地面井水砂压裂增透技术应用效果分析

赵 杰

(华阳新材料科技集团有限公司 智能矿山事业部通风部，山西 阳泉 045000)

当前，国内开采煤层多为低透气性、高瓦斯煤层，且瓦斯含量随开采深度呈增加趋势。瓦斯治理关乎矿井安全生产，低渗透性煤层瓦斯抽采困难，治理效果不理想，增加煤层透气性是提高抽采效果、缩短瓦斯治理周期的有效手段，水力压裂增透、高压水射流、水力割缝、深孔预裂爆破等多种增透技术被应用于瓦斯治理。地面井水砂压裂技术是基于水力压裂机理建立的，实质上是在高水压作用下形成裂隙并充填入砂粒，最终裂隙逐渐贯通从而达到煤岩层增透的效果[1].诸多学者针对压裂技术作了大量研究，付军辉[2]对地面压裂和井下抽采联合工艺进行研究，提出了相应的工艺系统及水力压裂的布置原则；王永革等[3]将地面井水力压裂应用于立井快速揭煤中，有效提升了瓦斯抽采效果，缩短了治理周期；张海军[4]对地面井压裂技术井下压裂区分布范围、裂缝的发育规律进行研究，评价了其对瓦斯抽采以及生产的影响；李丹[5]指出了软弱煤层压裂过程中裂缝延展机理、裂缝实时监测等是重、难点；赵青云[6]针对地面直井压裂提出了复杂构造带直井位置选择以及井身结构设计的方法；王保玉等[7]提出了在地面井结合井下长钻孔的局部卸压增渗的方法。为提高瓦斯治理效果，以新景矿15121工作面为工程背景进行试验，通过地面井水砂压裂技术进行煤层增透，并综合考察其应用效果，以期对类似条件矿井瓦斯治理提供参考。

1 工程概况

新景矿15121工作面位于+420 m水平，本工作面南侧为太旧高速公路保护煤柱，西侧为15123采煤工作面，北侧为佛洼风井保护煤柱。15#煤结构简单、赋存稳定，倾角2°～9°，平均7°，以镜煤、亮煤为主，煤尘无爆炸危险性，有自然发火倾向且具有突出危险性，其参数特征见表1.基本顶为石灰岩，呈深灰色，厚度14.53 m，含2～3层黑色泥岩夹层；直接顶为灰黑色泥岩，厚0.30 m，含植物化石；直接底为砂质泥岩厚17.05 m.

表1 煤层参数特征表

2 地面井水砂压裂试验

2.1 水砂压裂技术原理

水砂压裂技术以水力压裂为理论支撑，在地面施工钻井，利用地面压裂泵车将混合好的且具有一定黏度的压裂前置液泵入压裂井中，待泵注压力大于井壁周围的地应力及地层岩石抗张强度时，井壁周围的煤层产生大的裂缝，随后继续注入含有支撑剂的压裂携砂液，在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，沟通煤层裂缝，从而增加了煤层的透气性，提高瓦斯预抽效果，有效改善压裂影响范围内应力集中状态，达到消突的目的，提高采掘速度，确保安全生产。

2.2 地面井压裂试验设计

为检验地面井区域瓦斯治理效果，15121进风巷共施工了4口地面井(XJ-15—XJ-18)，其施工位置需尽量选择未开采区域，布置于中硬岩中，实际施工参数见表2，将试验段划分为3个区域：巷道进尺0～630 m段为未压裂区域(区域一)；进尺630～756 m段为XJ-15井压裂影响范围前方126 m(区域二)；进尺756～1 617 m段为XJ-15～XJ-18压裂影响区域(区域三)，地面井压裂平面布置见图1.

表2 地面井实际施工参数表

图1 15121进风巷地面压裂井平面布置图

在区域一内采用钻孔增透预抽措施治理瓦斯，施工6个造穴钻孔和7个普通预抽钻孔，主孔深度为80 m，允许掘进60 m，预留20 m超前距离，单循环工程量为1 024 m；区域二采用地面井预抽结合顺层造穴钻孔增透措施治理瓦斯，条带钻孔施工3个造穴钻孔，6个普通预抽钻孔，主孔深度为100 m，允许掘进80 m，预留20 m超前距离，单循环工程量为910 m；在区域三内施工3个措施孔，检测前方掘进区域瓦斯含量，主孔深度为80～100 m，预留20 m超前距离。

15121进风巷全长为1 617 m，其中未压裂区段为开口至进尺630 m，压裂影响区段为630～1 617 m，长度为983 m.

3 水砂压裂试验结果

该工作面施工的4口地面井，仅在XJ-16(巷道1 055 m处，与XJ-16井底直线距离为27 m)、XJ-17井范围内(巷道1 305 m处，与XJ-17井底直线距离为50 m)出现砂质物，地面井水砂压裂影响范围呈现非对称、非均匀、非线性的特征。

3.1 地面井抽采效果

为衡量地面井抽放效果，对地面井中心(井底)至边缘的不同位置进行取样测定瓦斯含量，统计各地面压裂井影响范围内煤层瓦斯含量的最大值、最小值和算术平均值。发现抽放完成后地面井中心处瓦斯含量最小，影响边缘处瓦斯含量最大。相较于未压裂区井底附近的瓦斯含量降幅最大，且压裂影响范围的边缘处降幅较低，水砂压裂区域从中心向边缘增透效果逐渐降低。地面井影响范围内瓦斯含量统计见表3，图2.

图2 掘进工作面瓦斯浓度图

表3 地面井瓦斯含量表

每个压裂井影响范围内的瓦斯含量较未压裂区域平均下降幅度分别为11.21%、7.01%、11.96%、15.33%，XJ-18井影响范围内瓦斯含量降幅最大。其中XJ-17井底以北的范围内，由于受到陷落柱的影响，周围测试数据较少，仅在边缘测定的瓦斯含量为10.3 m3/t，井底瓦斯含量下降至6 m3/t左右，压裂效果十分明显；地面井中心附近的瓦斯含量降幅最大，影响范围的边缘处普遍瓦斯含量较大，降幅较低。

地面井的影响范围以未压裂区域瓦斯含量为基准(临界值为未压裂区域平均瓦斯含量的10%)，瓦斯含量低于该临界值的区域半径为地面井影响半径。

按照上述方法，通过对各地面井压裂影响范围煤层瓦斯含量井下汇总计算，得出XJ-15、XJ-16、XJ-17、XJ-18影响半径分别为112 m、40 m、130 m、120 m，由于煤层赋存的不同及地质条件的差异，水砂压裂影响范围呈现非对称、非均匀、非线性的特征。

3.2 掘进工作面瓦斯浓度对比

3个试验区域掘进过程中掘进工作面瓦斯浓度见图2.15121进风巷进尺0～630 m区段(区域一)，掘进期间掘进工作面最大瓦斯浓度为0.57%，平均为0.33%；630～756 m区段(区域二)，掘进工作面最大瓦斯浓度为0.54%，平均为0.32%；756～1 617 m区段(区域三)，最大瓦斯浓度为0.89%，平均为0.37%，其中15121进风巷在1 200～1 300 m揭露陷落柱，掘进期间瓦斯浓度较小，故排除此区段瓦斯浓度后平均瓦斯浓度为0.46%.由此可知，水砂压裂增加了煤层透气性，通过形成瓦斯逸散通道使掘进期间巷道涌出瓦斯量明显增加。

4 地面井水砂压裂工程应用效果

4.1 掘进效率对比

15121进风巷设计长度为1 617 m，其中未压裂区段长度为630 m，剩余983 m为压裂影响区段。区域一内每月掘进最高60 m，平均每月进尺为34.4 m；区域二内平均每月进尺为60.0 m；区域三掘进期间最高单月进尺为140 m，平均每月进尺为115.0 m.采取地面井水砂压裂技术可大幅提高巷道的掘进效率，较采用造穴预抽措施提高了3.3倍。

4.2 瓦斯治理成本对比

1)15121进风巷瓦斯治理成本。进风巷运用顺层造穴钻孔条带预抽、地面井水砂压裂预抽措施进行瓦斯治理，该巷道共施工14个循环，完成钻尺11 000 m；地面水砂压裂井共施工4口，总工程量为2 554 m，压水量为8 034.31 m3，压砂量为170.62 m3.15121进风巷合计成本1 822.7万元。

2)15121回风巷瓦斯治理成本。回风巷采用底抽巷穿层造穴钻孔条带预抽方式治理瓦斯，每组施工7个穿层钻孔，全巷共311组，累计施工钻孔数量2 177个，完成钻尺68 000 m.其中仅穿层造穴成本达5 026万元，已远超进风巷治理总成本，回风巷瓦斯治理总成本约3 643万元。瓦斯治理成本对比见表4.

由表4可知，15121进风巷较回风巷可节约1 820.7万元瓦斯治理成本。15121进风巷在采取了地面井水砂压裂技术后，投入成本仅为15121回风巷的50%.

表4 瓦斯治理成本对比表

5 结 论

1)采用地面井水砂压裂抽放影响半径多数在100 m以上，平均值为100.5 m，预抽后其影响范围内煤层瓦斯含量降低，相较于未压裂区掘进期间瓦斯浓度较高，地面井水砂压裂技术可增加煤层透气性。

2)采取地面井水砂压裂措施缩减了井下瓦斯治理周期，提高巷道掘进效率，为未采用水砂压裂技术巷道掘进效率的3.3倍。

3)采取地面井水砂压裂措施可显著降低瓦斯治理成本，相较于15121回风巷地面井水砂压裂技术降幅高达50%，经济效果显著。