穿层钻孔水力压裂增透促抽瓦斯试验研究

刘增亮董 强

（1.山西马堡煤业有限公司；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；3.煤矿安全技术国家重点实验室）

煤层透气性是严重制约瓦斯抽采效果的技术参数，严重影响煤矿的安全生产。对于提高煤层透气性，国内学者进行了多方面的研究［1］，其中水力压裂增透措施［2-6］是一种安全无污染的技术，既可以通过高压水增加煤层裂隙发育，进而破裂，从而增加煤层透气性，达到增透促抽的目的，又可以湿润煤体；其施工简便，安全可靠。

以某煤矿8205 运输顺槽穿层预抽钻孔为研究对象，首先进行数值仿真模拟，初步确定增透技术参数，再进行高压水射流增透技术现场试验，以优化抽采方案。最终确定一套适合现有采掘条件下的水力压裂增透技术方案，并进行试验应用。

1 8205综采工作面概况

8205 综采工作面位于井田8#煤层二采区，工作面布置运顺顺槽、回风顺槽，走向长1 130 m，倾向长160 m，煤厚平均为2.1 m。东侧为8204 采空区，西侧未布置工作面，南侧为3条下山，北侧为井田边界线。工作面2个顺槽现尚未掘进，目前布置了运输顺槽底抽巷、回风顺槽底抽巷，施工穿层瓦斯预抽钻孔，用于区域瓦斯治理，见图1。

8205 运输顺槽底抽巷外错8205 运输顺槽40 m，8205 回风顺槽底抽巷内错8205 回风顺槽30 m，两底抽巷距8#煤层底板约15 m，巷道长约980 m，断面尺寸为4 m×3 m（宽×高）。

2 水力压裂钻孔设计

此次水力压裂增透地点选为8205 运输顺槽底抽巷250 m处的第40组钻孔，剖面图见图2。

第40 组钻孔共计8 个穿层钻孔，上下排各布置4个钻孔，终孔位置间距为5 m，覆盖了巷道及巷道两侧15 m范围。钻孔开孔位置如图3所示：

上排开孔距顶板0.2 m，下排开孔距顶板0.7 m，开孔间距为1 m，排间距为0.5 m，具体参数见表1。

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考虑到上排孔倾角较大，施工过程中返水返渣情况观察较方便，故此选定40-4、40-5号孔作为水力压裂钻孔，其余钻孔（包括第40 组其余钻孔、第39 组和第41组钻孔）作为观测孔，用于观测水力压裂过程中返水情况。

3 水力压裂数值仿真

为研究高压水力压裂注水压力与裂隙发展范围，使用RFPA2D-Flow 数值仿真平台建立40-4、40-5号孔水力压裂数值仿真模型［7-8］，为现场施工提供理论指导。

模拟地点埋深为500 m，垂直地应力为22 MPa，水平地应力为32 MPa，当围压恒定时将单步增量设为零。按Mohr-Coulomb 强度准则，均质度m=2，渗流边界为零，煤体力学参数如表2所示［9-10］。

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40-4、40-5 号孔终孔位置落在8205 运输顺槽两侧，两孔终孔间距4 m，钻孔进入8#煤层角度分别为21°和20°，设计见煤长度为5.9和6.2 m。

在RFPA2D-Flow 中建立24 m×2 m 的模型，初始水压为5 MPa，每步加压1 MPa，程序计算分10 步，即加压至15 MPa。孔内水压力场分布云图见图4（仅展示煤层区域）。

当注水压力为7 MPa 时（图4（a）），2 个钻孔的裂隙（图中黑色区域表示裂隙）都开始萌生，随着注水压力的变大，裂隙向2个钻孔之间萌生，并且逐步扩展。图4（b）～图4（d）为注水压力9～13 MPa条件下，裂隙萌生的程度。直至注水压力为15 MPa时（图4（e）），2个钻孔之间裂隙发育达到最大，形成裂隙通道。

由以上分析，两相邻钻孔都进行高压水力压裂的情况下，当注水压力为15 MPa时，钻孔之间萌生裂隙并且导通，经测量，压裂范围为3.36 m。

4 现场试验及增透促抽效果

4.1 试验钻孔施工

2020 年9 月1 日，在8205 运输底抽巷250 m 处开展了此次水力压裂试验。通过观察水力压裂钻孔周围普通孔的瓦斯和返水情况，以此判断8#煤层的裂隙发育程度。

水力压裂施工完毕后，立即将钻孔封孔，并入抽采系统，对抽采的浓度、流量进行观测，与距离此次试验地点100 m 范围内未经水力压裂增透措施的普通抽采钻孔抽采参数相比较，以此考察水力压裂效果。

4.2 高压水力压裂设备

水力压裂设备采用2BZ-125/20 型煤层注水泵，其技术参数见表3。

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4.3 高压水力压裂煤层增透施工流程

高压水力压裂煤层增透技术的施工流程如下：

（1）在8205工作面运输顺槽底抽巷250 m处按设计施工各钻孔。

（2）在施工完毕的压裂钻孔内，使用FKSS 高压胶囊封孔器进行封孔。

（3）连接高压注水泵，对40-4、40-5 号孔进行高压注水，初始压力调为5 MPa，检查管路是否完好。确认无误后，按每次加压1 MPa并维持10 min的方式（最大可增加至20 MPa）进行加压，然后保持压力不变直至压力表值无明显变化时结束。应始终注意压力表的变化及钻孔出水情况，并做好记录（图5）。

（4）水力压裂结束后，关闭高压注水泵，断开注水泵电源。打开卸压阀使高压水力压裂系统卸压至零。

4.4 水力压裂增透促抽试验效果分析

在对40-5 号钻孔压裂30 min 后，40-4 号钻孔封孔管内开始返水，说明40-4 和40-5 号孔通过水力压裂措施后导通，40-4、40-5 号钻孔实际见煤段间距为3～3.81 m，说明水力压裂范围为3～3.81 m，与数值仿真结果相符。

对40-4、40-5号孔封孔后立即并入抽采系统，对第40组钻孔抽采参数进行了为期30 d的观测。作为对比，也观测了第39 组、第41 组以及距离第40 组钻孔100 m 位置的第17 组钻孔抽采参数（第17 组和第40 组抽采负压相同），如图6 所示。统计抽采30 d 的抽采混合流量和抽采浓度数据见表4。

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由图6 和表4 可以看出，经过水力压裂增透措施后，平均的抽采纯量是未经过压力组的10.28 倍左右，平均抽采浓度是未压裂组的2.93 倍。而且，经过水力压裂增透措施后，附近的第39 组、第41 组的抽采纯量也会提高，说明水力压裂增透措施会增加钻孔附近内的裂隙，促进瓦斯抽采。

5 结 论

（1）针对某矿8205 运输底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采问题，提出了水力压裂增加煤层透气性，进而促进瓦斯抽采的技术方案。

（2）使用RFPA2D-Flow 数值仿真软件，对40-4、40-5 号孔进行了高压水力压裂数值模拟，当注水压力为15 MPa时，相邻两钻孔之间萌生裂隙并且导通，压裂范围为3.36 m。

（3）对40-4号孔进行高压水力压裂，注水压力为15 MPa，压裂30 min，40-5 号孔有水返出，说明两钻孔间有裂隙导通，根据钻孔实际情况，判断水力压裂范围为3～3.81 m，与数值仿真结果相符。

（4）经过水力压裂增透措施后，平均的抽采纯量是普通组的10.28 倍，平均抽采浓度是普通组的2.93倍。而且，经过水力压裂增透措施后，附近的第39组、第41组的抽采纯量也会有提高，说明水力压裂增透措施会增加钻孔附近的裂隙，促进瓦斯抽采。