告成矿“三软”煤层压裂增透技术研究

田忠友

（中国矿业大学（北京），北京市海淀区，100083）

告成矿“三软”煤层压裂增透技术研究

田忠友

（中国矿业大学（北京），北京市海淀区，100083）

针对告成矿“三软”煤层瓦斯抽采遇到的难题，对水力压裂增透技术机理进行深入研究，并进行了现场试验。试验结果表明，水力压裂前的瓦斯抽采量4.6%，日平均抽采瓦斯量0.970m3；水力压裂后的瓦斯抽采浓度达到22.1%，日平均抽采瓦斯量10.437m3，效果明显。

瓦斯抽采 三软煤层 水力压裂增透 点源模型

1 水力压裂试验区域简介

告成矿水力压裂试验地点选择在21采区的21031工作面，它的设计走向长1409m，倾斜宽147m，面积209941m2。煤层倾角7～10°，平均倾角9°，煤层平均厚度4.9m，该工作面开采二1煤层，东北部与－110运输大巷和－100回风大巷相邻，南接21采区3条集中下山，东为已回采的21021工作面，西为正在回采的21041工作面。

21采区属于典型的“三软”煤层，全层发育为IV类构造软煤，坚固性系数0.3，煤层瓦斯含量10.5m3／t，瓦斯压力0.42MPa。该巷掘进期间，瓦斯喷孔、夹钻现象较严重。从煤体结构参数、瓦斯赋存情况及动力现象来看，该采区煤与瓦斯突出的危险性很大。目前，主要采取穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、浅孔排放瓦斯等综合防突措施，采用q、s复合指标法进行突出危险性预测和效果检验。

2 水力压裂增透机理

水力压裂增透技术是将高压液注入煤（岩）体中，使煤（岩）中的固有裂隙扩展并与压裂后的裂缝、裂隙沟通，从而提高煤层的透气性，增加瓦斯的可抽采性。

注入压裂液使孔壁发生开裂的瞬时压力称为初始破裂压力。掌握破裂压力对分析研究煤层的压裂规律和选择确定压裂施工设备是十分重要的。

水力压裂部位可视作无限大球体中的一个中心点源，见图1，它属于空间问题球坐标形式。

图1 点源模型示意图

该模型适于水平与垂直应力差别不大的厚煤层，在三维地应力相差不大的情况下，有：

式中：σR——地层中一点相对球中心的径向主应力，MPa；

σvT、σHT——地层中一点相对球中心的两个相互正交的切向应力，MPa；

a、b——分别为中空圆球的内、外半径，m；

R——该点距球心的空间距离，m；

P1——孔内水压力，MPa；

P2——地应力，MPa。

根据固体力学材料强度理论，可对材料在复杂应力状态下是否发生破坏进行判别的理论有6种，即最大主应力理论、最大主应变理论、最大剪应力理论、总应变能理论、畸变应变能理论和莫尔应力圆理论。

由于煤岩脆性较大，一般情况下用最大主应力理论作为煤层初始破裂压力Pco的计算依据。根据试验可得煤的单轴抗拉强度σbt，可得破裂压力：

3 水力压裂增透方案设计

3.1 水力压裂方案选择

为全面掌握水力压裂技术在告成矿煤田地质条件下的适应性，理应选择穿层钻孔和顺层钻孔两种方式分别进行试验。但是，由于顺层钻孔对工作面的日常生产与管理工作影响较大，故本次试验主要针对穿层钻孔，具体压裂试验地点为21031抽放巷（北段）1＃钻场。

3.2 水力压裂方案设计

21采区压裂孔的布置如图2所示，压裂孔孔径94mm，孔长34.5m，封孔深度25m，垂直巷帮以＋12°角度施工。压裂孔均采用内径25mm封孔管，用水泥砂浆封孔。

图2 21031抽放巷（北段）1＃钻场压裂孔布置图

3.3 水力压裂技术要求

（1）注水压力：注水压力是试验的重要参数。若注水压力过低，不能压裂煤体，煤层结构不会发生明显变化，相当于低压注水湿润措施，短时间内注水起不到卸压防突的作用；若注水压力过高，导致煤体在地应力和水压综合作用下迅速变形，可能诱发事故。因此，合理的注水压力应该能够快速、有效破裂松动煤体，进而排放煤体瓦斯，达到消除煤与瓦斯突出的目的。

（2）压裂时间：压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关。注水过程中，煤体被逐渐压裂破坏，各种孔裂隙不断沟通，高压水在已沟通的裂隙间流动，注水压力随注水流量的变化而波动，当注水泵压降达峰值的30%左右时，可以作为注水结束时间。

（3）压裂层段：煤层作为压裂目的层宜有适当的瓦斯含量和厚度，一般瓦斯含量在6m3／t以上，厚度1.5m以上。煤层压裂层段及其上下围岩赋存完好，无断裂构造，以保证压裂时不发生串槽、卸压事故。

4 水力压裂现场试验

各项参数选择完毕后，开始实施水力压裂试验。21031抽放巷（北段）穿层钻孔压裂试验于2010年10月12日实施，最高压力21.09MPa，用时160min，注水量64.9m3。试验过程中压力和累计流量变化曲线如图3所示。

压裂结束后，顶板产生1cm左右的裂缝，并有脱皮；观察孔有大量出水；一联巷向南20m处瓦斯抽采孔出水；一联巷向南抽放巷顶板12m处顶板有轻微脱皮、40m往里顶板有明显淋水。

图3 21031抽放巷（北段）穿层钻孔压力和累计流量曲线图

5 水力压裂增透效果考察分析

在21031抽放巷（北段）压裂钻孔的左右两侧各施工了一个考察孔，用于效果考察，钻孔参数如表1所示，钻孔布置同压裂孔，参见图2。

现场考察分两个阶段，压裂前从2010年10月1日到10月11日，压裂后从2010年10月14日到2010年11月13日，瓦斯平均抽采浓度由压裂前的4.6%到压裂后的22.1%，提高了380%；日平均抽采瓦斯量由压裂前的0.970m3到压裂后的10.437m3，提高了9.76倍。21031抽放巷的瓦斯抽采效果在水力压裂后有明显改善。

表1 21031抽放巷（北段）考察孔参数表

6 结论及展望

采取水力压裂技术措施后，瓦斯抽采量大幅度上升，煤（岩）壁出水，这些现象表明，压裂效果良好。

水力压裂后，瓦斯抽采浓度由4.6%上升至22.1%，虽然提高了3.8倍，但是，瓦斯抽采的浓度还不是很高，这是由于钻孔的封孔质量较差的缘故。因此，提高瓦斯抽放钻孔封孔质量是瓦斯抽采的重要问题，亟待进一步研究。

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Research on hydraulic fracturing increased permeability technology for soft coal seam with soft roof and floor in Gaocheng coal mine

Tian Zhongyou

（China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China）

Aimed at the difficulties of gas drainage in soft coal seam with soft roof and floor in Gaocheng coal mine，the mechanism of hydraulic fracturing increased permeability was further studied and the site application was carried out.The results showed that the drained gas amount was enhanced from 4.6%to 22.1%and the average gas amount per day was increased from 0.970m3to 10.437m3after using the technology of hydraulic fracturing increased permeability，suggesting agood gas drainage effect.

gas drainage，soft coal seam with soft roof and floor，hydraulic fracturing increased permeability，point－source model

TD712.6

A

田忠友（1961－），男，黑龙江五常人，在读博士生，教授，现在华北科技学院从事教学与科研工作。

（责任编辑 梁子荣）