水力压裂消突技术在低透气性煤层瓦斯治理的应用

邓 强

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺110016；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

安全生产是中国煤炭行业的“生命线”，瓦斯突出是煤矿生产过程中的重大灾害之一，严重威胁着工人的生命安全[1]。因此，瓦斯治理仍然是煤矿安全生产工作的重中之重，特别是高瓦斯、低透气性的突出煤层，瓦斯治理难度非常大，一直都是国内外学者研究的难点和热点[2-4]。而水力压裂技术作为治理低透气性煤层瓦斯突出的有效手段，得到了越来越多的推广应用[5]。在常规水力压裂技术的基础上，逐步发展了多种新型压裂技术和方法，如变排量压裂、复合压裂、重复压裂等技术[6-7]。但是在众多压裂技术中对于压裂效果的考察还是存在着一些不足，大多数试验研究是以瓦斯含量和压力来确定压裂效果影响范围。为此，用瓦斯含量及煤层含水率压裂前后变化双重指标作为压裂效果的评价标准，对压裂区域的确定更加精确[8-9]；选取文家坝矿作为示范矿井，利用水力压裂增透消突技术，针对6#低透气性煤层瓦斯治理难题开展了试验研究。

1 工作面概况

605 回采工作面回采前采取了在运输巷和回风巷施工顺层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施，钻孔间距约3 m。由于瓦斯抽采效果差，难以有效解决605 工作面瓦斯治理问题，矿井在605 工作面回采过程中为防止瓦斯超限还在切眼补充施工了顺层长钻孔预抽煤巷条带瓦斯措施，由于煤层松软，钻孔预抽效果相对较差，瓦斯抽采流量和抽采浓度相对偏低，制约了矿井的生产。因此，寻求1 种快速卸压增透的措施是实现安全高效回采的迫切需求[10-11]。

2 瓦斯治理技术难点

1）煤质松软，容易塌孔，影响抽采效果。6#煤层煤的坚固性系数f=0.34，煤的最高破坏类型为Ⅲ类，施工钻孔后，容易塌孔，影响抽采效果。

2）煤层透气性差，抽采半径小。6#煤层为难抽采煤层，透气性低，在未开采保护层条件下，难以抽采。

3）煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大，突出危险性高。根据瓦斯参数测定情况，6#煤层最大瓦斯压力p=1.15 MPa，最大瓦斯含量14.454 2 m3/t。

3 试验方案及工艺

3.1 试验压裂钻孔设计

根据试验地点情况和项目的研究需求布置水力压裂试验巷道长度为30 m，开孔位置在煤层中部，水力压裂钻孔10 个，常规对比钻孔10 个。

水力压裂钻孔布置如图1，从左到右分别为1#～10#孔，控制巷道前方80 m，压裂钻孔终孔间距为3 m；压裂从钻孔孔底开始由里往外压裂，每3 根钻杆割1 刀，孔口留20 m 保护煤柱，每个钻孔共割27～28 刀。

图1 试验区钻孔布置示意图Fig.1 Borehole layout diagram

压裂钻孔孔径94 mm，钻孔长度80 m，封孔长度为8 m 以上；常规对比钻孔孔径94 mm，钻孔长度80 m，封孔长度为8 m 以上。

3.2 水力压裂装备及水力压裂工艺流程

水力压裂增透装备由高压水力泵站、高压旋转接头、螺旋助排渣高压水射流钻杆、三维旋转水射流喷头和喷嘴、高压胶管、液控调压装置等辅助设施组成，其高压水射流产生部件实物如图2。

图2 水力压裂技术装备Fig.2 Technical equipment diagram

水力压裂装备连接布置图如图3。在605 工作面运输巷（距离切眼120 m 处）按设计参数施工顺层钻孔，试验钻孔用φ94 mm 的钻头钻进至预定孔深后，退出钻杆，换上高压水力压裂系统，依次连接水力压裂喷头、水射流专用高压密封钻杆（高压水射流专用旋转接头、高压胶管、高压水射流专用控压装置、高压水泵，形成高压水力压裂系统后，加钻杆将钻头送至预定孔深位置，然后开始向外退钻压裂，再外退钻杆进行下一段压裂[12]。

图3 水力压裂装备连接布置图Fig.3 Equipment connection diagram

3.3 水力压裂装备选型

水力压裂时压水泵输出压力对于受压煤体的裂隙发育效果影响非常大，因此确定高压水泵的压力及流量成为水力压裂实验的基础，如果注水压力不够，流量太小，高压水流在经过煤体是，需克服煤体的阻力，能量散失，不足以使其裂隙发育完全[13-14]。反之如果注水压力太大，煤体太破碎，达不到裂隙延伸的效果，而且还有诱发突出的可能。起裂压力必须达到要克服地应力以及煤体的抗拉强度产生的拉力，起裂压力F 公式计算如下[15]：

F＝min｛V（3－μ）η＋St，V（3μ－1）η＋St｝

式中：V 为地应力系数，V＝σv/η；σv为实际垂向最小地应力，MPa；μ 为侧应力系数，μ 取1.7；St为煤体抗拉强度，MPa；η 为垂向应力，kPa，η＝ρgH；ρ 为上覆岩层平均密度，t/m3；H 为煤层埋深，m。

经计算起裂压力为22.73 MPa。高压水泵选额定压力35 MPa、额定流量400 L/min 的BRW400/40型矿用乳化液泵。

4 瓦斯抽采效果考察

4.1 瓦斯抽采浓度及流量变化规律

煤层经过水力压裂后，由于煤体发生膨胀变形，影响范围逐渐扩大，孔隙率增加，透气性增大，导致较远处的瓦斯也源源不断地涌向孔道[16-17]。而游离瓦斯首先被抽采，在抽采钻孔处形成降压区，原始吸附的瓦斯在压力的驱动下源源不断的转化为游离瓦斯，使得煤层透气性增加[18]。

等压裂试验完成后，清洗钻孔并对钻孔放水4 d，在压裂区域同时施工抽采钻孔，封孔后接入抽采系统实现并网抽采，同时在压力试验前后测定煤层瓦斯含量以及含水率。

增透前后单孔瓦斯浓度由原来的最高单孔瓦斯浓度25%增大到了增透后的78%，单孔瓦斯浓度增加了3.12 倍，压裂钻孔与常规钻孔抽采浓度图如图4，压裂钻孔与常规钻孔抽放效果如图5。

图4 压裂钻孔与常规钻孔抽采浓度图Fig.4 Extraction concentration map for fracturing and conventional drilling

4.2 残余瓦斯含量测试

相同抽采条件下的残余瓦斯含量可以表明采用高压水力压裂技术后，对钻孔瓦斯抽采效果的影响及达到相同抽采目的所用时间的长短[19-20]。

分别测量抽采后对比孔与试验孔范围内的残余瓦斯含量，根据残余瓦斯含量测定结果推算钻孔瓦斯抽采半径[21]，压裂前后瓦斯含量记录表见表1。

图5 压裂钻孔与常规钻孔抽放效果图Fig.5 Drawing effect of fracturing drilling and conventional drilling

表1 压裂前后瓦斯含量记录表Table 1 Gas content record table before and after fracturing

4.3 煤层含水率测试

压裂前后煤层含水率记录见表2。

表2 压裂前后煤层含水率记录表Table 2 Record table of water content of coal seam before and after fracturing

通过试验数据表明，在压裂区域抽采时间一定的前提下随着抽采孔与压裂区的距离不断增大，煤层瓦斯含量逐渐增大，说明压裂区域裂隙延伸已经达到极限，也就是增透半径达到最大值。当距离压裂孔20 m 处时，煤层瓦斯含量接近未压裂区的抽采后的瓦斯含量值，说明压裂试验影响范围接近20 m。再综合煤层含水率的试验结果发现，当距离压裂孔20 m 时压裂区煤体的含水率接近原始含水率，水无法通过新增裂隙润湿煤体，在煤体中无法实现水对瓦斯的驱替作用，说明增透范围水力压裂卸压增透影响半径为20 m。

5 结 语

1）经过水力压裂实验后，压裂孔之间形成裂隙发育区，由于煤质松软，容易形成塌孔，影响压裂区抽采效果，应在钻孔内有加固措施。

2）压裂区域与常规抽采相比，单孔抽采浓度提高近3.12 倍，抽采率提高了40%～50%,大大缩短了抽采天数。

3）根据压裂区和未压裂区煤层瓦斯含量以及煤层含水率的测定结果对比可知，水力压裂卸压增透影响半径为20 m。