高瓦斯工作面水力压裂试验及联管抽采技术研究

王惠风，陈殿赋

(中国神华神东煤炭集团 保德煤矿，山西 保德 036600)

近年来随着开采深度的逐步增加，我国现有的矿井多数进入了深部开采阶段，煤层埋深的增加使矿井的地应力增大、煤层的透气性系数变差、瓦斯含量增大[1]。我国95%以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层具有低压、低渗、低饱和度等特征，透气性系数只有10-3～10-4mD，瓦斯抽采难度极大，想要达到理想的瓦斯抽采效果可以对煤层采取造穴增透、联管抽放，实施水力压裂、新型封孔技术和抽采方式等联合布置是易行高效的方法之一[2-13]。

神东保德煤矿属高瓦斯矿井，随着开采强度和开采深度的增加，瓦斯超限问题日益突出。8号煤层属于高瓦斯低透气性煤层，瓦斯抽采困难，瓦斯的治理工作为亟待解决的难题。根据81504综放面煤层特征，结合地质结构参数，设计了水力压裂增透试验方案、“两堵一注”新型带压封孔技术及联管抽放工艺，并进行了现场工业试验，对试验效果进行了考察研究及分析。目前，煤矿井下水力压裂技术日趋成熟，实践证明多个高突矿井或高瓦斯矿井都已实施过此技术，达到了高突区域消突或高瓦斯面向低瓦斯面转变的目的。同时，应用水力压裂技术具有增加煤储层透气性系数、平衡应力场及压力场、抑制瓦斯涌出、降低钻孔衰减系数和降尘降温等作用。

1 试验区概况

保德煤矿矿井绝对瓦斯涌出量为95.25m3/min，相对瓦斯涌出量为10.19m3/t。目前开采的8号煤属于II类自燃煤层，自然发火期为4～6个月，火焰长度300mm；煤尘具有爆炸危险，爆炸指数为35.33%。81504工作面位于矿井五盘区，北为实煤体，南邻五盘区集中辅运大巷，以东为81503采空区，以西为81505备用工作面。工作面长240m，推进长度2391m，煤层厚度6.6～8.2m，平均厚度7.4m，煤层结构较为复杂，含夹矸4～5层，煤层倾角3°～9°，平均4°左右，煤层走向近南北。基本顶为中粗粒砂岩，平均厚度27.9m；直接顶为泥岩，平均厚度8.46m；直接底为砂质泥岩，平均厚度3.5m。煤质为中-富灰、特低硫、低-中磷高灰熔点的气煤，煤的坚固性系数f=0.72，瓦斯含量3.92～4.83m3/t，平均4.38m3/t，瓦斯放散初速度为14.1；工作面沿煤层倾斜布置走向推进，采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，通风方式采用三进二回的“U”型通风，设计风量为2500m3/min。

2 水力压裂试验技术参数

水力压裂选点在81504一号回风巷10联巷、15联巷及20联巷，依次布置3个压裂孔，编号分别为1号、2号、3号孔，间距分别为285m，290m。每个压裂孔周围布置3个检验孔，编号分别为1号-1，1号-2，1号-3，2号-1，2号-2，2号-3，3号-1，3号-2，3号-3。本文选择1号压裂孔进行分析研究，钻孔间布置示意如图1所示。

图1 钻孔间布置示意

2.1 钻机及钻孔参数

水力压裂试验施工压裂注水孔和检验孔选用ZDY-4000S的液压钻机，该钻机是一种低转速、大扭矩的深孔钻机，具有灵活摆布、搬迁及运输方便、快捷等优点。钻杆直径为73mm，钻头直径选用94mm复合片钻头。钻机的主要技术性能参数见表1。依据81504工作面的地质构造，结合煤层厚度、倾角等情况，水力压裂技术参数记录见表2。

表1 钻机的主要技术性能参数

表2 81504工作面水力压裂技术参数

注：压裂孔一般设计为仰角孔，压裂后水易返排，有利于瓦斯逸散。

2.2 封孔工艺

在总结多次水力压裂封孔长度及深度的基础上，结合煤层裂隙发育程度、地应力方向、钻孔方位等，1号压裂孔封孔深度为20m，封孔材料为膨胀水泥。采用“两堵一注”封孔工艺，即囊袋式封孔装置采用囊袋封堵钻孔，2个囊袋间有1个出浆嘴，利用注浆管向位于4m和19m位置的囊袋注浆，囊袋膨胀后，囊袋与钻孔壁紧密接触，当注浆压力超过注浆嘴的开启压力时，注浆嘴向2个囊袋之间的空隙注浆，浆液进入囊袋与钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，从而实现抽采钻孔的封孔。“两堵一注”封孔示意如图2所示。

图2 “两堵一注”封孔示意

水泥浆液在一定的注浆压力作用下，能够充填、胶结和封闭破碎煤体之间的裂隙，使钻孔封孔密实，能有效提高抽采浓度，延长钻孔有效抽采时间，提高瓦斯抽采效率。实践表明此方法封孔抽采瓦斯浓度均在85%左右，封孔效果非常好。检验孔采用矿常规抽采孔封孔方法，即封孔深度7.5m左右，采用散装玛丽散、膨胀水泥封孔。

3 水力压裂试验及瓦斯参数测试

水力压裂过程可以分为应力积累、裂缝稳定扩展和裂缝失稳扩展3个阶段。由各个条件下的压裂过程还可以看出，煤体起裂时并没有立即导致煤层发生失稳破坏，而是必须继续注入高压水才能使裂纹扩展、延伸及形成相互交错的裂隙网。

3.1 水力压裂试验过程

水力压裂试验采用BZW-200/56型乳化液作为注水泵使用，其额定压力为56MPa，额定流量为0.2m3/min，与乳化液泵相连的是容量为1m3的RX1000型乳化液箱，试运行正常之后打开水路阀门，泵压力调试为2MPa，开始进行洗孔作业。2min后开始对压裂孔进行高压注水作业，持续注水约1min后，压力急剧升高，表明此时高压水已经充满钻孔空间和高压管汇，开始进入煤层，准备进入较大裂隙空间；约5min后，出现一个短暂的憋压状态，压力由15.3MPa迅速上升至19.2MPa；约15min后，压力突然从19.2MPa降至10.9MPa，表明此时煤层中部分裂隙已经被压开，煤层起裂压力为19.2MPa；约16～20min之间，压力有个瞬间升高又跌落的过程，推断多次小范围压开后，裂纹逐渐扩展的过程。在20～90min之间，压力比较平稳，推断煤层中的裂隙被进一步扩展并延伸、连通，形成相互交错的裂隙网，到100min停泵，期间没有出现大的压力波动，这段时间为裂隙网的形成过程，最终耗水量为20m3，耗时100min，水力压裂曲线如图3所示。停泵卸压后，打开压裂孔，有大量水外排，持续几个小时，水中夹杂着碎煤块流出，表明煤层部分被破坏及压裂孔周围煤体形成了弹性或塑形状态，本次压裂结束。

图3 水力压裂施工曲线

3.2 瓦斯参数测试

采用100%光学瓦检仪和流量表分别进行瓦斯浓度和瓦斯流量的测试，本次测试20d，并对压裂前、压裂后汇总进行对比分析，发现压裂前、后瓦斯浓度差别不大，平均为85%左右；但压裂后瓦斯流量明显增大，压前瓦斯流量平均为0.0341m3/min，压后瓦斯流量平均为0.182m3/min；压裂前后自然瓦斯参数对比如图4所示。

图4 压裂前后自然瓦斯参数对比

依据瓦斯流量的测定，结合保德煤矿81504工作面其他瓦斯参数，通过井下现场测试数据并计算得出压裂前、后钻孔流量衰减系数和煤层渗透性系数。压裂孔压裂前后钻孔流量衰减系数分别为0.0427 d-1和0.0255 d-1，煤层渗透性系数分别为0.0625m2/(MPa2·d)和0.8396m2/(MPa2·d)，实现了由较难抽放向可以抽放的转化。

4 瓦斯抽采联管系统及效果分析

4.1 瓦斯抽采联管设计

管路中瓦斯浓度低大多是由于管路连接处漏气造成的，为了提高瓦斯抽放效果及抽放参数检测，联管时将10个钻孔联为1组，每组留设流量过桥计1个，孔与孔之间采用φ100mm支管进行连接，然后经φ200mm抽放联管通过三通与φ820mm瓦斯抽放主管路相连。实施钻孔分组抽放及管理，既有利于检测管路中瓦斯流量、浓度等参数，又增加了每组数据的对比性，能及时辨识出各组支管的质量状况。瓦斯主管路的吊挂应靠帮、靠顶，高冒处的吊挂适度调整，保持管路平直；瓦斯直管及流量计过桥的吊挂高度应高于胶带架，便于人员检查管路内的抽放参数为宜；抽放负压控制在30kPa左右，当采面推进距钻孔50m位置时及时对钻孔进行拆除，每次拆除1组抽放支管，然后通过瓦斯抽放孔对工作面进行注水工作。瓦斯抽放联管系统如图5所示。

图5 瓦斯抽放联管系统示意

4.2 水力压裂影响范围

在1号压裂孔向1号-1检验孔方向布置φ42mm的考察钻孔，每隔1m施工1个钻孔。钻孔参数为：垂直煤壁，角度为2°，深度为70m，方向与1号压裂孔平行，采用马丽散、膨胀水泥进行封孔，封孔深度7.5m，共施工15个钻孔。每个考察钻孔取前20d的瓦斯抽放浓度进行对比分析，其结果如图6所示。由图6观测数据可知，水力压裂前后考察钻孔瓦斯抽放浓度发生了显著的变化，压裂后瓦斯浓度有了明显增加。10m考察钻孔瓦斯抽放浓度与压裂前比较平均提高了约16.75%；12m，15m考察钻孔瓦斯抽放浓度与压裂前的变化不大，可以近似得出本次水力压裂的有效影响范围为11～12m。

图6 水力压裂后考察钻孔瓦斯浓度变化

4.3 抽采效果分析

通过20d的时间对压裂孔及压后检验孔抽采流量及浓度跟踪测试，其均值如图7所示。

图7 瓦斯抽采效果对比

压裂孔瓦斯浓度平均为65.6%，瓦斯抽采流量平均为0.238m3/min；1号检验孔瓦斯浓度平均为44.9%，瓦斯抽采流量平均为0.180m3/min；2号检验孔瓦斯浓度平均为43.3%，瓦斯抽采流量平均为0.183m3/min；3号检验孔瓦斯浓度平均为46.8%，瓦斯抽采流量平均为0.179m3/min；原钻孔瓦斯浓度平均为40.7%，瓦斯抽采流量平均为0.108m3/min。由测试数据可知，压裂后压裂孔的瓦斯抽采流量约为压裂前的2.2倍，浓度提高了约1.6倍；检验孔的抽采流量增大了约1.7倍，浓度提高了约1.1倍，有效提高了抽采效果，缩减了抽采时间。压裂孔的瓦斯流量和浓度都是最大的，检验孔瓦斯抽采流量呈现远离压裂孔逐渐减少的趋势；检验孔瓦斯浓度均小于压裂孔瓦斯浓度，表明采用“两堵一注”带压封孔效果更好。经过11个月的联管抽采后，81504工作面高瓦斯区域含量由之前的4.83m3/t降为现在的2.35m3/t，实现了向低瓦斯工作面的转变。

4.4 煤层含水率变化分析

压裂结束后对压裂孔放水72 h，之后施工3个检验孔，测定煤层含水量。煤层原始含水率为3.40%，1号孔压裂后含水率为9.24%，是原始含水率的2.72倍；1号-1，1号-2及1号-3检验孔压裂后含水率为5.61%～7.53%，平均为6.41%，是原始含水率的1.89倍。各观测孔的煤样含水率对比见表3。

表3 压裂后各观测孔含水率变化

由表3可知，水力压裂后各观测孔的含水率均呈现不等程度的增加，说明水力压裂后已形成相互交错的裂隙网，有效地增加了孔隙中的水分，进而增加煤体的含水量；随着与压裂孔距离增大，煤层含水率增加幅度逐渐减少，说明水力压裂增透影响半径是有限的。煤体含水量的增加可以更高效、更全面地润湿煤体，进而降低了浮尘的产尘量，改变了煤体的物理力学性质，软化了煤体，减少了煤体的脆性破裂，增加了塑性变形，最终降低了煤尘的产尘量，极大地削弱了粉尘爆炸的危险性。从现场的测尘数据对比分析，煤层注水大大降低了工作面割煤、移动支架及煤炭运输过程中的产尘量，为员工作业提供了更好的工作环境，为创建安全高效矿井提供了良好的生产条件。

5 结 论

(1)通过钻孔参数的优化、“两堵一注”式带压封孔方法的应用、水力压裂的实施和联管强化抽采布置等技术的应用，大大提高了钻孔瓦斯的涌出量及浓度，提高了瓦斯抽采效率，减少了抽放时间，同时提高了掘进工作面消突效果，缩减了“抽掘采”接续时间。

(2)水力压裂的实施，使煤储层原有的小裂隙得到充分的扩张、延伸和连通并伴随次生裂隙的产生，在19.2MPa的水压下，单孔压裂有效影响范围为11～12m；煤层透气性系数增大了13.43倍，钻孔流量衰减系数减小了约2倍，约11个月的抽采，煤层瓦斯含量由4.83m3/t降为2.35m3/t，极大地释放了煤层中的瓦斯；同时增加了煤层的含水量，软化了煤体，大幅度降低了产尘量，削弱了煤尘爆炸的危险性。

(3)应用水力压裂措施后，单孔抽放平均浓度增加了40%，瓦斯流量上升了123%，最终实现了81504工作面由高瓦斯面向低瓦斯面的转变，为以后工作面的安全高效开采，提供了有力的保障。