水力压裂技术在严重突出煤层的应用

徐铁托

摘要：文章研究了高位瓦斯抽采巷采用水力压裂技术掩护煤巷掘进的主要技术原理，阐述了水力压裂措施的实施效果，着重总结了水力压裂技术的要点。研究表明，在严重煤与瓦斯突出的矿井，平煤神马集团十二矿区采用水力压裂技术后，通过瓦斯抽放，有效地降低了突出煤层的瓦斯含量，释放了巷道煤岩的弹性能，达到了防治煤与瓦斯突出的效果，使突出煤层巷道掘进速度提高了两倍左右。

关键词：水力压裂；突出煤层；防突措施

中图分类号：TS713文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）22-0121-031概述

十二矿位于平顶山矿区东部，从1989年至今共发生煤与瓦斯突出27次。随着开采深度的增加，地应力、瓦斯压力、瓦斯涌出量都不断增加，各种动力灾害变得比以往更为复杂和严重，煤与瓦斯突出危险直接威胁着矿井的安全生产。结合多种防突措施的局限性，针对目前开采的己15煤层的特点研究出有针对性的防突措施，对于矿井安全生产有着重要的指导意义。

2水力压裂技术的作用机理

水力压裂作用于煤体是一个逐渐湿润煤体、压裂破碎煤体的过程。在水力压裂的前期，注水压力和注水流量呈线性升高；随后，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状。这直观反映出了在注水初期，具有一定压力和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙，克服裂隙阻力运动；随后，当压裂液充满现有裂隙后，水流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，水流量降低，压力增高而积蓄势能；当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时，势能转化为动能，压力降低，水流速增加；当压力水携带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性降低，水难以流动，使流量下降，压力上升。己15－17200进风巷采用水力压裂作为区域瓦斯防突主要技术，通过施工穿层水力压裂钻孔，实施高压注水可以湿润煤体，增加煤层硬度，增加煤层透气性，提高瓦斯抽放浓度，改变煤层结构和应力分布，对水力压裂影响区域进行卸压，以解决己15煤层掘进期间的煤与瓦斯突出问题，从而达到安全生产的目的。

3工作面概况

己15-17200进风巷位于己7采区中部，该巷道设计总工程量984.5m，沿己15煤层顶板掘进。己15

－17200进风巷标高－567～－551m，对应地面标高190～230m，垂深741～797m之间。己15煤层产状105°∠8～20°，煤厚3～3.7m，瓦斯压力2.1MPa，原始煤层瓦斯含量24.35m3/t。己15

－17200进风巷位于己14－17200进风巷上部30m，己14－17200进风巷与己15－17200进风巷层间距为12～14m，两巷内错布置。

4区域瓦斯治理方案

己15-17200进风巷区域瓦斯治理采用配套技术措施，使用穿层水力压裂和穿层抽放钻孔相结合治理瓦斯。从己14－17200进风巷向己15－17200进风巷实施穿层预抽孔、压裂以及重复压裂等区域防突

措施。

4.1穿层水力压裂孔

结合己15-17200工作面区域自身煤层埋藏深、地应力大、瓦斯压力高等特点，确定水力压裂影响半径为10m。设计从己14－17200进风巷向己15

－17200进风巷施工穿层水力压裂钻孔，钻孔设计孔径75mm，孔间距为20m，开孔高度距巷道底板0.4m，布置在相邻两组抽放钻孔的中间位置，终孔以进入己15煤层底板0.5m为准。

4.2穿层抽放钻孔

通过瓦斯抽放，可以有效地降低己15煤层的瓦斯含量，释放煤岩的弹性能，达到防治煤与瓦斯突出的效果。设计从己14－17200进风巷向己15－17200进风巷施工穿层抽放钻孔，在巷帮上每5m设计1组穿层抽放钻孔，每组7个钻孔，分别控制巷道轮廓线外15m、10m、5m及巷道中心位置，穿层抽放钻孔设计孔径75mm，孔深以进入己15煤层底板0.5m

为准。

5水力压裂技术要点

5.1水力压裂设备及选型

水力压裂注水系统由注水泵、水箱、压力表等部分组成。注水泵选用无锡威顺煤矿机械有限公司产额定压力为31.5MPa、额定流量为400L的BRW400/31.5-37X4A型煤矿用乳化液泵。为便于操作和控制，注水泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件，水箱容积2m3。高压供水管路选用直径51mm、压力31.5MPa的高压油管。水力压裂孔孔内封孔段采用直径32mm的无缝钢管，提前将快速接头四周棱角打磨平滑，无缝钢管两端焊接中间接头，无缝钢管管路之间用快速接头进行连接，孔口用快速接头将无缝钢管和高压油管连接起来。

5.2封孔深度和工艺

压裂孔里面封孔深度为煤岩结合处。施工完水力压裂孔后，使用高压风将孔内粉尘和碎渣排净，用无缝钢管对该钻孔进行顺通，确定无阻碍物后方可开始进行孔内注浆段的封堵，在无缝钢管前端5m左右处用毛巾包裹封孔药进行钻孔的前端封堵。待封孔药发效并将钻孔封堵严实后，用注浆泵将稀释浓度为50%的水泥浆注入穿层压裂钻孔内；凝固48小时后，进行水力压裂。压裂结束孔内压力稳定后，联网进行抽放并测定瓦斯流量和浓度。

5.3注水压力

注水压力是所有水力化措施中的重要参数。若注水压力过低，不能压裂煤体，煤层结构不会发生明显的变化，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，形成突出。合理的注水压力能够快速、有效破裂松动煤体，进而改变煤体孔隙和裂隙的容积及煤体结构，排放煤体瓦斯，达到消突的目的。起始压力初步设定在15MPa以下，每5min升压2MPa，泵压稳定一段时间后，压力迅速下降，持续加压时压力无明显上升，或者观测孔附近瓦斯浓度明显升高时，即说明压裂孔已经完成压裂，此时即可停泵，关闭卸压阀，压裂程序结束。

5.4水力压裂时间

压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关，注水压力、流速不同，相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。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，注水压力及注水流量等参数不断发生着变化，注水时间可根据注水过程中压力及流量的变化来确定；采用动压注水，从开始注水到水力压裂措施结束大约需要120min时间，水力压裂全过程一般需要3～5小时。

6水力压裂效果分析

6.1水力压裂情况

己14-17200进风巷设计施工穿层压裂钻孔49个，孔间距20m，孔深37～45m，封孔深度要求在20m以上。在压裂过程中，部分钻孔有巷道帮跑水和渗水现象。经过补孔施工，累计施工钻孔65个，压裂成功49个（达到设计标准），成功率为89.1%。累计组织压裂72次，合计压入水量1621.9m?，平均单孔压入水量33.1m?。单孔最大压水量75m?。

6.2瓦斯抽放

普通穿层抽放钻孔，稳定抽放一个月后瓦斯浓度为5%～20%，压裂钻孔联网后初始瓦斯浓度达到65%～86%，稳定抽放一个月后瓦斯浓度为18～60%。普通穿层抽放钻孔单孔瓦斯纯流量平均为0.009m3/min，压裂钻孔单孔瓦斯纯流量平均为0.0212m3/min，抽放浓度稳定，大大延长了瓦斯抽放周期。

普通穿层钻孔7天平均瓦斯抽放量为90.72m3/min，压裂钻孔7天平均瓦斯抽放量为245m3/min，压裂钻孔瓦斯抽放量是普通抽放钻孔的2.7倍。

6.3巷道异常情况

进行水力压裂后，以压裂孔为中心20米范围内巷道顶板平均下沉0.05～0.4ｍ，两帮有明显的位移，巷道底板有0.03～0.1ｍ的裂痕，顶板有断锚索和锚杆现象，煤壁及顶板有淋水现象。

7结语

根据压裂后煤层、瓦斯变化，可以降低煤体中的瓦斯含量和瓦斯压力，改变煤体内部应力分布，在一定范围内起到消突的作用，确保安全生产。使瓦斯抽放浓度和抽放量有较大提高，达到利用条件。同时，压裂后煤体内水含量增加，减少了在开采过程中的粉尘产生量，改善职工作业环境。