低透气性煤层水力压裂增透瓦斯抽采技术研究

时巨辉

（山西焦煤西山煤电斜沟矿，山西 吕梁 033600）

0 引言

目前浅埋煤层已经逐步开采枯竭，开采的重点逐步向着深部煤层转移。在进行深部煤层开采过程中重点开采难题逐步浮现，深部煤层在开采过程中由于其埋深大，导致煤层透气性较差，从而瓦斯治理工作十分复杂。为了提升瓦斯治理效果，提出水力压裂技术[1]，通过对透气性较差的煤层进行定向压裂，在煤层上压裂出多条裂缝，从而达到提升透气性的目的[2]。本文以斜沟矿18104 工作面为工程背景，对水力压裂煤层瓦斯治理技术进行分析，为后续瓦斯治理效果的提升提供参考。

1 模拟分析

水力压裂的本质是通过对钻孔进行注浆，从而撕裂钻孔，形成贯通裂缝的过程，钻孔围岩压裂后应力大致分为破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区，其中破碎区、塑性区、弹性区的划分主要是根据煤岩自身力学性质划分，破碎区的围岩处于连续破坏状态，此时破碎区的稳定主要依靠切应力产生的摩擦阻力，塑性区的围岩处于压缩变形状态，其变形可以部分恢复，内部的裂缝会扩展同时形成部分新生裂缝；弹性区则处于煤柱自身应力及外部应力耦合状态，内部裂隙多为原生裂隙；原岩应力区则为压裂影响最大范围以外，不受钻孔扰动[3]。

在原始应力状态下，此时内部层理原生裂隙和切割裂缝之间的孔隙规模、尺度大小都存在差异，而当高压水注入煤体裂隙后，此时液体的流动顺序及流动状态也各不相同，通过前人研究可知流体运动顺序如下：从主裂缝（一级软面）通过渗流至次裂缝（二级弱面），最后至煤基质（三级弱面），相应的运动为渗流、毛细浸润和水分子扩散，具体扩散如图1 所示。

图1 煤岩裂缝扩散图

水力压裂增透是利用高压水带来的高压致使煤体内部原生结构发生破坏，同时持续注入压水从而产生裂缝，进一步使深部的原生裂隙得到扩张，孔隙充分发展，最终导致煤体瓦斯运移通道逐步增多，最终出现贯通情况，煤层整体性透气性大幅度增加[4]。

利用数值模拟软件对水力压裂参数下瓦斯增透效果进行分析。首先进行模型的建立，根据煤层的实际情况，进行适当简化，模拟上下层为泥岩，中间层为煤，两种结构直接接触，煤层长度40 m，厚度3 m，泥岩层长度40 m，厚度10 m；3 个抽采孔按间距布置，抽采孔直径为98 mm，对模型进行网格划分及力学属性设定，网格划分遵循中间密，边界稀疏的原则，物理参数设定如下：弹性模量为4 164 MPa，密度1 540 kg/m3，岩石的泊松比为0.25，空气渗透率为5×10-16m2，瓦斯动力黏度为1.84×10-5Pa·s。完成物理设定后对模型边界条件进行设定，顶部施加10 MPa 的均布荷载，固定底部及两边的约束，同时瓦斯初始压力为2 MPa，抽采负压设定为-20 kPa。对模型进行计算，煤裂隙压力分布云图如图2 所示。

图2 煤裂隙压力分布云图

图2 为t=0、50 步、100 步、150 步、200 步的裂隙瓦斯压力分布云图，可以看出，随着模拟步数的不断增加，此时钻孔内部瓦斯压力逐步减小，同时距离钻孔距离的增大，此时瓦斯压力呈现逐步增大的趋势，瓦斯压力最小的位置位于钻孔壁附近，而瓦斯压力最大值则位于模型两侧。在模拟步数50 步以前时，此时的瓦斯压力衰减速度较快而在模拟步数50 步以后时，瓦斯压力衰减速度呈现逐步下降的趋势，这是由于在瓦斯运移初期，此时的瓦斯压力与环境压差较大，所以煤层瓦斯运移速度较快，瓦斯压力不断释放，而当模拟步数超过50 步后，此时的压差逐步减小，瓦斯运移速度降低，瓦斯压力减小的幅度也随之降低。

2 水力压裂现场应用实践

此次定向钻孔水力压裂增透技术在斜沟矿18104 工作面实施，选定风巷底抽巷位试验地点，该巷道煤层为8 号煤层，煤层平均厚度3.18 m，经测定，现场瓦斯含量最大在16.43 m3/t 处，放散初速度AP最大29 mmHg，瓦斯压力最大0.91 MPa，煤层透气性系数最小为0.14 m2/（MPa2·d），煤的破坏类型为II～I类，顶底板均主要为泥岩，泥质粉砂岩、煤岩组成，对其进行水力压裂试验。具体压裂步骤为钻孔、封堵、注浆、压裂等过程，压裂过程水力压裂曲线如图3 所示。

图3 压裂过程水力压裂曲线

从图3 中可以看出，水力压裂过程可分为五个阶段，主要为钻孔充水阶段、裂缝起裂阶段、裂缝扩展阶段、系统关闭阶段、放水阶段，其中钻孔充水阶段是压裂液对钻孔及细小孔隙的填充过程，随着水压力的不断增大，此时裂缝发生起裂及扩展，待裂缝起裂及扩展完成后，此时的压裂过程几乎完成，所以仅在裂缝起裂及裂缝扩展阶段会出现较大的水压力波动。对压裂后的抽采效果进行分析，绘制抽采浓度与时间的关系曲线如图4 所示。

图4 抽采浓度与时间的关系曲线

从图4 中可以看出，压裂前9-4 号钻孔、9-5 号钻孔、9-6 号钻孔瓦斯抽采浓度依次为80%、60%、30%，而在水力压裂过程中，由于水驱瓦斯效应和未抽采的影响，使得抽采的瓦斯量出现降低，而当水力压裂结束时，此时的钻孔对应的瓦斯抽采浓度依次为20%、15%、0%，完成压裂后，钻孔抽采的瓦斯浓度随时间增长呈现逐渐增加的趋势，抽采完成10 d 后，此时3 个钻孔瓦斯抽采浓度已达到80%左右，等到抽采完成32 d 后，瓦斯抽采浓度趋于稳定，瓦斯抽采浓度都高于90%以上。相比较而言9-6 号钻孔瓦斯抽采浓度较未经压裂前提升了60%，比压裂结束时提高了90%；而9-5 号钻孔瓦斯抽采浓度比压裂前提升了30%，比压裂结束时提升了75%；9-4 号钻孔抽采浓度较压裂前提升了10%，较压裂结束提高了75%。所以综合分析可知，水力压裂在煤层内形成裂缝，从而增加了裂缝的面积，使得瓦斯向钻孔内流动，使瓦斯抽采浓度远大于压裂前，压裂效果较好。

3 结论

1）斜沟矿通过对钻孔增透技术进行模拟分析，发现随着模拟步数的不断增加，此时钻孔内部瓦斯压力逐步减小，同时距离钻孔距离的增大，此时瓦斯压力呈现逐步增大的趋势。

2）水力压裂过程可分为五个阶段，主要为钻孔充水阶段、裂缝起裂阶段、裂缝扩展阶段、系统关闭阶段、放水阶段。

3）通过工程应用发现，水力压裂在煤层内形成裂缝，从而增加了裂缝的面积，使得瓦斯向钻孔内流动，使瓦斯抽采浓度远大于压裂前，压裂效果较好。