水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用研究

易国晶（贵州盘江精煤股份有限公司，贵州 六盘水553000）

我国煤炭资源丰富，但是大多数矿产深埋于地底，开采条件复杂且艰苦，常伴随着断层、瓦斯等灾害，风险系数大，开采事故频发。当前，煤矿开采事故已成为社会关注的焦点问题，为了保障开采人员的安全，打造一个安全的作业环境，煤矿开采单位应做好煤矿作业安全防护措施，引进现代化煤矿安全防护技术，比如说针对瓦斯这一高危因素，可引进水力压裂技术，提升不同煤层间的透气性，令瓦斯压力与地应力达到平衡，转变煤矿整体强度，获取满意的瓦斯治理效果，创造安全、稳定煤矿作业环境。

1 水力压裂技术概述

在我国，煤矿所处的位置通常都在地下几十米乃至几百米，这些区域透气性极差，瓦斯无法有效排除，如若在瓦斯没有充分排放干净的情况下，作业人员进入矿井中，将发生瓦斯中毒问题，而且，瓦斯是易燃易爆炸气体，在有氧条件下达到燃点将引起爆炸。瓦斯治理一直是煤矿作业安全管理的重要内容，当前，常用的瓦斯治理技术多种多样，而水力压裂技术正是其中一种。

水力压裂技术是一种新型瓦斯治理技术，在煤矿开采过程中，如若探测到开采区域瓦斯浓度较高，可以在作业区域内打孔，并将混有沙子的高压水等液体注入孔隙内，加压直至孔隙破裂，液体会自然地向煤层孔隙渗透流动，高压水中的沙子会填充到孔隙中，在煤层间构建一个孔隙网络，这样煤层的透气性有效提升，瓦斯也能够沿着孔隙网络向外排出[1]。不过，要想使用这一技术，首先得知道煤矿开采区域的地质情况，测定区域内瓦斯浓度，从而计算出压泵压力、排量等技术参数，制定科学合理的瓦斯治理方案，加以贯彻落实，事后检测瓦斯浓度，确保瓦斯含量下降到安全范围后，方可开采。

在经过长期实践后，水力压裂技术的瓦斯治理效果得到了验证，具体来说，其技术作用在于：①提升煤层透气性，加快瓦斯消散速率。应用水力压裂技术后，不透气的煤层中会出现大量裂缝、孔隙，与外界空气联通，煤层透气性提升，而且，瓦斯还能够从这些细小的裂隙中渗出，相较于突发性的大量瓦斯排放，其安全性更高；②改变煤层的强度。在水力压裂技术作用下，煤层含水饱和度提升，整体煤矿的结构强度下降，煤层之间的抗拉强度及抗压强度降低，开采起来更为简单，煤矿作业风险也明显下降；③降低瓦斯作用力。由于煤层之间透气性较差，瓦斯无法在煤层间流通，不同煤层间瓦斯含量存在巨大差异，开采时，如若不同煤层间突然连通，将导致高瓦斯浓度区域瓦斯大量涌出，影响到煤层稳定性，甚至引发瓦斯爆炸事故，风险极高，而水力压裂技术制造了一个大型孔隙网络，在煤矿之间、煤矿与外界之间制造了大量的细微通道，让瓦斯能从高浓度区域向低浓度区域少量多次流动，降低了瓦斯作用力，切实保障了煤层的稳定性与开采作业的安全性；④降尘作用。煤矿作业中扬尘问题普遍而严重，应用水力压裂技术后，煤体含水量提升，扬尘减少，能够有效降低尘肺病的发生，同时规避煤矿开采对于外界环境造成的不利影响，效益显著[2]。

2 水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用分析

在应用水力压裂技术进行煤矿瓦斯治理前，首先应该进行全面细致的地质勘测，调查目标区域地质情况，应用红外气体吸收型检测仪器测定瓦斯浓度，然后，再应用FLAC3D软件进行水力压裂数值模拟实验，确定压裂参数，为技术方案制定提供参考信息。

2.1 选取技术设备

以某煤矿工程项目为例，由于采空区抽采管可调控装置在使用过程中，若抽采负压较大、抽采管内积水时，会将翻板吸上来堵住抽采管，影响抽采效果，导致工作面瓦斯增加；与此同时，采空区抽采管可调控装置虽然操作方便，但体积加大，配件较多，安装期间没有以前留管三通便捷。为了使这些不足之处得到有效处理，并提高煤矿瓦斯治理效果，白拟有必要选择合理科学的技术设备，比如水力压裂技术的应用，便具备一定的参考价值。

在煤矿瓦斯治理中，应用水力压裂技术，需要用到的技术设备有高压压裂系统、管路系统、远程监控系统、自动控制水箱、电控柜、封隔器、孔口锚固器等，前三者是最为重要的，需根据技术要求精心挑选，通常情况下，高压压裂系统会选用高压压裂泵，这一装置能够让压裂液、支撑剂等在高压作用下深入煤层，形成孔隙，管路系统通常会选用无缝钢管及耐压胶管，发挥传输作用，远程监控系统则由计算机、显示器、采集设备等组成，能够将人类无法看到的井下现场压裂过程显示在显示屏上，实现对于技术应用过程的实时监测[3]。

2.2 布置压裂孔

在煤层地质勘测工作中，会获取煤层位、物理性质、地质构造等信息，在选取了技术设备后，即可开始布置压裂孔。在确定压裂孔布置方案时，首先应该根据煤层结构，及预设的压裂位置，来确定钻孔深度，然后再结合煤矿井下巷道布置图及当前采掘进度，确定合理的钻孔位置，原则上，钻孔位置越靠近电源畅通、材料充足、运输方便的位置越方便操作。

2.3 制备压裂液与封孔材料

压裂液是由多种添加剂按照一定比例配制而成的非均质不稳定混合物，在应用水力压裂技术进行煤矿瓦斯治理时所用的工作液。在实践中，一般会将陶粒或石英砂与水按照一定比例混合制成携沙剂，完成压裂，当压裂液注入压裂孔后，需进行封孔处理，以防跑浆、窜浆或漏浆。封孔是决定水力压裂成功与否的关键性操作，一般来说，会使用水泥辅以一定量膨胀剂、减水剂制成封孔材料，其余两端会应用到聚氨酯等材料。

2.4 实施注浆及封孔

在制备好压裂液与封孔材料后，即可开始施工，采取分段式注浆方法，按照孔深，以1：2：3的比例将其分为三段，第一段以30L/min的速度注浆，注浆量为1/6，注浆压力为3MPa，凝胶时间为1min；第二段以50L/min的速度注浆，注浆量为1/3，注浆压力为2.5MPa，凝胶时间为1.5min，注浆后灌入膨胀水泥；第三段以100L/min的速度注浆，注浆量为1/2，注浆压力为2MPa，凝胶时间为3min，注浆结束后用聚氨酯封顶[4]。

2.5 检验压裂效果

压裂作业完成后，观测压裂效果，用便携式红外线光谱气体分析仪探测各点瓦斯浓度，探测其是否下降到瓦斯浓度国家标准范围内，排查安全隐患，做好设备工作记录。

3 结语

煤矿按照埋藏位置分为浅部煤矿和深部煤矿两种，前者接近地表，可露天开采，而后者深埋地下，需地下开采，我国大部分矿产都是深部煤矿，开采量大，但是其风险较高，煤矿安全事故频发，引起了社会的广泛关注。在煤矿作业中，威胁最大的，莫过于瓦斯，如何高效合理的抽取、排放瓦斯，是保障煤矿开采安全的关键，水力压裂技术是一种安全可靠的煤矿瓦斯治理技术，能够破坏煤层封闭性，提升瓦斯流动性，安全排放瓦斯，在煤矿作业中得到广泛应用。