山西塔山煤矿水力压裂技术的应用实践

章月花

(大同煤矿集团公司忻州窑矿)

一般情况下，瓦斯以吸附和游离2种状态存在于矿井中，仅有10%左右的瓦斯以游离状态存在，其余均以吸附状态存在，而该部分的瓦斯在煤矿开采中在动压作用下释放出来，易造成工作面(尤其是特厚煤层综放工作面)瓦斯超限[1-3]。本研究结合已有的研究成果[4-7]，以塔山煤矿为研究背景，通过进行水力压裂试验，对煤层进行增透，以解决特厚煤层综放工作面在开采过程中瞬间落煤产生的大量瓦斯造成工作面瓦斯超限的问题。

1 工程概况

塔山煤矿可采储量307亿t，按设计能力1 500万t/a估算，矿井服务年限为140 a。该矿主采煤层为石炭二叠系3#～5#煤层，煤层原始瓦斯压力为0.14～0.17 MPa(绝对压力)，煤层瓦斯含量为1.6～1.97 m3/t，平均为1.78 m3/t，百米钻孔自然瓦斯涌出量及其衰减系数分别为0.015～0.021 2 m3/(min·hm)和0.572～0.742 7 d-1。

矿井通风方法为抽出式，通风方式为分区式，综采工作面采用全负压通风。目前，该矿已形成了一盘区、二盘区、扩区3台主扇联合运转的分区式通风系统。一盘区实际供风量为20 000 m3/min，二盘区实际供风量为14 000 m3/min，扩区实际供风量为11 000 m3/min。该矿二盘区综放工作面正常回采期间绝对瓦斯涌出量为30～35 m3/min，瓦斯异常涌出期间，工作面绝对瓦斯涌出量可达到40～50 m3/min，甚至更高[8]。二盘区掘进工作面瓦斯涌出较低，正常掘进期间，瓦斯涌出量约2 m3/min，但在瓦斯异常涌出期间可达到10 m3/min左右。

2 水力压裂试验

2.1 水力压裂钻孔布置

本研究瓦斯抽采试验地点为塔山矿二盘区8201工作面5201回风巷，该工作面走向长度为162 m，倾向长度为1 200～1 300 m。8201工作面位于井田东南部、二盘区东北部，北邻1070辅运巷，南部未开拓，西邻二盘区辅运巷，南部为井田矿界，地面标高1 615.3～1 475.3 m，工作面标高1 030～1 090 m。3#～5#煤层平均倾角为2°，平均厚度为12.62 m。本研究沿8201工作面5201回风巷共布置了5个钻孔，各钻孔倾角均为6.7°，孔径均为75 mm，孔深均为60 m，各钻孔分别距回风巷320，312，298，242，202 m(图1)。

图1 8201工作面水力压裂钻孔布置示意

2.2 水力压裂工艺流程

钻孔施工完毕后，孔口采用马丽散加棉纱封堵，封堵长度不小于1.5 m，同时在孔口打入木楔，经过养护30 min后，对钻孔进行封孔(图2)[9-10]。钻孔中压裂管采用φ50 mm、壁厚8 mm无缝钢管，每根长2 m，采用快速接头连接，总长度为30 m，注浆管采用φ16 mm铸铁管，每根长2 m，采用螺纹连接，总长度为20 m；浆液的混合比(普通硅酸盐水泥∶白色硅酸盐水泥)为3∶1。

图2 压裂孔封孔示意

水力压裂系统装置由高压注水泵、水箱、流量表、压力表、高压管及相关装置连接接头等组成[11-13]。高压注水泵安设于8201工作面调车硐室中；流量表安设于高压注水泵进水侧；将井下供水管连接至高压注水泵的水箱进水口，水箱出水口采用专用胶管与高压注水泵连接，压裂孔孔口处高压注水管须安设高压闸门、卸压阀等。

钻孔施工完毕后，按照如图3所示连接各压裂设备和管路，并检查气密性，而后将施工的压裂孔按照水力压裂封孔工艺进行封孔，封孔完毕后将孔内压裂管路连接至孔外压裂管路上。上述工序完毕后，将人员撤离至安全地点，并将巷道内电气设备全部断开，开始注水，调节压力，开始压裂，并随时观察水箱内的水量变化，并做好记录。若未出现异常现象则缓慢升压，直至达到确定的起裂压力，待压力稳定后且水压下降至实际最大注水压力时，可结束注水，缓慢卸压，停止压裂，至此一次压裂试验结束。

图3 水力压裂设备连接示意

2.3 水力压裂实施效果

在压裂试验结束后，对压裂孔进行了瓦斯抽采，相关瓦斯抽采数据如图4、图5所示。分析可知：压裂单孔的平均瓦斯抽采浓度为10.496%(机检)、11.661%(手检)，瓦斯抽采纯量为0.296 m3/min(机检)、0.326 m3/min(手检)，相较于普通抽采单孔的平均瓦斯抽采浓度7.981%(机检)、8.905%(手检)，分别提高了约31.6%(机检)和30.9%(手检)；相较于普通抽采单孔的平均抽采瓦斯量0.226 m3/min(机检)和0.249 m3/min(手检)，分别提高了31.0%(机检)和30.9%(手检)。

3 结 语

以塔山煤矿8201工作面为例，采用水力压裂技术实现该矿3#～5#煤层增透。试验表明：压裂孔的平均瓦斯抽采浓度、平均瓦斯抽采纯量均高于普通抽采孔，表明采用该技术实现煤层增透效果较好，有利于高效抽采煤层瓦斯。

图4 普通钻孔和压裂钻孔瓦斯抽采浓度对比(2017年)◆—(压裂钻孔)机检；■—(压裂钻孔)手检； ▲—(普通钻孔)机检；●—(普通钻孔)手检

图5 普通钻孔和压裂钻孔瓦斯抽采纯量对比(2017年)◆—(压裂钻孔)机检；■—(压裂钻孔)手检； ▲—(普通钻孔)机检；●—(普通钻孔)手检