三步，封孔。機械的方式封孔是封孔過程中較為常見的方案。封孔時應用專用的封孔器(圖2)。將馬麗散化學藥劑、石膏與水泥等按照一定比例注入專用的封孔器；

第四步，觀測與測量瓦斯排出量。應用煤氣觀測表等儀器，在封孔之后的1 d內，測量瓦斯的排出量。

第五步，水力壓裂測試。精準控制注水環節，一旦發生滴水問題，要依據實際情況作出相應的注水壓力值的調整。在本文案例的測試事故反映預案中，如果出現滴水問題，測試人員應將注水壓力降低到7 MPa，并關閉所有閘閥(具體數據如表2所示)。

需要說明的是，水泵停止的選擇時機是有要求的。在檢驗孔附近，當瓦斯濃度在持續增加時，檢驗孔與壓裂孔之間已經貫通，需要將水泵停止。

表2 水力壓裂鉆孔注水參數

3.3 水力壓裂鉆孔封孔注意事項

一是供水不足。在水力壓裂技術實現瓦斯防治的實驗過程中，最容易產生的問題之一就是：供水不足。產生此類問題的原因有很多，對實際的地質條件估計不足；注水壓力設計不合理；壓裂時間過長；注水量參數設置不合理等。

二是參數動態變化。隨著裂隙的貫通，注入的水可能會在裂隙中流動,導致注水量、注水壓力、壓裂時間等參數持續發生變化。

3.4 水力壓裂效果

在對X企業的HM礦井3#鉆場工作面底板巷進行水力壓裂作業，同時觀測距離其60 m的1#鉆場。設計的注水參數如表3所示。

表3 水力壓裂單次注水相關參數

通過此次實驗，1#鉆場在壓裂前單孔瓦斯濃度、單孔瓦斯流量、抽采瓦斯總量分別為：8.0%、0.006 m3/min、241.4 m3。1#鉆場在壓裂后單孔瓦斯濃度、單孔瓦斯流量、抽采瓦斯總量分別為：49.7%、0.069 m3/min、1 536.1 m3。由此可知，距離HM礦井3#鉆場60 m以外的1#鉆場，瓦斯抽采抽采效率比以往有了顯著改善。

4 增強礦井瓦斯防治水平的解決對策

4.1 加大技術研發力度

從當前水力壓裂技術應用情況來看，這個技術在具體應用過程中定性使用的問題較為明顯，并沒有從定量的角度對相關的環節進行把控，特別是對于具體的注水壓力、注水時間等方面多數情況下對于操作技術人員的經驗等方面還有明顯的依賴，很多環節并沒有一個具體的公式供實際操作人員使用，影響了水力壓裂技術的應用效果。

4.2 增強人員應用能力

技術應用水平的高低不能簡單地歸結于先進的設備和優秀的理論，同時還需要有高素質的操作人員。為了更好地應用水力壓裂技術實現瓦斯防治，需要不斷培養熟練操作此項技術的人員，使其熟練掌握水力壓裂技術理論的同時，在培訓中不斷培養期實操能力，使其準確掌握水力壓裂技術實現瓦斯防治的實操要點。

4.3 強化新裝備的研發

應用力度結合水力壓裂技術實際應用情況來看，水力壓裂技術裝備在實際使用的過程中，智能化、自動化程度相對偏低，操控人員的勞動強度相對偏大，因此，這就需要持續加大對技術裝備的研發和投入力度，更好地發揮出水力壓裂技術的實際應用效果。

5 結語

煤礦瓦斯防治是一項不可或缺的安全生產工作，需要常抓不懈。借助先進的水力壓裂技術可以提升瓦斯防治工作的優化空間，可以為瓦斯防治工作帶來實效。