煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题

黄炳香，陈树亮，程庆迎

(1.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州　221116；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州　221116;3.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州　221116)



煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题

黄炳香1，2，陈树亮3，程庆迎3

(1.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116;3.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州221116)

摘要:由于煤层的矿物成分、结构体系、瓦斯的吸附解吸效应等导致含瓦斯煤层水压致裂复杂，煤层压裂治理区域瓦斯技术目前整体上还处于起步阶段。提出了煤层水压(流压)致裂治理区域瓦斯的理论、技术与装备等基本问题框架。在分析煤层物理化学特性的基础上，初步给出了煤层压裂的力学机制与裂缝基本空间形态。分析了含瓦斯煤层水压致裂的物理化学作用、结构改造增透、应力扰动效应、驱赶瓦斯效应、水锁效应等作用。以孔隙压力梯度作用机制为切入点，深入研究煤岩层压裂的细观破裂机理、应力扰动效应与评价方法、体积致裂机制、驱赶瓦斯效应、支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性、排采规律等理论问题。针对驱赶瓦斯效应扬长避短，使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。提出了需要深入研究的技术安全性评价、工艺技术、合理泵注排量、压裂裂缝扩展及其效应监测、适用条件与规范等技术问题。研制了井下压裂治理区域瓦斯的致裂封孔系统、分析软件与测控系统等成套装备。

关键词:含瓦斯煤层；水压致裂；裂缝扩展；应力扰动；解吸

煤岩体流压致裂是指通过钻孔注入高压流体(水、气体等)，在流固耦合作用下，钻孔孔壁产生破裂并扩展，简称压裂(Hydrofracturing)。通常的压裂介质是水，对应称其为水压致裂、水力致裂或水力压裂。煤岩体水压致裂主要是通过水压裂缝的扩展，达到结构改造的目的，进而满足强度弱化、增透、应力转移等工程要求[1]。传统的煤层注水主要通过渗流，达到吸水湿润的目的，进而满足减尘、软化岩体强度等工程要求。水压致裂的水压力一般比煤层注水的大，2者是有本质区别的。煤层注水在煤矿中应用较早，应用于降尘相对较成熟，煤层注水防治煤与瓦斯突出虽进行了大量的研究与应用，但很多机理性的问题仍没有认识清楚[2]。

我国在20世纪曾试验过煤层水压致裂治理区域瓦斯，但由于理论与实践研究不够，对技术本身有争议，导致后续很长时间该技术停滞发展。近几年，水压致裂治理区域瓦斯技术逐渐开始在全国的井工煤矿试验，现场试验也显示出其技术效果。但对于煤层水压致裂的机制及其与增透、消突等方面的关系等认识不清楚，导致现场应用存在很大的盲目性。现场大多数只是知道将高压水注入煤层，后续抽采瓦斯和消突有效果，对其带来的水锁效应等负面效应也存在顾虑。应该说，水压致裂治理区域瓦斯和开采煤层气都整体上还处于起步阶段。

因此，必须积极深入开展煤层水力(流压)致裂治理区域瓦斯的基础理论、关键技术与装备研究(图1)，在大量理论与实践研究的基础上，掌握其机理、规律与使用条件等，并制定相应的技术规范。

图1　煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题框架Fig.1　Basic problems frame of hydrofracturing for mining and control zone gas in coal seams

1煤层水压致裂的机制

1.1煤层的物理化学特性

煤系岩层是沉积岩。煤层由于其形成过程的特殊性，导致煤体与一般的岩体在物理力学性质方面有着很大的差别。煤层的天然裂缝发育，气水共存，瓦斯处于动态的吸附与解吸平衡；会含有夹矸，为多层组合，结构复杂；弹性模量低、泊松比高、压缩系数高，含瓦斯煤层的渗透率易损害。

取煤样进行X射线衍射扫描，并与粉末衍射联合会国际数据中心(JCPDS-ICDD)提供的各种物质标准粉末衍射资料对照分析，按照中国标准(GB 5225—86)的K值法进行定量分析，如图2所示。煤体的主体是非晶物质(煤)，有部分高岭石、伊蒙混层和少量的伊利石、蒙皂石、白云石、方解石、黄铁矿、石英等矿物。

图2　煤的矿物成分X衍射分析Fig.2　X diffraction analysis of mineral components in coal

煤层由于沉积形成和后期的地质运动等作用，导致煤岩体的孔隙、节理、层理、割理(静压裂隙)、失水裂隙和缩聚裂隙发育，且层理、静压裂隙等具有明显的方向性特征(图3)。在煤化作用过程中，煤层在上覆岩层的单向静压作用下形成的与层理大体垂直的定向裂隙称为静压裂隙(割理)[3]，其表面平整，有光泽，张开度小。割理被分为面割理和端割理，2者大致相互垂直，并都与煤层层面正交或陡角相交。由割理和上下层理所限定的煤基岩块内还普遍发育失水裂隙和缩聚裂隙。

煤是由基质孔隙系统和裂隙系统构成的双重孔隙介质。肉眼看不出裂隙的小块煤样，在扫描电镜照片中却存在大量微裂隙(图4(a))，有些微裂隙把煤分割成块状，有些微裂隙把煤分割成层状。一般至少要放大至1 000倍，才能观察到煤的孔隙发育形态(图4(b)[3])，煤中有气孔、铸模孔等。

图3　煤层的层理和割理Fig.3　Morphology of bedding and cleats in coal seam

图4　煤的孔隙裂隙形态Fig.4　Morphology of pores and micro cracks in coal

1.2煤层水压致裂的力学机制

煤层是孔隙介质且可渗透，在细观上表现为各向异性，水在渗流过程中会形成孔隙水压力梯度场(图5)。当煤层矿物颗粒间的静力平衡和变形协调状态被打破，相邻矿物颗粒间的作用力超过其黏结强度等时，矿物颗粒间断裂张开，形成微裂纹；同时，压力水进入微裂纹，进一步影响和导致其他矿物颗粒间断裂张开，形成较大的微裂纹。由于矿物颗粒和孔隙分布的随机性，导致因流固耦合产生的微裂纹在一定范围内分布较多，且微裂纹的方向不同。随着载荷(渗透水压力或固体应力)的增加逐渐扩展形成微裂纹区(图6)。远场固体主应力差影响微裂纹区的形态；在最小主应力面内矿物颗粒最易断裂张开，消耗的能量最小，形成微裂纹的一个主方向，即裂纹扩展的优势破裂面，也是未来的宏观主断裂方向。在水压裂缝裂尖微裂纹区，由于主裂纹的扩展，其附近区域卸载，该区域的微裂隙逐渐闭合停止扩展，裂尖区凸显优势方向的主裂缝。

图5　裂尖渗透水压区形态Fig.5　Morphology of seepage pressure zone in the crack tip

图6　水压裂缝裂尖微裂纹区Fig.6　Micro cracks zone in the tip of hydraulic fracture

1.3煤层水压致裂裂缝的基本空间形态

煤体是裂隙相对较为发育的介质，在煤层竖直方向一般发育两组割理。采用500 mm×500 mm×500 mm煤-水泥砂浆试块进行了给定应力场条件下的水力致裂实验[4]。图7为煤体水压致裂的典型裂缝网络形态，试块的地应力场为σ1=12.31 MPa(围压)、σ2=7.69 MPa(钻孔轴向)、σ3=3.08 MPa(围压)。水压致裂的排量为100 mL/min。煤体在水压致裂过程中，除了形成主水压裂缝外，压力水沿着主水压裂缝向两侧的原生裂隙内渗透，形成裂隙水压力，随着裂隙水压力的升高，裂隙张开扩展，增大煤体原生裂隙的张开度。2组割理在水压作用下张开并交叉扩展，形成了贯通的裂缝网络，裂缝网络将煤体切割成块体状。因此，煤层水压致裂的水压裂缝是一个裂缝网络系统，该裂缝系统以三维应力控制形成的水压主裂缝为基础，两侧是交叉贯通扩展的成组张开裂缝。煤层水压裂缝的空间网络特征导致煤层水压致裂裂缝的扩展过程相当复杂。

图7　煤体水压致裂的裂缝网络形态Fig.7　Hydraulic fractures network in coal mass

2含瓦斯煤层水压致裂的作用

2.1水、煤与瓦斯间的物理化学作用

水对煤层的物理力学性质等有较大的影响。不同矿物成分的亲水性有较大差异(图8)，亲水性矿物越多，吸水导致的体积膨胀与强度软化等煤层性质的影响越大。

图8　薛湖矿煤样与水接触角Fig.8　Contact angle of water and coal in Xuehu mine

煤中水分对瓦斯的吸附解吸效应有重要影响[5-7]。在煤的游离水分中，内在水分是影响煤吸附瓦斯的主要因素[8]。煤中水分是附着在煤的孔隙中，煤的孔隙又与煤的变质程度有关，因此煤中水分与煤的变质程度也存在一定关系。

2.2结构改造导致的增透作用

煤层水压致裂产生的裂缝网络系统对煤岩体进行了结构改造，导致渗透性改变。空间裂缝网络系统增加了煤层的透气性。煤层抽采瓦斯时，瓦斯的解吸扩散与渗流路径为：煤块的孔隙→煤块微裂隙→张开的原生裂隙网络→水压主裂缝→钻孔。

2.3应力扰动效应

井下具有冲击倾向性煤岩层的水压致裂实践表明，水压致裂强度弱化防冲的同时还可能会伴随有“煤炮”的产生。煤炮的位置并不一定与水压裂缝的位置完全一致。高压水进入煤岩体后，不仅对煤岩体起到了吸水润湿软化的作用，同时改变了煤岩体的应力分布状态[9-12]，引起煤岩层应力的重新分布。

初步实验表明[13]，水压致裂期间及之后在离致裂孔较远的煤岩体内的应力发生了明显的变化(图9)，验证了煤岩体水压致裂的应力扰动现象客观存在。

图9　岩石水压致裂的应力扰动现象Fig.9　Stress disturbance phenomenon of hydraulic fracturing in rock

2.4驱赶瓦斯效应

笔者在高瓦斯煤层进行本煤层水压致裂时发现巷道风流中的瓦斯体积分数明显升高，煤层中的瓦斯被水压致裂驱赶出来了，称这种现象为水压致裂的驱赶瓦斯现象(效应)[14-15]。突出煤层掘进工作面超前深孔水压致裂后，后续掘进过程中煤体瓦斯含量沿掘进方向呈现“低-高-低”的现象[15]，实践与实验室验证了含瓦斯煤层水压致裂驱赶瓦斯现象的存在。煤层掘进面水压致裂导致的湿润、驱赶瓦斯、和应力扰动3个影响区域的椭球形态如图10所示[16]。

图10　煤层水压致裂的3个影响区域示意Fig.10　Three effect zones of hydraulic fracturing in coal seam

含瓦斯煤层水压致裂过程中高压水沿水压裂缝进入煤体割理-微裂隙-孔隙组成的通道系统，使割理、孔隙水压力升高，通道系统内原有的力学平衡被打破，应力重新分布。在水渗流的前沿，孔隙水会克服通道壁的阻力在通道中前移，引起水渗流前端一定范围内的瓦斯气体被压缩，瓦斯压力升高。局部的瓦斯压力升高引起的通道压力差会使瓦斯运移。在水渗流前端，沿孔隙水运移方向形成由高到低的孔隙压力梯度分布，瓦斯压力梯度方向垂直于水渗流前沿。随着水对瓦斯的挤压程度提高，瓦斯压力梯度会逐渐增加。引入驱赶瓦斯的启动瓦斯压力梯度的概念，当煤层瓦斯压力梯度大于等于启动瓦斯压力梯度时，瓦斯会向沿瓦斯压力梯度方向移动。瓦斯压力梯度的产生是驱动瓦斯的直接原因，启动瓦斯压力梯度由煤的渗透性和应力等决定。

2.5水锁效应

在裂缝扩展的前沿存在着大量的微孔隙，微孔隙中又存在着游离态瓦斯和吸附态瓦斯，且2者处在动态平衡状态，裂缝的扩展过程中存在着孔隙水压力与孔隙瓦斯压力的平衡，但是当水压致裂的水压卸除后，微孔隙中的孔隙水压力依然封闭着孔隙中的瓦斯，且微孔隙的直径越小封闭的越牢固，微孔隙中的瓦斯越不容易抽出。表现到生产实践中就是在煤层中注水后，有一定量的瓦斯变得不易解吸，不易抽出，此即水锁效应。

水锁效应减小了瓦斯的解吸速度，避免了大量瓦斯的快速解吸，从防突的角度讲是有利于防突的，尽管从瓦斯抽采的角度讲，可能是不利的。

3需要深入研究的理论问题

3.1孔隙压力梯度作用机制

传统的水压致裂理论没有考虑岩石的可渗透性[17-18]，采用张拉破裂准则来描述其破裂扩展行为[19]。压力水沿裂缝向岩石内渗透滤失，形成孔隙压力[20-21]，并产生孔隙压力梯度。而对于孔隙压力的影响主要是基于饱和土力学的有效应力原理得出的，而致裂的煤岩体不一定处于水饱和状态，且对孔隙压力梯度影响的认识还不清楚[22]。矿井含瓦斯煤层的水压致裂实践及前期实验研究表明，水压致裂的破裂水压力可能随着孔隙压力(梯度)的增大而增大(图11)。这是传统理论无法解释的。应建立考虑孔隙压力及其梯度的水压致裂破裂准则。

图11　孔隙压力导致水压致裂的破裂压力升高Fig.11　Increase of breakdown pressure caused by pore pressure in hydraulic fracturing

3.2煤岩层压裂的应力扰动效应与评价方法

以往研究主要关注压裂后的卸压作用[23-24]。但有卸压就有其他地方增压。且压裂过程是一个增压过程，压裂后局部区域的孔隙压力不一定能卸除，煤层内孔隙压力也发生改变。因此，需研究以下内容：研究煤岩层水压裂缝扩展尖端对围岩应力的扰动，研究滤失引起骨架应力和孔隙压力的动态变化，分析裂缝水压力对围岩应力的影响，研究采动煤岩体水压致裂期间围岩应力的动态变化过程，研究煤岩层孔隙裂隙结构对应力扰动程度的影响，研究煤岩层初始应力场(含采动影响)、岩性与矿物成分等物理力学特性、岩体结构特征、岩层结构及其物理力学特性差等对水压致裂应力扰动的影响，分析水压致裂封孔深度、排量、致裂时间等参数对煤岩层应力扰动程度的影响。研究基于应力梯度、应力增速等指标的应力扰动评价方法。

3.3煤层压裂的体积致裂机制

目前，水压致裂引起三维应力的重新分布及演化规律不清楚。在国际上，干热岩石大规模水压致裂等工程中，微震等监测的破裂不仅分布在水压裂缝带上，而在主裂缝带两侧空间上分布有很多的破裂[25]，称这种现象为体积致裂；基于传统的理论，一直没有将体积致裂的机理解释清楚[26-28]，成为国际上的一大难题。这种体积致裂现象与煤矿井下水压致裂过程中的“煤炮”现象有很多相似之处。

因此，在现有研究基础上，必须从根源上深入认识水压致裂的机制，描述应力扰动效应，进而揭示岩体水压致裂的体积致裂机制。

3.4驱赶瓦斯效应

水压致裂过程中高压水进入煤体，煤体裂隙孔隙中的游离态瓦斯一部分被驱赶至水压裂缝区域的外围形成一个驱赶瓦斯区域，一部分在孔隙水压力的作用下被封闭在微孔隙中，导致微孔隙中的瓦斯压力升高，游离态瓦斯与吸附态瓦斯重新平衡。水压致裂导致的驱赶瓦斯效应已被证实，但是驱赶瓦斯的量还是个未知数，以及水压致裂完成后，被驱赶到外围的瓦斯能否被有效的抽采出来，被封闭在微孔隙中瓦斯的解吸时间问题，以及从“防突”的角度讲高压水封闭微孔隙中的瓦斯是弊大于利还是利大于弊等问题都是需要进行深入的分析研究。

3.5支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性

煤层气压裂的压裂液主要采用干净的活性水(如清水+2%KCl)作为前置液、携砂液、顶替液。在水力喷砂射孔阶段，为减小摩阻，采用滑溜水(如清水+1%KCl+0.5%降阻剂)作为压裂液。支撑剂目前主要是石英砂，加砂方式采用多粒径支撑剂组合、多级加砂模式。裂网中支撑剂的运移比单缝中的要复杂得多，压裂施工过程中易出现砂堵现象(图12)。支撑剂在裂网体系中的运移沉降规律及其与支撑剂浓度、泵注工艺等关系需要深入研究。

图12　地面煤层气井压裂过程中的砂堵现象Fig.12　Phenomenon of sand plug during hydraulic fracturing for the ground coalbed methane well

相对砂岩等储层，煤层质软。停泵卸压后，水压裂缝在地应力作用下张开度减小，支撑剂作用导致裂缝维持一定的张开度和导流能力。且由于石英砂与煤的刚度差异，随着时间延长，支撑剂可能在裂缝表面嵌入煤中，导致张开度减小。必须深入研究煤层裂缝内支撑剂的压嵌特性及其与支撑剂分布、时间等关系。

3.6水压致裂后的排采规律

水压致裂后，煤层中产生了庞大的裂缝网络系统，网络裂缝的表面有大量的水分。水压致裂后抽采瓦斯要经历一个排水降压解吸过程，也是一个动态的平衡过程。压裂过程产生了大量的煤粉，所以排水采气过程的压降不能过大，过大会导致大量煤粉的迁移与堵塞，对煤层的渗透性产生伤害。在瓦斯抽采初期，抽采管路中水分含量较高；随着裂缝网络中的水分大量排出，瓦斯的含量逐渐升高达到稳定期；经过一段时间的瓦斯稳定抽采后，瓦斯含量降低直到抽采结束。因此，需加强研究抽采负压的作用规律及其与煤层吸附性、水分、煤粉伤害等因素的关系，给出合理抽采负压和排采速度确定方法。根据瓦斯(煤层气)抽采系统中水分含量的不同，可适当调整抽采的负压。

4需要深入研究的技术问题

4.1技术本身的安全性评价

煤层水压致裂产生的应力扰动可能会诱导突出；同时残余在钻孔中的水分对瓦斯有封堵作用，不利于瓦斯的解吸。针对后者，曾有学者利用磁化水代替普通水或在普通水中添加清洁剂等方法，来减少高压水对煤层瓦斯的解吸能力的影响。但是水压致裂产生的应力扰动，目前只能通过合理控制水压致裂的排量，避免水压致裂的压力过高，合理优化钻孔布置，防止出现应力集中等方式。

当前，大家对水压致裂治理区域瓦斯的方法仍然持审慎的态度。对于该技术的安全性评价，要从以下几个方面入手：首先就是煤层水压致裂的裂缝扩展规律，通过大量的煤岩体水压致裂裂缝扩展规律实验研究发现，水压主裂缝的方向平行于最大主应力方向，根据裂缝的扩展方向合理的设计钻孔和压裂工艺，避免形成应力集中。同时在保证封孔效果的前提下，尽量减少封孔段的长度，封孔深度距离孔口预留足够的安全距离。同时辅助检测水压力、水流量和巷道中的瓦斯体积分数，出现异常及时采取措施。

4.2煤矿井下压裂工艺技术

煤层的致裂钻孔较长，应提出并实施定向[29]、增加裂缝数目、均匀性[30]等裂缝形态控制方法。同时，井下煤层受采动等影响，导致其工艺技术独特。因此，开发有效的工艺技术是当务之急。

针对驱赶瓦斯效应，一方面应根据驱赶瓦斯的基本原理，优化水压致裂参数，采用均匀水压致裂技术，避免水压致裂驱赶瓦斯造成的不良影响；另一方面应利用驱赶瓦斯效应，提出了本煤层水压致裂增透驱赶与隔间钻孔抽采瓦斯技术、沿空掘巷水压致裂驱赶区域消突与穿煤柱钻孔抽采驱赶至采空区的瓦斯技术。使含瓦斯煤层水压致裂上升至水压致裂驱赶层次。

针对煤巷掘进工作面的快速消突要求，在顺层钻孔条带采前抽采法的基础上增加水压致裂工序，形成了煤巷掘进工作面水压致裂快速消突的工艺。针对长壁工作面倾向顺层钻孔抽采本煤层瓦斯在时间上的不协调性，可先进行水压致裂后抽采瓦斯，有效的提高本煤层的瓦斯抽采效率；此方法同样适用于钻场抽采本煤层瓦斯的情形。针对底抽巷和石门揭煤等需要快速消突的情形，同样可以采用先水压致裂后抽采瓦斯的方法，可有效的减少钻孔工程量，提高瓦斯的抽采效率。

为克服水对瓦斯解吸的影响、水锁效应、软煤层压裂效果差等问题，可采用氮气、CO2等容易被煤层吸附的气体作为压裂介质，进行煤层气体压裂与驱替瓦斯，周边孔抽采，在时空上有机配合，“一压一抽”的模式可以提高煤层的孔隙压力梯度，提高抽采效率。这是今后的发展方向之一。

4.3合理泵注排量

排量是压裂过程的直接可控关键参数。根据压裂钻孔的直径、深度、间距、封孔深度以及煤层的渗透性等因素综合计算出泵注的合理排量。泵注排量也不是越小越好，如果泵注排量刚好与煤层的渗透速度相当的话，也会导致水压力过低，不能够产生水压裂缝达不到压裂效果的问题。从水压致裂的安全角度讲，泵注排量不宜过大，泵注排量过大导致水压力过高，水压力过高由此引发的应力扰动现象影响了水压致裂的安全性。

4.4压裂裂缝扩展及其效应的监测

压裂裂缝形态的监测对评价压裂效果等具有重要的意义，同时也是现场检验定向致裂、增加裂缝数目、均匀性等裂缝形态控制方法的手段。受地球物理手段的限制，目前这是一个技术瓶颈；当然，这也是许多地下工程中的共性技术瓶颈。微震监测是目前相对较好的技术途径，但煤层压裂导致的微震特征、信号识别、除噪、三维定位等均需要深入的理论与技术研究。

目前，现场缺少监测含瓦斯煤层压裂导致的应力扰动、驱赶瓦斯、水锁效应等的有效便捷手段，也是导致施工具有盲目性的重要原因。必须加强相关监测方法和装备的研制。

4.5适用条件及技术规范

地面煤层气井压裂一般在未受井下采动影响区进行，在时间和空间上均超前井下煤层开采。因此，因应力扰动和邻近采掘空间等导致安全使用条件的限制较少，只需考虑煤层压裂对后续长壁开采矿压的影响。地面煤层气井压裂与排采实践表明，由于煤层结构复杂、质软、瓦斯吸附解吸效应、天然裂缝发育、非均质性严重等特点导致煤层压裂变得复杂。不同煤阶压裂排采的效果差异较大。石油的压裂技术规范等不适用煤层气井压裂，需要在大量理论与实践研究的基础上，逐渐形成其技术适用条件与规范。

井下煤层压裂的环境不同于地面煤层气井压裂。其适用条件首先要考虑工程背景和目的，其次是煤层硬度、煤种、瓦斯含量等。技术规范首先要限定安全使用条件，其次是关键技术参数确定原则、施工注意事项等。如：① 煤巷掘进工作面水压致裂快速消突工艺技术适合于煤层硬度中硬以上、钻孔成孔效果较好的煤层。压裂封孔应当用快速封孔方式，且封孔深度要深，预留不少于20 m的安全屏障区。② 本煤层水压致裂工艺适用于煤层硬度中硬以上，成孔效果好的煤层，封孔方式应选用长期封孔方式，封孔深度要深，预留足够的安全屏障。压裂钻孔的间距不宜过小。③ 底抽巷和石门揭煤等进行水压致裂的情形适应情况广泛，封孔方式应当选用长期封孔方式。井下压裂均需控制好泵注排量，水压力不宜过高。

5井下压裂治理区域瓦斯的成套装备

5.1致裂封孔系统

根据瓦斯抽采位置的不同要求，煤层水压致裂的封孔方式也分为2种：一种是采用封孔器封孔(图13)，具有封孔速度快、封孔完毕后立即可以进行水压致裂的特点，适用于煤巷掘进工作面和石门揭煤等需要快速消突的条件；另一种是采用水泥药卷等长期封孔，一般封孔后需要等待十几小时或者几十小时后才能进行水压致裂，水压致裂后可以直接进行瓦斯抽采，且抽采时间一般较长，适用于本煤层和底抽巷等瓦斯抽采时间长、要求封孔后能够长期使用的条件。

图13　井下水压致裂封孔(隔)器Fig.13　Sealing hole device (packer) of hydraulic fracturing

5.2泵注系统

煤层水压致裂所需的高压水由高压泵站提供，通过高压胶管输送到孔口，经封孔系统进入到致裂钻孔内部。由于高压胶管铺设在行人的巷道中，需要将高压胶管进行安全固定，防止高压胶管脱开伤人。由于煤层的渗透滤失较大，目前矿井下压裂泵的额定排量一般小于400 L/min，整体偏小，需要适量增加压裂泵的额定排量。对于埋深较浅的煤层，也可以采用地面的大排量压裂泵，通过钻孔将高压管路引至井下致裂地点；但必须保障地面泵站与井下致裂点的信息畅通，作业可靠。目前矿井下耐60 MPa高压管路的内径小，需要研制更大内径的高压管路，减小沿程水力衰减。

5.3测控系统

在进行水压致裂时，需要实时监测水压致裂的水压力、水流量和致裂钻孔周围的瓦斯体积分数变化等，并将监测到的数据运用水压致裂分析系统软件分析(图14)，根据变化采取措施，也可以在测控仪中设置各个参数的上限值，当达到或者超过上限值后，反馈电信号控制高压泵站的工作状态。在大型施工之前，采用测控系统进行测试分析，估测地应力等相关参数，为后续方案的优化等提供依据。

图14　水压致裂分析系统与测控仪Fig.14　Analysis system and monitoring instrument for hydraulic fracturing

6结论

(1)提出了煤层水压(流压)致裂治理区域瓦斯的理论、技术与装备等基本问题框架。

(2)在分析煤层物理化学特性的基础上，初步给出了煤层压裂的力学机制与裂缝基本空间形态。分析了含瓦斯煤层水压致裂的物理化学作用、结构改造增透、应力扰动效应、驱赶瓦斯效应、水锁效应等作用。

(3)以孔隙压力梯度作用机制为切入点，应深入研究煤岩层压裂的细观破裂机理、应力扰动效应与评价方法、体积致裂机制、驱赶瓦斯效应、支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性、排采规律等理论问题。

(4)针对驱赶瓦斯效应扬长避短，使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。提出了需要深入研究的技术安全性评价、工艺技术、合理泵注排量、压裂裂缝扩展及其效应监测、适用条件与规范等技术问题。

(5)研制了井下压裂治理区域瓦斯的致裂封孔系统、分析软件与测控系统等成套装备。

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Basic problems of hydraulic fracturing for mining and control zone gas in coal seams

HUANG Bing-xiang1，2，CHEN Shu-liang3，CHENG Qing-ying3

(1.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;

2.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.FacultyofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

Abstract:The mineral composition,structural system and gas adsorption and desorption effects result in the complexity of hydraulic fracturing in gassy coal seam.The technology of coal seam hydraulic fracturing for regional gas control is still at its initial stage at present.Basic framework of theory,technology and equipment of coal seam hydraulic (fluid) fracturing for regional gas control was proposed.Based on the analysis of physical and chemical property of coal seam,mechanic mechanism of coal seam hydraulic fracturing and the basic spatial morphology of hydraulic fracture were preliminarily given.The effects of physical and chemical process,structural transformation,permeability increasing,stress disturbance,displacement methane and water lock of hydraulic fracturing were analyzed.Took the pore pressure gradient as entry point,intensive study should be conducted on the theoretical problems of coal seam hydraulic fracturing.The theoretical problems include the mesoscopic fracture mechanism,the stress disturbance effect and evaluation methodology,the mechanism of volume fracturing mechanism,the displacement methane effect,the migration law and embedding property of the proppant,and the drainage and mining law.As for the displacement methane effect,its advantages should be used and its disadvantages should be by passed to upgrade hydraulic fracturing for gassy coal seam to hydraulic fracturing displacement methane level.Technical problems such as technology security evaluation criteria,technology,reasonable pumping flow,monitoring of the hydraulic fracture propagation and its effect,application condition and standard require deep-going researches.A set equipment of hole sealing system,analysis software and measurement and control system were developed for underground coal seam hydraulic fracturing for regional gas control.

Key words:gassy coal seam;hydraulic fracturing;fracture propagation;stress disturbance;desorption

中图分类号:TD712

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0128-10

作者简介:黄炳香(1978—)，男，湖北通城人，教授，博士生导师，博士。Tel:0516-83590567,E-mail:huangbingxiang@cumt.edu.cn

基金项目:国家优秀青年科学基金资助项目(51522406)；江苏省“六大人才高峰”资助项目(2014-ZBZZ-007)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20150188)

收稿日期:2015-08-15修回日期:2015-10-28责任编辑:韩晋平

黄炳香，陈树亮，程庆迎.煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题[J].煤炭学报,2016,41(1):128-137.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9024

Huang Bingxiang，Chen Shuliang，Cheng Qingying.Basic problems of hydraulic fracturing for mining and control zone gas in coal seams[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):128-137.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9024