五里堠煤礦15號煤層水壓致裂瓦斯抽采技術研究

馬金飛，范永平

(山西潞安化工集團左權五里堠煤業有限公司，山西 左權 032600)

隨著煤礦開采深度的增加、大型機械化生產能力的提升，煤巖地應力增高、滲透率降低，瓦斯含量和壓力相應升高，高瓦斯和突出煤礦日益增多，瓦斯災害日趨嚴重。瓦斯突出嚴重影響和制約了煤礦安全生產[1-4]，治理煤礦瓦斯災害仍然是當前我國煤礦安全領域中的重大技術課題[5-8]。

井下預抽煤層瓦斯受到諸多局限，煤層透氣性是影響煤層瓦斯預抽效果的決定性因素。國內95%的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的煤層透氣性系數約為0.04～0.004 m2/(MPa2·d)，遠小于0.1 m2/(MPa2·d)的可抽采要求[9-12]，瓦斯預抽效果差。同時，傳統的本煤層瓦斯抽采工藝，鉆孔密集，施工強度大，抽采周期長，不利于礦井采掘銜接，技術工藝有待進一步改進。

國內外實踐證明，通過壓裂技術手段配合抽采方式將煤層中賦存的瓦斯開采出來，不僅可以降低煤層瓦斯含量，預防瓦斯突出，還可為社會提供豐富的潔凈能源。

自美國KANSAS第一次水壓致裂試驗成功后，歷經70余年的發展，水壓致裂技術從理論到應用都取得了豐碩的成果，成為石油、天然氣、非常規天然氣等油氣井增滲的有效技術措施[13-15]。GIDLEY[16]、MURDONCH[17]、鄧廣哲[18]、黃炳香[19]、雷毅[20]等都曾對水壓致裂技術的發展進行了總結與研究。近幾年，水壓致裂治理區域瓦斯抽采技術逐漸在全國的地下煤礦試驗并得到推廣[21-23]。

筆者針對沁水煤田北部五里堠煤礦15號煤層瓦斯含量高、滲透性差、抽采周期長等制約煤礦安全生產的問題，開展了本煤層壓裂抽采技術研究。

1 礦井概況

五里堠煤礦井田位于山西省左權縣境內、沁水煤田北部,礦井井田面積9.860 2 km2。礦井批準開采3～15號煤層，現開采15號煤層，核定生產能力120萬t/a。

15號煤層采用走向長壁綜采放頂煤工藝，其2101工作面長度約200 m，煤層平均厚度約6.17 m，賦存穩定；煤層頂板為砂質泥巖，底板為泥巖，煤層傾角為8°～18°。煤層絕對瓦斯涌出量為18.26 m3/min，相對瓦斯涌出量為10.85 m3/t，瓦斯壓力最大為0.46 MPa，屬于高瓦斯礦井。

15號煤層瓦斯抽采屬性介于可以抽采和較難抽采之間，需要采用一定的強化抽采方法才能取得預期抽采效果。現有的抽采設計方案為在15號煤層回采工作面內，利用垂直和斜交于工作面進風巷向煤層施工的加密交叉鉆孔對工作面煤層進行預抽。利用鉆孔周圍的應力疊加擴大塑性區的范圍和連通性，增加煤體的裂隙，提高煤體透氣性，預期達到提高預抽瓦斯效果的目的。加密交叉鉆孔預抽回采工作面本煤層瓦斯方法的鉆孔布置如圖1所示。該瓦斯抽采方式鉆孔密度大、數量多、抽采成本高、施工強度大，短期內抽采效果不佳。

圖1 15號煤層工作面加密交叉鉆孔瓦斯抽采方案

針對上述問題，本項目擬采用煤層水壓致裂抽采瓦斯技術對15號煤層回采工作面瓦斯進行壓裂抽采試驗研究，以期在降低鉆孔施工量的同時提高工作面瓦斯抽采效果，實現工作面的安全高效開采。

2 壓裂鉆孔方案設計

2.1 地應力測試

為設計水壓致裂方案，針對2101工作面回風巷采用空芯包體應力解除法進行地應力測試。測孔實測的主應力分布網絡如圖2所示。

圖2 測孔實測的主應力分布網絡圖

測試結果表明：彈性模量和泊松比分別為14.28 GPa和0.25；工作面最大主應力為水平應力，其值為18.3 MPa，方向角為N31.65°E；最小主應力為水平應力，均值為10.2 MPa，方向角為N121.32°E；中間主應力為垂直應力，均值為11.7 MPa，方向角為N214.95°E。測孔的地應力測試數據見表1。

表1 1號測孔的地應力測試數據

2.2 壓裂鉆孔布置方案

15號煤層煤體強度較低，經順煤層鉆孔采樣進行物理力學測試，平行層理方位單軸抗壓強度為0.86～1.44 MPa，抗拉強度為0.2～0.5 MPa，視密度為1.41 t/m3，單位質量孔隙率為8.44%，孔裂隙發育但連通性較差，單位質量煤體天然含水率約為2.3%。

根據地應力參數，確定水壓致裂裂紋形態為沿最大主應力方向、垂直于煤層層理面產生垂向斜交水力裂縫，方向角為N31.65°E。

試驗孔裸眼壓裂參數：回風巷巷幫豎直方向約4.0 m高度布孔，孔徑133 mm，順層方向水平鉆進120 m，封孔段15 m，采用清水壓裂液，流量1 000 L/min。試驗孔壓力與壓裂時間曲線如圖3所示。

圖3 試驗孔壓裂壓力與時間曲線

試驗孔起裂壓力為25～29 MPa，單孔注水量約300 t。試驗孔壓裂完成后，在壓裂孔兩側3、5、8、10、12 m位置分別鉆孔取樣(深100 m)進行含水率測試，每個鉆孔內間隔約20 m測定一組試樣含水率(測定結果見表2)，與原煤含水率(約2.3%)進行對比。

表2 觀測孔含水率測試數據

從表2可看出，單孔壓裂影響半徑為5～8 m，考慮到煤體非均質及裂隙發育的復雜性，局部裂紋可能產生一定偏轉，為進一步加強壓裂影響效果，達到預期高效抽采目標，選擇較小的影響范圍，確定壓裂孔間距為5.0 m。壓裂抽采孔采用雙排“三花眼”布置形式，順層布置120 m孔進行壓裂，具體布置參數見圖4。

圖4 2101工作面順層壓裂鉆孔抽采布置示意圖

3 壓裂試驗效果及分析

為檢驗壓裂后抽采效果，對瓦斯抽采周期進行統計分析，對殘存瓦斯含量進行測試對比。

該礦及周邊礦井原有的15號煤層抽采瓦斯資料顯示：煤層百米鉆孔(單孔)初始瓦斯抽采量平均約為0.055 6 m3/min(約80 m3/d)，其逐月累計抽采瓦斯數據見表3。

表3 原設計抽采鉆孔逐月累計抽采瓦斯數據匯總

采用本煤層壓裂抽采工藝后，對1#～7#鉆孔的抽采瓦斯情況進行了追蹤統計，15號煤層試驗段壓裂后百米鉆孔(單孔)初始瓦斯抽采量平均約為0.217 m3/min，各鉆孔逐月累計抽采數據匯總見表4。

表4 壓裂抽采鉆孔逐月累計抽采數據匯總

從表4中可看出，在抽采3個月后，從第4個月開始累計抽采量急劇下降，抽采量增加不多，到第5個月增加量已經不明顯。與表3原設計方案對比，壓裂后單孔累計抽采量，在第3個月已經與原始未壓裂的6個月單孔累計抽采量持平，甚至總量略有提升，抽采效果明顯。為保障抽采效果，壓裂后對煤層的抽采周期應維持在至少4個月。

壓裂抽采4個月后，在2#壓裂抽采孔兩側間隔2.5 m及5.0 m位置布置2個取樣鉆孔(深30 m)，對取樣總長度不小于40 cm的煤樣進行采集，共制取5組樣品，從采樣到裝入煤樣罐密封的時間不超過10 min。依據GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法(DGC瓦斯含量測定)》，對煤層抽采的殘存瓦斯含量進行測定。壓裂抽采4個月后相對瓦斯含量測試數據見表5。

表5 壓裂抽采4個月后相對瓦斯含量數據

從表5中可看出，壓裂抽采4個月后抽采瓦斯效果顯著，相對瓦斯含量從10.85 m3/t下降到了2.63 m3/t。

試驗結果表明，壓裂后抽采周期大約縮短2～3個月，殘存瓦斯含量也相對較低，抽采效果明顯。

4 結語

1)五里堠煤礦2101工作面最大主應力為水平應力，其值為18.3 MPa，方向角為N31.65°E；中間主應力為垂直應力。壓裂裂縫形態以垂直裂縫為主，方向角為N31.65°E。

2)鉆孔起裂壓力為25～29 MPa，壓裂有效影響半徑為5～8 m。與原有抽采孔密度相比，壓裂鉆孔密度為原有的1/2，單位距離內鉆孔施工量可縮減一半。

3)與傳統本煤層直接抽采工藝相比，現有壓裂抽采瓦斯工藝可縮短抽采工期近3個月，且瓦斯含量可降低至2.63 m3/t，壓裂抽采效果顯著。

4)新的壓裂抽采工藝不僅大大縮減了鉆孔工程量，且顯著縮短了瓦斯抽采工期，降低了工人的勞動強度，縮短了回采周期，可顯著提高煤礦經濟效益。該工藝對掘進工作面的快速掘進施工亦有重要的借鑒意義。