新景礦地面井壓裂強化瓦斯抽采技術

劉 真

（山西宏廈第一建設有限責任公司，山西 陽泉 045000）

新景礦15121工作面井下位于15#煤佛洼采區南翼中部，屬+420 m水平。該工作面所掘15#煤層賦存穩定，結構簡單，屬中灰、低硫的優質無煙煤，煤層以鏡煤、亮煤為主，內生裂隙發育，底部含少量黃鐵礦結核。煤層層理內生裂隙發育，絕對瓦斯涌出量1.65 m3/min。15號煤層瓦斯含量為8.08～13.63 m3/t，透氣性系數為0.018 m2/MPa2·d，百米鉆孔自然瓦斯涌出衰減系數為1.017 7 d-1，為典型的較難抽放煤層。煤層厚度3.94～8.21 m，平均為6.14 m。15號煤層最大瓦斯壓力為0.92 MPa，大于0.74 MPa；煤的破壞類型為Ⅲ～Ⅳ類；煤的最小堅固性系數為0.17，小于0.5；最大瓦斯放散初速度為40，大于10，有突出危險性。為此，在水力壓裂理論支撐下，提出了水砂壓裂增透技術。通過水砂壓裂工藝改造煤層天然裂縫網絡之間的連通性，煤層間裂隙增大，再利用排水造成井筒周圍壓降，使原始煤炭吸附瓦斯被快速解析[1-3]，通過長時間的排水降壓預抽瓦斯，達到有效開采煤層氣，同時大幅度降低該區域煤層的瓦斯含量，消除區域煤與瓦斯突出危險，從而達到井下安全生產的目的。

1 地面井壓裂強化瓦斯抽采技術的原理

由于煤層透氣性非常差，瓦斯抽采極為困難。為了提高瓦斯抽采的效率，必須要采取一些強化措施，水力壓裂技術是其中之一。水力壓裂技術可以分為井下鉆孔水力壓裂和地面井壓裂兩個方面。在很多情況下，井下水力壓裂可能會導致巷道使用不便，影響掘進的速度。與此同時，鉆孔壓裂的范圍非常有限，需要施工足夠多的壓裂孔，工程量非常大。因此，現在多采用地面鉆井來壓裂煤層從而達到強化瓦斯抽采的目的。

通過在地面施工鉆井，利用地面上的壓裂泵車將混合好的且具有一定粘度的壓裂前置液泵入壓裂井中[4-6]。待泵注壓力大于井壁周圍的地應力及地層巖石抗張強度時，井壁周圍的煤層產生大的裂縫。由于裂縫可能在地應力的作用下造成裂縫閉合，需要對裂縫進行支撐。為此，需要注入含有支撐劑的壓裂攜砂液，從而在井底附近地層內形成具有一定幾何尺寸和導流能力的填砂裂縫，溝通煤層裂縫，從而增加了煤層的透氣性，有效改善壓裂影響范圍內應力集中狀態。這樣就可以在煤層中造出大量的裂縫，為煤層中瓦斯提供了通道，提高瓦斯抽采的效率[7-8]，提高采掘速度和確保煤礦安全生產。

由于地面鉆井壓裂的范圍較大，只需要少量的井就可以強化工作面的瓦斯抽采[9-10]。新景礦15121工作面正在掘進進風巷，巷道長度1500 m，寬4.3 m，高4.1 m。在進風巷上方布置了四個壓裂井XJ-15、XJ-16、XJ-17以及XJ-18，施工參數見表1。

表1 四個地面井的壓裂參數

2 15121進風巷壓裂井壓裂效果分析

為了考察地面井壓裂的效果，統計了地面井的產氣量，如表2所示。此外，還考察了壓裂對巷道掘進施工的影響。

表2 地面井抽采情況

15121進風巷764 m至切巷的區段屬于地面井壓裂預抽區域，依據地面壓裂井影響半徑經驗數據為130 m，分析壓裂影響范圍區域與未壓裂區域煤層瓦斯參數作對比。

2.1 未壓裂區域防突措施施工情況

在未壓裂區域采用“6+7”造穴增透措施，“6”指施工6個造穴鉆孔，“7”指施工7個普通預抽鉆孔，主孔深度為80 m（允許掘進60 m，預留20 m超前距離）。平均單循環工程量為971.8 m，造穴個數為92個，出煤量為71.47 t。該區域內平均煤層瓦斯含量為11.82 m3/t，單循環抽放量為1.6萬m3，平均耗時18.6 d。掘進期間巷道瓦斯濃度曲線如圖1。

圖1 未壓裂區域掘進期間巷道瓦斯濃度

從圖中可得出，掘進期間巷道最大瓦斯濃度為0.34%，平均為0.24%。這表明采用密集鉆孔區域防突也能保證巷道的安全掘進。

2.2 壓裂影響區域防突措施施工情況

壓裂影響區域前期采用“3+7”區域措施，“3”指施工3個造穴鉆孔，“7”指施工7個普通預抽鉆孔，主孔深度為100 m。平均工程量為1 024.4 m，造穴個數為61個，出煤量為129.18 t。隨后優化措施，僅施工3個措施孔，對前方掘進區域進行效果檢驗，主孔深度80～100 m（允許掘進60～80 m，預留20 m超前距離），平均單循環工程量為304 m，區域校檢達標可不執行增透消突措施。該區域內平均煤層瓦斯含量為8.27 m3/t，平均耗時5.3 d。掘進期間巷道瓦斯濃度曲線如圖2（“3+7”區域措施）。

圖2 壓裂區掘進期間巷道瓦斯濃度

由圖2可以發現，在壓裂影響區，掘進期間巷道最大瓦斯濃度為0.59%。由圖3可以發現，在進行優化后，掘進期間巷道最大瓦斯濃度為0.44%。這表明在壓裂區域瓦斯得到了有效的控制，可以保證安全掘進。

圖3 壓裂區掘進期間巷道瓦斯濃度曲線（3個措施孔）

2.3 壓裂前后基礎數據對比分析

為了更好地展示壓裂對巷道掘進的影響，對比了壓裂前后巷道安全掘進的工程量，見表3。

表3 壓裂影響區內外瓦斯抽采效果對比

在壓裂影響范圍內（優化后）煤層瓦斯含量為8.27 m3/t，較未壓裂區域內瓦斯含量減少30.1%。在壓裂影響范圍內（優化后）區域措施執行天數較未壓裂區域內減少13 d。在壓裂影響范圍內（優化前）單日抽采量1 577.9 m3，是未壓裂區域內單日抽采量891.9 m3的1.77倍。壓裂影響范圍內與未壓裂區域內掘進防突測試指標K1均未超限，無突出危險性。壓裂影響范圍內與未壓裂區域在掘進期間均未出現瓦斯超限事故。

15121進風巷巷道設計長度為1620 m，其中未壓裂區段長度為634 m，剩余986 m為壓裂影響區段。該巷道2019年2月開始掘進，至2020年1月，掘進至634 m位置，期間最高掘進效率為61 m/月，平均為52.8 m/月。巷道2020年2月開始在理論壓裂區域掘進，截至10月底已掘進826 m，期間最高掘進效率為158 m/月，平均為91.7 m/月。綜上可得，壓裂影響區域掘進效率較未壓裂區域提高1.73倍。

3 結語

在壓裂影響范圍內的瓦斯抽采效果有大幅度的提升，表明地面井壓裂對煤層的增透效果明顯。壓裂影響區域掘進效率提高了1.73倍。抽采量最多的XJ-15#地面井抽采量為16.0萬m3，按照130 m影響半徑計算，煤層瓦斯含量平均下降僅為0.2 m3/t，故導致井下實測煤層瓦斯含量無明顯差別。壓裂影響半徑有待進一步考察。

由于煤層賦存的不同及地質條件的差異，壓裂影響范圍存在不均衡性，且影響半徑并非理想的正圓形，一般為橢圓模型，存在長短軸差別。在剛剛進入壓裂影響范圍內施工區域鉆孔時，在40 m后普遍存在打鉆噴孔現象（未壓裂區域鉆孔施工時無異常現象），說明鉆孔施工至“瓦斯庫”區域，亦可導致區域抽采總量明顯提高。然而，這個“瓦斯庫”是由于地面壓裂致使瓦斯聚集，還是煤層中本身已存在，還有待進一步考察。地面井壓裂技術主要是為了改善煤層的透氣性，故分析其影響作用還需現場測定影響范圍內煤層的透氣性系數（λ），可直觀反映水砂壓裂的作用效果。