高压水力压裂增透技术在石门揭煤中的应用研究

胡红印(贵州豫能投资有限公司， 贵州 贵阳 550000)

1 前言

煤与瓦斯突出矿井开采过程中，石门揭煤是一项危险的生产工作[1-2]。为保障矿井安全正常开采，高压水力压裂技术作为一种具备成套系统的成熟技术，贵州某矿选择采用高压水力压裂增透技术进行石门揭煤，以提高煤层透气性，实现石门快速、安全揭煤。

2 高压水力压裂增透技术

1)水力压裂技术装备

在矿井井下水力压裂过程中主要采用的设备见表1。

表1 压裂技术实施所需装备清单

2)压裂设备连接

具体高压水力压裂设备连接情况如图1所示。

图1 水力压裂设备连接示意图

3)压裂泵参数

选用的高压压裂泵参数见表2。

表2 压裂泵基本参数表

4)封孔工艺

水力压裂孔封孔工艺为“AB胶+水泥砂浆”，具体封孔结构如图2所示。

图2 封孔示意图

3 水力压裂实施

3.1 实施方案

1)压裂地点

水力压裂试验地点为+1 320m回风底石门及运输底抽巷两处位置，两处石门上部20#煤层赋存稳定，煤厚3.0m，无构造和煤层裂隙发育，同时与煤层有25m层间距的保护岩柱作为抗压岩体，防止水力压裂过程中突出事故的发生[3-4]。

2)压裂方式

石门压裂均采取单次压裂方式实施煤层压裂。压裂煤层原始瓦斯含量、瓦斯压力见表3。

表3 压裂煤层原始瓦斯含量、瓦斯压力

3)压裂钻孔布置方式

为便于封孔，所有的高压水力压裂孔均为上向孔。

3.2 实施效果

1)瓦斯抽采效果

待高压水力压裂完成，缓慢打开防水阀防水24～72h，待压裂孔中无水流出时将压裂孔接入到井下抽采系统中。具体压裂前后瓦斯抽采情况见表4。从监测结果得知，水力压裂后钻孔瓦斯抽采浓度从平均20%提高到约70%左右，浓度提高平均350%；抽采流量从平均0.04m3/min提高至0.020m3/min，流量提高46～56倍。

表4 压裂孔瓦斯抽采情况统计表

+1 320m回风底抽巷一石门20#煤层目前已完成抽采揭煤工作，其流量数据为抽采期间的平均量，其他煤层目前均还处于抽采阶段，其流量数据为至目前为止的平均量。

2)石门揭煤掘进效果

水力压裂实施完成后，瓦斯抽采钻按3～4m抽采半径，未压裂前抽采钻孔按照2.0m布置。通过压裂后增加煤层透气性，可有效减少钻孔工程量以及钻孔施工时间、施工时间。从表5看出，水力压裂施工后抽采钻孔布置数量由220个减少至116个，减少率达到47%；钻孔瓦斯抽采时间也由压裂前的60d缩短至26d；通过实施高压水力压裂可缩短石门揭煤瓦斯消突时间约63d，从而有效提升巷道掘进效率。

表5 石门揭煤消突时间表

4 效益分析

4.1 经济效益

石门消突时间比之前提前了1～2月/组，整个石门揭煤周期由原来的4～6月/组缩短至2～4月/组，即掘进进度提高1/3至1/2。由此产生的直接经济效益和间接经济效益计算如下：

1)直接经济效益(以K3、K4煤层为例)

(1)水力压裂后，K3、K4煤层实际施工钻孔116个，施工31d，钻尺4 070.2m，平均为35m/孔。抽采钻尺单价为9.13元/m, 水力割缝单价为5元/层·孔，则施钻人工费用为

9.13×4 070.2+5×116×2=38 321元

钻机功率18.5kW，乳化泵功率132kW，每班钻机折算平均运行5h，乳化泵割缝1h，耗电费用为

26×3×0.85×0.768×(18.5×5+132×1)=11 431元

设备折旧费：1 000元，

发生材料费(包括设备配件、接抽材料等)：3 000元，

钻头、钻杆损耗费：10 000元，

压裂费用：5 000元，

合计费用：68 752元。

(2)未压裂时，需施工钻孔数为220个，按照35m/孔计算，施工时间60～80d，按70d计算，则施钻人工费用为

9.13×220×35+5×220×2=72 501元

钻机功率18.5kW，乳化泵功率132kW，每班钻机折算平均运行5h，乳化泵割缝1h，耗电费用为

70×3×0.85×0.768×(18.5×5+132×1)=30 776元

设备折旧费：3 000元，

发生材料费(包括设备配件、接抽材料等)：6 000元，

钻头、钻杆损耗费：20 000元，

合计费用：132 277元。

(3)产生直接经济效益63 525元。

(4)综合目前已压裂所有地点情况，产生直接经济效益至少30万元。

2)间接经济效益

实施水力压裂后，整个石门区域预抽消突时间也明显缩短。比之以前每组煤层缩短了2个月以上，整个石门揭煤周期由原来的4～6月/组缩短至2～4月/组。石门揭煤周期的缩短为矿井提前或按期投产提供了有力的保障，为公司节约了投资成本。

4.2 社会效益

该项技术最大限度地保证了现场施工人员的生命安全，同时工程任务的按期完成使员工看到了企业的活力，减少了人员思想波动，稳定了员工队伍，保证了矿井建设速度，提高了企业的社会形象，创造了较大的社会效益。

5 结论

首次在该矿应用推广水力压裂技术于石门揭煤防突工作中，取得了良好的效果。水力压裂成功提高区域预抽效果，减少抽采钻孔工程量、区域消突时间，提高石门揭煤掘进进度，探索了20#煤层的压裂效果，并且压裂效果明显。通过石门水力压裂技术的逐渐推广、成熟，为下一步的穿层条带、网格压裂积累了经验。