超高压水力压裂提高煤层透气性关键技术研究应用报告.doc

超高压水力压裂提高煤层透气性
应用研究技术报告
目 录

1 前言 1
2 研究目与意义 3
2.1问题提出 3
2.2研究内容 4
2.3研究意义 5
3 高压水力压裂提高煤层透气性原理及合用性分析 9
3.1国内外研究现状 9
3.2 水力压裂原理及合用性分析 10
3.2.1高压水对煤体构造力学作用定性分析 12
3.2.2水力压裂合用性分析 14
4 渝阳煤矿及7号煤层概况 15
4.1矿井概况 15
4.2 7号煤层基本物理性质及实验测试 17
4.3 7号煤层基本力学性质实验测试 24
4.4 7号煤层穿层钻孔水力压裂可行性 26
5 HTB500型压裂泵组简介及调试 29
5.1 HTB500型压裂泵组简介 29
5.2 HTB500型煤层压裂泵泵组接受与地面调试 32
5.3 高压泵组管路及其连接 33
6 渝阳煤矿超高压水力压裂实验方案 36
6.1 实验地点 36
6.2钻孔布置方案 38
6.3 压裂孔封孔及注浆设计 40
6.3.1 压裂孔封孔设计及注意事项 40
6.3.2注浆封孔工艺 42
6.4压裂监控设备布点 44
6.5压裂效果考查及参数测试方案 44
6.6其她配套方案设计 45
7 高压水力压裂过程及分析 47
7.1前言 47
7.2高压水力压裂过程 47
7.3 高压水力压裂压力曲线分析 51
8 压裂效果考察及其分析 52
8.1前言 52
8.2 压裂后检查孔施工参数及数据记录 52
8.3 压裂后钻孔参数对比 59
8.4压裂有效范畴考察 61
8.5压裂效果总结 64
9 重要研究成果与创新点 66
9.1研究成果 66
9.2 创新点 67

1 前言
重庆市能源投资集团科技有限责任公司成立于4月，为重庆市能源投资集团下属二级子公司，独立法人，注册资本万元。下设工程勘察子公司，工程设计院，瓦斯研究院、项目管理部、技术服务部、资产结算中心、综合办公室等部门。在集团公司领导下，科技公司环绕集团公司工作布置，按“实行科技兴企战略，支撑集团跨越式发展”思路，不等不靠，一边建章建制，一边开展科研工作。
7月，集团公司下达了“突出煤层高效抽采核心技术研究” 科研项目筹划，2月，科技公司引进了HTB500型高压煤层瓦斯压裂泵组。经集团公司和科技公司研究协商，决定在松藻煤电有限责任公司渝阳煤矿进行初次超高压水力压裂实验，将集团公司水治瓦斯水平提高到新高度。
科技公司依照集团公司水治瓦斯指引思想，在松藻煤电有限责任公司及其所属渝阳煤矿、河南理工大学、宝鸡航天动力泵业有限责任公司协助下，于2月份在渝阳煤矿用HTB500型煤层压裂泵泵组开展了超高压水力压裂实验。
渝阳煤矿超高压水力压裂实验在N3704西瓦斯巷(下)进行，埋深约750m，目是对7号煤层（保护层）进行穿层超高压水力压裂，实现增大煤层透气性、提高瓦斯抽采率、减少瓦斯灾害事故效果。实验过程中，共施工压裂孔1个、原则孔1个（补充原则孔1个）、检查孔15个（因施钻不到位、卡钻，其中2个报废）。
渝阳煤矿超高压水力压裂实验表白，压裂地点起裂压力在40~45MPa之间，延伸压力在36~39MPa之间，压裂后瓦斯抽采纯量效率提高10倍以上，煤层由难以抽采煤层及可抽煤层变为可抽采煤层，煤层透气性系数提高50倍以上。7号煤层在该埋深条件下，压入水量109.72m³时，压裂范畴达到50~70m。

2 研究目与意义
2.1问题提出
煤层瓦斯是一种干净能源，但对煤矿生产而言是一种灾害源。如何实现采煤之前瓦斯预抽，达到资源开发运用和煤矿减灾双重目，始终是人们关注焦点。随着资源需求日益强烈、矿井开采深度增长以及国家一系列关于煤矿瓦斯灾害治理强制办法和煤层气开发运用勉励政策出台，都迫切规定有一套系统、完整瓦斯抽采工艺技术。新防突规定更加强调了区域瓦斯治理重要性，规定“不掘突出头、不采突出面”，以往突出煤层掘进“四位一体”方案已经难以满足新规定规定。重庆能投有限责任公司所属渝阳煤矿所采煤层为突出煤层，瓦斯灾害是制约煤矿安全、高效生产第一因素，现行瓦斯治理办法已难以满足高效生产需求，迫切需要一种新型区域和局部治理工艺，以彻底变化当前消突困难、工作面接替紧张局面。
水力压裂是一种集区域和局部瓦斯治理为一体新工艺。该工艺是将地面煤层气开发一种成熟技术移植到井下，依照煤体构造不同采用不同压裂方案，达到增透、提高抽采效率、缩短抽采时间目。水力压裂是一种适应性强、增透效果明显工艺技术，但还存在一系列问题需要解决，最突出是封孔技术，无论是封隔器封孔、水泥砂浆封孔、化学材料封孔都存在一定局限性，是制约水力压裂大规模推广核心。在钻孔方向与裂隙方向、地应力方向不匹配时压裂设计也是制约压裂效果重要因素。
渝阳煤矿煤层瓦斯含量大，煤层透气性系数低，井下钻孔抽采效果差，严重制约了瓦斯治理和防突效果，影响了工作面衔接和安全生产。为增大煤层透气性和提高抽采效果，进一步解放生产力，保证矿井建设和发展，通过大量调查、研究和翻阅各种技术资料，决定实行井下高压水力压裂。
本次在渝阳煤矿N3704西瓦斯巷(下)实行穿层钻孔水力压裂，力求增大7号煤层透气性，提高7号煤层瓦斯抽采效率，进而通过解放7号煤层对主采8号煤层形成保护作用，改进由于瓦斯制约而不利于生产被动局面，加强安全生产，提高生产效率，积极摸索通过水力压裂治理瓦斯新途径。
2.2研究内容
本项目研究重要内容涉及：
（1）研究煤岩层高压水力压裂基本原理及水高压力压裂技术合用性，调试HTB500型煤层压裂泵组，为应用高压水力压裂技术增大煤层透气性实验做好准备
（2）测定渝阳煤矿考察地点7号煤层基本物理力学参数，重要涉及7号煤层透气性系数、瓦斯含量、吸附常数、结实性系数、抗压强度等；
（3）制定渝阳煤矿高压水力压裂方案，设计最佳注浆、封孔工艺，并研究考察高压水力压裂效果方案；
（4）沿煤层走向和倾向上，在压裂孔周边通过施工检查孔，考察高压水力压裂范畴；
（5）沿煤层走向和倾向上，在压裂孔周边通过施工检查孔，考察高压水力压裂后瓦斯抽放浓度、抽放纯量和钻孔瓦斯衰减状况；
（6）在上述研究基本上，总结高压水力压裂增大煤层透气性、提高瓦斯抽放率效果，为应用高压水力压裂技术增大煤层透气性、提高瓦斯抽采效率推广做好准备工作。
项目研究思路：
先施工原则孔（或借助相邻瓦斯巷穿层孔），测定未进行水力压裂7号煤层参数。用HTB500型煤层压裂泵组对压裂孔进行高压水力压裂，使7号煤层中形成裂隙，通过施工一系列检查孔并考察各孔参数及出水状况，与原始原则孔或相邻瓦斯巷穿层孔参数进行对比。从而考察高压水力压裂先后煤层透气性系数变化和瓦斯抽放状况区别，得出高压水力压裂技术增大煤层透气性、提高瓦斯抽采率结论。
2.3研究意义
煤储层低渗特性是煤矿瓦斯抽采瓶颈，提高煤储层渗入性是解决问题核心。老式低渗煤储层瓦斯抽采只有依托减少钻孔间距、增长钻探工程量、延长抽采时间等办法来实现，但抽采效果并不抱负，体当前抽采浓度低，抽采率不达标，导致煤矿采掘接替紧张，回采和掘进过程中瓦斯超限频繁，安全隐患严重，这与构建本质安全型矿井不相符合，亟需新瓦斯抽采手段来变化这种困境。本项目旨在将地面煤层气开发水力压裂工艺移植到井下，建立一种新型瓦斯抽采工艺——煤矿井下钻孔水力压裂抽采瓦斯理论与技术，实现未卸压状态下煤储层增透，从主线上解决瓦斯抽采困难局面。
进行水力压裂增大煤层透气性、提高瓦斯抽放率研究意义如下：
（1）水力压裂是一项在未卸压条件下实行煤储层增透技术，有助于煤矿瓦斯抽采，实现区域消突。
国内95%以上高瓦斯和突出矿井所开采煤层属于低透气性煤层，渗入性系数在10-3～10-4 md数量级上，瓦斯抽放（特别是预抽）半径小、封孔困难，瓦斯抽采浓度低，导致抽采率低下，瓦斯超限频繁，对煤矿通风导致巨大压力，严重威胁煤矿生产安全。
将地面煤层气开发水力压裂强化技术移植到井下，实现未卸压条件下煤层增透、增大抽放半径，减少钻探工程量，提高抽采浓度和抽采效率，缩短抽采时间、最大限度消除瓦斯灾害，具备节约资金，减少投资，见效快特点，为煤矿安全、高效生产提供保障。
（2）水力压裂注入水对煤基质内部瓦斯有“封堵”作用，增长煤层瓦斯残存量，减少煤炭回采过程中瓦斯瞬时大量涌出，有助于煤矿井下瓦斯抽采。
水力压裂增透仅仅是新形成裂缝附近渗入率得到极大改进，即导流能力得到加强，但是煤基质内部渗入率并没有发生变化，而煤层注水后形成水化膜和毛细管压力又增长了启动压力梯度，渗入率越低启动压力梯度越大，对瓦斯涌出抑制作用越明显。煤层注水抑制瓦斯涌出在“水法采煤”中也得到了佐证，其瓦斯相对涌出量普通要比“旱法采煤”低30%以上，因而水力压裂在增透同步而减少了煤层瓦斯涌出量，两者并不矛盾，而是相辅相成。因而煤矿井下水力压裂在增透同步还起到抑制瓦斯涌出作用，有助于煤矿井下瓦斯抽采。
（3）水力压裂注入水可以煤力学性质，削弱了“硬煤”力学强度，有助于井下采煤，增强了“软煤”力学强度，有助于防治煤与瓦斯突出。
煤层如果属于“硬煤”（原生构造煤和碎裂煤），煤体构造致密，力学强度对采煤效率影响较大，例如放顶煤采煤时，如果煤体强度过大还也许浮现放顶困难，而煤层注水后，水顺着裂隙、孔隙进入煤中，湿润煤块。水分子侵入，削弱了颗粒间联系，使得煤力学性质减少，将提高放顶煤开采中顶煤回收率。煤层如果属于“软煤”（碎粒煤甚至糜棱煤），力学强度很小，易发生煤与瓦斯突出，又称“突出煤”，但煤层注水后，煤颗粒之间随着散体含水量增大，整体剪切强度增长，对防治煤与瓦斯突出是有利。
（4）高压水能变化局部原始应力状态，促使瓦斯压力和地应力两场实现“均一化”，有助于防治煤与瓦斯突出和冲击地压发生。
煤矿井下水力压裂是在高压水作用下，劈开煤储层形成裂缝一种“外载荷作用”，水力压裂高压水将在一定范畴内变化煤储层原始应力状态，对其应力场都是一种严重扰动。这种高压外载荷有助于使煤储层应力场和压力场在一定范畴内实现均一化，避免在某一点或某一方向过于集中，在某种限度上也是实现区域消突有力手段。因而井下水力压裂有助于煤储层应力场和压力场均一化，是防治煤与瓦斯突出和冲击地压有效手段。
（5）水力压裂泵注入大量清水湿润煤体，有助于减少煤尘，改进工作环境，避免煤尘爆炸。
煤尘是煤矿重要灾害之一，超标煤尘不但损害井下工人健康，增长尘肺发病率，甚至导致煤尘爆炸，特别是瓦斯爆炸时，煤尘一旦参加，事故会更加严重，因而井下降尘是避免煤尘灾害重要办法。水力压裂泵注大量水可以湿润煤体，煤尘间液体桥联力促使尘粒凝聚变大，并迅速沉降，起到井下防尘作用。
（6）实行煤矿井下水力压裂增透可以提高抽采瓦斯浓度，实现抽采瓦斯商品化，减少排空对环境污染。
国内特别是南方矿井煤储层渗入性低，钻孔抽采瓦斯存在封孔难，漏气严重，抽采瓦斯浓度达不到商品规定而被大量排空，既挥霍资源又污染环境。甲烷浓度低于30%就属低浓度瓦斯，当前国内重要用于辅助燃烧，但运用率极低，安全输送（重要有细水雾输送和气水二相流输送）仍是亟待解决难题。通过水力压裂变化储层低渗状态对提高抽采瓦斯浓度有重要意义。
综上所述，研究水力压裂移植到井下进行瓦斯抽采有关理论和技术，在理论和生产实际两个方面都具备重要意义。
用高压水力压裂办法增大煤层透气性、提高瓦斯抽采率，尚有如下资源意义和经济意义：
（1）资源意义
随着经济发展、人民生活水平提高，将会对瓦斯这种干净能源需求将越来越大。井下水力压裂明显增长了煤层透气性，在无需过高抽采负压状况下即可实既有效抽采，加上封孔技术改进，可最大限度减少抽采过程中漏气现象，提高抽采瓦斯浓度，为瓦斯运用奠定基本。
（2）经济意义
①减少了瓦斯抽采钻探工程量和采煤过程中通风量，进而产生直接与间接经济效益；
② 减少岩巷掘进量；
③ 获取较高浓度瓦斯，便于加工运用，可以获取直接经济效益；
④ 通过CDM出售减排指标获取间接经济效益；
⑤ 提高煤矿安生成产效率，产生间接经济效益。

3 高压水力压裂提高煤层透气性原理及合用性分析
3.1国内外研究现状
在煤矿井下煤层增透抽采瓦斯领域，现行抽采工艺可概括为两个方面：卸压增透抽采和未卸压抽采。前者需要采掘工程先行，如保护层开采、高位钻孔抽采、地面采动区抽采等。未卸压抽采完全取决于煤层透气性。本项目实行水力压裂实现了未卸压增透抽采。当前，在未卸压抽采煤矿瓦斯（煤层气）领域国内外获得了如下进展。
世界煤层气地面开发经历了30余年历史，基本形成了一套系统工艺技术。国内在经历了20余年艰难摸索后，在山西沁水盆地、河东煤田、辽宁阜新等地区实现了局部商业化开发。而支撑整个煤层气行业是地面垂直井水力压裂完井工艺，尽管丛式井和水平分支井也在积极实验，但苛刻地质与施工规定，在近期内难以大规模推广。无论是上述哪种完井工艺，都规定煤层气储层为原生构造或碎裂构造。由于，只有此类储层可进行压裂强化增透。而对于碎粒煤和糜棱煤储层，由于其自身力学性质决定了无法煤层自身进行压裂改造，当前还是地面煤层气开发禁区。针对这种软煤，河南理工大学、中华人民共和国矿业大学等提出了虚拟储层强化工艺，即对不可进行本煤层压裂煤层，对其顶板或底板围岩进行压裂，煤层中瓦斯以扩散形式运移到顶底板裂隙中从而被抽采。这种工艺近期在山西古交、陕西韩城地面煤层气开发井得到了成功实验，在河南鹤壁、阳泉井下钻孔煤层压裂获得初步成功，在河南鹤壁井下钻孔虚拟储层压裂实验获得初步效果。
瓦斯治理办法众多，如区域治理办法中保护层开采、地面采空区抽采等，但局限性大，效果差别悬殊。瓦斯治理重要手段为抽采，最惯用是把煤层作为抽采对象。但是，对于原生构造和碎裂煤而言，天然裂隙连通性较差，且钻进过程中井孔附近存在污染，如果不采用增透办法，抽采效果差。突出煤层往往为渗入性极差、强度极低碎粒煤和糜棱煤，直接从其中抽采瓦斯不但钻进困难，并且抽采效果差，钻孔抽采半径非常小、封孔困难致使抽采瓦斯浓度难以长期稳定。往往以密集布孔、高工程投入为代价进行抽采。各种水力化办法，特别是水力挤出在煤巷掘进消突中起到了一定作用，但也存在不尽人意方面。
当前井下钻孔水力化增透尽管获得了一定效果，但不够明显，尚没有达到盼望效果，且存在诱发突出也许，因此难以得到广泛推广。从井下钻孔本煤层水力挤出实验看，当压力通过最大值，煤体破裂后，注入流量急剧增长，这时正是裂缝延伸阶段，但却停泵。因素有三：一是观念上错误，以为此时煤体已经破裂，透气性已经增长，无需进一步压裂；二是由于泵能力有限，没有采用大排量泵注，压裂液严重滤失，达不到扩展、延伸裂缝目。如果此时采用大排量泵继续注入，裂缝会大规模延伸，也许还会浮现第二次破裂，这样才可达到增长单孔抽采半径和抽采效率目。这正是以往压裂存在核心问题，也是本项目要重点突破难题；第三是对煤层水力压裂原理结识还不够进一步，从水力挤出封孔位置、压裂对象、压裂成果而言，还存在不能用压裂原理解释现象。同步水力挤出为浅孔、在软煤中进行，以松动煤体增透为基本。
3.2 水力压裂原理及合用性分析
井下水力压裂基本原理将压裂液（清水）高压注入煤岩层，克服最小主应力和煤岩体破裂压力，使得煤层中原有裂缝充分张开、延伸、互相沟通，达到增透、导流目。水力压裂压力时间曲线反映了水力压裂原理，典型水力压裂（加砂）曲线如图3-1所示。

图 3-1 典型水力压裂压力曲线
在图3-1中，各符号意义如下：
延伸压力PE应为：
PE= PE、+△Pf-PW （3-1）
式中：PE——延伸时压力；
△Pf——压裂孔中摩擦压降；
PW——压裂孔中静液柱压力；
在施工结束或在其她时间停泵时压力成为瞬时关闭压力PISI。瞬时关闭压力加上静液柱压力即为停泵后瞬时井底延伸压力，即
PE、=PISI+PW （3-2）
停泵后压裂孔及裂缝中流动所有停止，可以看出，停泵先后压力差PE- PISI正是各处流动阻力。
裂缝闭合压力PC是裂缝刚刚可以张开或正好没有闭合压力，缝中闭合压力应为：
PC=σ、min+PS （3-3）
式中：σ、min——地层中最小有效主应力；
PS——裂隙液压力。
由于σ、min=σmin- PS，因而有:
PC=σmin- PS+ PS=σmin （3-4）
上式阐明裂缝闭合压力等于地层最小主应力。
由压裂曲线可知，在压裂初期施工压力急剧增长，当达到破裂压力（F点）后，煤岩体发生破裂，施工压力下降。但此时仅仅是裂缝破裂而已，还没有充分延伸，如果此时中断压裂，增透效果并不明显，还需继续注入压裂液使裂缝充分延伸。当压裂泵停止工作之后，由于注水压力迅速减少，裂缝开始闭合，但在这个过程中裂缝还在延伸，图中C点相应裂缝闭合压力。随着压力再次减少，压力时间曲线在S点之后趋于平稳，S点相应地层压力。
由压裂曲线可知，在压裂初期施工压力急剧增长，当达到破裂压力后，煤岩体发生破裂，施工压力下降。但此时仅仅是裂缝破裂而已，还没有充分延伸，如果此时中断压裂，增透效果将不会明显。还需继续注入压裂液使裂缝充分延伸。理论上只要裂缝可以在压裂层段内延伸，不进入顶底板，注入压裂液越多越有利。实验室实验也得到了同样结论，在压力最大、声发射最强时，气体产出速率最低，当破裂后压力减少阶段（也是裂缝延伸阶段），气体产出速率迅速增长。
3.2.1高压水对煤体构造力学作用定性分析
高压水注入煤层中存在两种状况：一种是进入具备弹性原生构造煤和碎裂煤，一种是进入塑性碎粒煤和糜棱煤。
（1）原生构造煤和碎裂煤水力压裂
对于弹性体水力压裂而言，其原理是将流体以不不大于地层滤失速率排量、克服最小地应力、流体压力和岩体抗拉强度注入煤岩体，使原有裂缝进一步扩张、并形成新裂缝，导致一种互相连通裂缝体系，最后增长煤体渗入性，达到加速瓦斯产出目。高压水进入此类煤体时，压裂过程可描述为“压裂—充水张开—再压裂—再充水张开……”。煤层注水压裂破坏正是借助流水在煤层各级弱面压裂充水，借助弱面两壁面支撑作用，使弱面发生张开、扩展和延伸，从而对煤层形成内某些割。

图3-2 高压水进入弹性煤体压开示意图（1—级弱面；2—二级弱面；3—三级弱面）
高压水在具备弹性原生构造煤和碎裂煤层中运动过程可表达为图3-2。通过以上分析，高压水在弹性煤体中压裂过程，重要依赖于煤体弹性作用以及弱面支撑作用。
（2）塑性阶段煤体水力压裂
高压水进入此类煤体时时，可描述为“寻找最弱缝隙—撑开—再寻找最弱裂缝……”，但值得注意是，这个过程是在很小尺度上进行。

图3-3 高压水进入塑性煤体“压开”示意图（1—压力集中点；2—最弱面；3—穿刺点）
通过积累最后形成宏观。由于煤体被破坏成塑性材料，已经不存在原生规则裂隙，高压水进入后不能“循规蹈矩”，而是在某点形成压力集中，当压力再次上升，又寻找下一种压力集中点，这些压力集中点轨迹就形成了高压水“压裂裂缝”，由于在每个点只能存在一种最弱裂缝，因而“压裂裂缝”也体现为单同样式，可表达为图3-3。
3.2.2水力压裂合用性分析
通过以上分析，煤体破碎限度在BD段（见图3-4）时，煤层气最易产出，此段称之为最佳渗入率煤体构造窗口，所有水力压裂工作目的就是要使煤体构造达到这个窗口阶段，位于该阶段煤体进行压裂可使裂缝宽度和连通性进一步增长。由于煤体处在不同构造阶段，因而，水力压裂也具备一定合用性（见表2-1）。

图3-4 煤体构造与应力应变关系

表2-1 水力压裂合用性
煤体构造
与否合用于水力压裂
因素
原生构造煤
合用
需要启动裂缝
碎裂煤
较合用
可通过压裂增透
碎粒煤
不合用
无法产生有用裂缝
糜棱煤
不合用
无法产生有用裂缝

4 渝阳煤矿及7号煤层概况
4.1矿井概况
渝阳煤矿属南桐煤田大坪子井田范畴。位于重庆市松藻矿区中部，紧临渝黔交界处，行政区划属重庆市綦江县安稳镇和石壕镇所辖。地理坐标为东经106°40′～106°46′，北纬28°34′～28°40′。主井口坐标X：3167255.169，Y：36373136.887。高程：470.045m。评价区：南以原勘探标高±0m为界，西以羊叉河与打通一矿为界，北以-200m标高与小渔沱井田为界，东以羊叉滩背斜轴为界。评价区呈一东西向长条带形分布，走向长5700m，倾向宽710～940m，面积4.70Km2。
渝阳煤矿始建于1966年，1971年投产，设计井型45万吨/年，采用斜井开拓。工业广场及主、副斜井和回风平硐建在金鸡岩，在杨地湾设副工业广场，建有副井一对（供人行及提矸石用）和310总回风斜井。运送大巷设计在距M12煤层之下40m茅口石灰岩中。开采方式为倾斜长壁式。薄煤层、中厚煤层均为综采，机械通风，水泵排水，胶带输送机持续运煤、电机车运矸，绞车提高、矿灯照明。

图4-1 北三区地层综合柱状图
渝阳煤矿所在矿区含煤地层为二叠系上统龙潭组属海陆过渡带潮坪～深湖～碳酸盐台地内侧海沉积体系成煤环境,煤系地层见图4-1。
渝阳煤矿投产以来，主采煤层为8号和7号煤层， 6-3号和11号煤层次之，采空面积10.25Km2。采区回采率85.3%，矿井回采率61%，投产以来产出煤量1787.03万吨。开采煤层厚度：6-3号煤层0～1.13m，平均0.54m； 7号煤层0～1.40m，平均0.80m，在N3704西瓦斯巷上方位置处，厚度为0.84m； 8号煤层0.9～4.44m，平均2.35m； 11号煤层0～1.20m，平均0.70m。8号煤层为全区可采， 7号为大某些可采， 6-3号和11号煤层为局部可采。该矿重要可采为8号煤层，大某些可采7号煤层，局部可采6-3号煤层、11号煤层。各煤层厚度最小值、最大值及平均值见表4-1。
表4-1 渝阳煤矿各煤层厚度表
煤层
6-3
7
8
11
12
最小-最大
（m）
0~1.45
0.66~1.03
2.36~3.78
0.27~1.76
0.42~0.93
平均（m）
1.02
0.84
2.96
0.67
0.60
该矿井为煤与瓦斯突出矿井，保护层以7号煤层为主，6-3号煤层及11号煤层为次、8号煤层为被保护层。当前开采最低水平为+150m，最大开采深度555m；茅口运送大巷已下至标高-200m，为延深开拓作准备。
随着安稳电厂（坑口电站）建设，该矿于安稳电站附近又开拓了皮带斜井，斜井井口坐标X：3169927.22，Y：36377551.47，H：492.24m，井口层位为三叠系下统嘉陵江组四段上部（T1j4），坡度16°，落平标高+150m，准备开采+150～+355m和+150～-200m标高间煤层，直接供安稳电厂发电。
4.2 7号煤层基本物理性质及实验测试
4.2.1 7号煤层基本性质
（1）概述
7号煤层总厚0.66～1.03m，平均0.84m，中段136-6、CK4号孔揭露煤层不达可采厚度，别的所有达可采厚度。本煤层为简朴构造薄煤层，半暗型煤、沥青光泽，性坚硬，参差状断口，节理发育。煤层可采性指数0.71，厚度原则差0.266，变异系数33％，为较稳定大某些可采煤层。整体上看，M7煤层为半亮～半暗型煤，呈碎块状～块状，较硬，构造简朴。该煤层原煤发热量26.21～26.25MJ/kg，属高热值煤。发热量高低与煤层灰分含量成正比，即煤层灰分含量低、则发热量高，反之，则发热量低。依照国家安全生产重庆矿用设备检测检查中心9月24日对渝阳煤M7煤层自燃发火倾向检查结论：根据BG/T217-1996《煤真相对密度测定办法》、GB/T4-《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》所检样品煤层自燃倾向性级别为Ⅲ类，属不易自燃煤。
7号煤层为突出煤层，普通选取该煤层为上保护层超前开采。矿井各煤层瓦斯含量较高，煤层透气性极差，瓦斯涌出量大。+335m开采水平实测7号煤层瓦斯压力为1.94Mpa，瓦斯含量达15.68m3/t，孔隙率达15.652%。
在N3704西瓦斯巷进行高压水力压力之迈进行了施工了原则钻孔，施工地点埋深750m左右，施工过程中对7号煤层进行了取样，并测试7号煤层基本参数。7号煤层工业成分分析见表4-2。
表4-2 7号煤层工业成分表

Mad
Ad
Vd
Fcd
Std
Qgr.ad
(MJ/Kg)
最小值
0.62
19.46
8.63
49.46
2.61
22.90
最大值
2.14
39.51
11.03
70.59
3.91
27.96
平均值
1.48
24.72
9.67
65.60
2.98
26.21
（2）吸附常数及煤层瓦斯含量测定
煤吸附参数a、b值测定在煤炭科学研究总院重庆研究院HCA型高压容量法吸附系统上进行。实验时煤样通过粉碎后，用60~80目筛子进行筛去0.2~0.25mm煤样，真空干燥后，在恒温状态下放入吸附缸进行脱气，向吸附缸内冲入一定压力甲烷气，使吸附缸内压力达到平衡，某些气体被吸附，某些群体以游离状态处在死体积中，已知充入甲烷体积，扣除死空间有力体积，即为吸附体积。重复这样实验，就可以得到各压力段平衡压力与吸附体积量，连接起来即为吸附等温线，从而求得吸附参数a、b值。实验测定成果表白，7号煤层a、b值分别为20.4352m3/t、0.9873MPa-1。
煤层瓦斯含量是计算瓦斯储量与涌出量基本数据，也是考察水力压裂效果、预测煤与瓦斯突出危险性重要参数，精确测定煤层瓦斯含量有重要意义。煤矿普通用DGC瓦斯迅速含量测定仪测算煤层瓦斯含量，测定办法如下：
①通过记录煤样从钻孔煤层深部取出到封入煤样筒中时间，结合在井下及时测量煤样筒中煤芯瓦斯解吸速度及瓦斯解吸量，来推算煤芯封入煤样筒之前损失瓦斯含量（W1）；
②将煤样筒带到地面实验室后，测量从煤样筒中煤芯泻出瓦斯量，与井下测得瓦斯解吸量一起计算出煤芯瓦斯解吸量（W2）；
③称取煤样筒中某些煤芯（与所有煤样具备相似性）两份，逐份装入密封粉碎装置中加以粉碎，测量在粉碎过程中（粉碎时间3～5min）及粉碎后一段时间（约5min）内所解吸出瓦斯量，并以此为基准计算出全煤芯在粉碎后瓦斯解吸量（W3）；
④常压吸附瓦斯含量（Wc）为常压下煤样吸附瓦斯含量，为常压不可解吸量，可采用朗格缪尔方程在原则大气压力条件下进行计算：
（4-1）
式中：
a、b——吸附常数；
P——煤层绝对瓦斯压力，MPa；
Ad——煤灰分，%；
Mad——煤水分，%；
——煤孔隙率，%；
——煤容重（假比重），t/m3.
煤样可解吸瓦斯含量为Wa=W1+W2+W3，而煤瓦斯含量为W=Wa+Wc。
渝阳煤矿备有重庆煤科院研制DGC型迅速瓦斯含量测定仪，7号煤层瓦斯含量有矿方自行测定，以从压裂孔中获得7号煤样测试成果为例，测定成果如下。

图4-2 30分钟井下瓦斯解吸量及其拟合曲线
图4-2为30分钟井下瓦斯解吸量及其拟合曲线，测算得到W1=3.4074m3/t，W3=3.1012 m3/t，W3=6.6054 m3/t，Wa=13.114 m3/t，WC=2.5633 m3/t，则有W=15.6773 m3/t。
其她孔测定成果见表4-3。
表4-3 检查孔煤层瓦斯含量测定成果
采样地点
数据来源
瓦斯含量（m3/t）
压裂孔
实测
7#煤
15.6773
8#煤
18.1613
距压裂孔向北
80m处（检1孔）
实测
7#煤
\
8#煤
18.3009
距压裂孔向北
70m处（检2孔）
实测
7#煤
11.3770
8#煤
12.7720
距压裂孔向北
60m处（检3孔）
实测
7#煤
16.4655
8#煤
16.3746
距压裂孔向北
50m处（检4孔）
实测
7#煤
16.3145
8#煤
8.6247
距压裂孔向南
60m处（原则孔1）
实测
7#煤
12.6246
8#煤
9.8866
平均值
14.2345

（3）瓦斯压力测定
7号煤层瓦斯压力由位于N3702西瓦斯巷测压孔测得，原则孔设计参数、封孔及压力状况如表4-4所示，钻孔瓦斯压力上升曲线如图4-3所示。
表4-4 原则孔（测压孔）钻孔参数表
孔号
方位角(°)
倾角(°)
设计孔深(m)
终孔位置
封孔长度
钻孔功能
压力
测压孔孔
0
77
54.6
M7煤层顶板
封孔值7号煤层底板
压裂前参数测试
1.94MPa

图4-3 7号煤层瓦斯压力测定曲线
(4)煤层透气性系数测定
煤层透气性系数是反映煤层瓦斯流动难易限度标志，煤层透气性系数测定可以分为实验室内测定和现场测定，由于煤层自身又是非均值各向异性介质，因而，煤层透气性系数必要通过实际测定才干拟定。
现场测定煤层透气性系数惯用办法是以中华人民共和国矿业大学周世宁专家提出采用钻孔瓦斯自然排放量随时间变化规律进行计算，规定等压力稳定后要对测压钻孔进行放气，记录钻孔瓦斯流量随时间变化规律，详细做法是一方面垂直煤层打一贯煤层钻孔，密封钻孔并测出煤层原始瓦斯压力，测完压力后，打开阀门，使钻孔内压力降至大气压力，测定出各个时刻钻孔自然瓦斯排放量，代入有关公式进行计算就可以得到煤层透气性系数；另一种是运用钻孔瓦斯压力上升随时间变化状况进行计算办法，规定必要是自然升压，积极式测压方式无法计算。初期，压力上升较快，应每天观测，后来压力趋于稳定，观测时间可恰当延长，直到瓦斯压力达到最大值，然后用公式计算出煤层透气性系数。由于第一种办法需要对测压钻孔进行放气，有原则孔作为预抽观测孔，不能进行放气。
钻孔瓦斯流动是径向不稳定流动，求出其流动方程解析解是困难。中华人民共和国矿业大学在实验室用相似模型实验办法进行实验，并以相似准数表达了实验成果。
径向不稳定流动计算公式为：
（4-2）
式中： Y——流量准数，无因次；
——时间准数，无因而；
a,b——无因次系数。
（4-3）
t （4-4）
式中：P0——煤层原始绝对瓦斯压力(表压力加0.1)，MPa；
P1——钻孔中瓦斯压力，普通为0.1Mpa；
——煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)；
——钻孔半径，m；
q——在排放时间为t时、钻孔煤壁单位面积瓦斯流量，m3/(m2·d)；
(4-5)
Q——在时间为t时测出钻孔流量，m3/d；
L—一钻孔见煤长度，普通为煤层厚度，m；
t——从钻孔卸压到测定钻孔瓦斯流量时间，d；
a——煤层瓦斯含量系数，；
(4-6)
X——煤瓦斯含量，m3/t；
P——拟定煤瓦斯含量时瓦斯压力，MPa。
阐明：公式（4-6）是一种常用计算瓦斯含量办法，该式是经验性公式，在低瓦斯压力下较精确。由于该式形式简朴，参数较少，常被应用在各种形式计算中。另一种惯用计算瓦斯含量办法是运用朗格缪尔（Langume）方程计算。
为了简化计算，导出如下计算透气性公式：
（4-7）
（4-8）
其中： ， t
由于流量准数与时间准数关系难以用简朴公式表达，故准时间准数分段表达，得出如下专门计算透气件系数公式：

由于计算透气性系数公式式子较多，须采用试算法来拟定选用计算式。即先选用其中任一种式子计算出值，然后将算出值代人公式，校验与否在选用公式合用范畴内。如在试用范畴，则选式对的，算出值即为煤层透气性系数；如不在合用范畴，则需重新选公式计算值，更新校验值与否在选用公式合用范畴内。
测定透气性系数时应注意如下事项：
（1）打测压钻孔时要注意有无喷孔，如有喷孔，应测定喷出煤量，然后折共计算孔径；
（2）测定钻孔瓦斯流量时，可在不同步间多测几种瓦斯流量值，以便分析距钻孔不同距离煤体透气性变化规律；
（3）卸压后到测定流量时间长时，钻孔见煤长度可不取实测值(如钻孔与煤层面斜交)，而取等于煤厚；如时间短，则L值可取为钻孔见煤长度。
渝阳煤矿7号煤层透气性系数测定借助N3702瓦斯巷测压孔进行测定，测定过程中获得参数分别代入相应公式，算煤层透气性系数，计算成果如表4-5所示。
表4-5 7号煤层透气性系数计算成果表
原始压力
/MPa
大气压力
/MPa
孔径
/m
煤层厚度
/m
测试时间
/d
瓦斯含量系数/
Q
/ m3/d
单位面积瓦斯流量/m3/(m2·d)
透气性系数/
m2/(MPa2·d)
1.94
0.1
0.0375
0.86
38
13.33
7.488
36.95
0.0099

4.3 7号煤层基本力学性质实验测试
煤力学性质研究，可为煤矿采、掘机械化及有关参数计算提供一定参数，在煤与瓦斯突出矿井中，可通过深人研究煤力学性质，为瓦斯突出预测和防治获得定量指标，也将为结识突出机理提供定量参数。

图4-4 结实性系数测试装置

7号煤层结实性系数f值由重庆煤科科学研究分院测试完毕，测试装置示意图及实物如图4-4所示。测试时对7号煤层上、中、下某些别采样测定，测定成果显示上部硬分层f值不大于0.006，中部软分层f值不大于0.1，下部硬分层f值为0.3947，该煤层总体上较软。在施工穿层孔过7号煤层时，发生过轻微喷孔现象，通过钻孔套筒取煤芯办法难以获得较完整煤样，因而只能通过实验室制取型煤样办法测试7号煤层基本力学参数。
型煤样制作办法如下：将采集7号煤层煤样在实验室粉碎机上粉碎，并筛取粒径60～80目煤样若干，洒入适量清水，达到手试成团效果后，在万能材料实验机上，运用加压成型装置以100MPa加压成型。试件加工尺寸为50mm×100mm，如图4-5所示。将型煤试件放置于80˚C烘箱内烘烤，使试件水份与前述原煤工业分析水份相称，并及时将煤样置于塑料袋内密封保存，以备实验用。

图4-5 制作7号煤层型煤样

图4-6 煤样典型应力应变曲线

表4-6煤样基本力学参数
煤样
极限强度/
弹性模量/GPa
泊松比（）
7号层
0.67
13.4
0.31
原则煤样力学性质测试实验在重庆大学MTS815岩石力学测试系统上进行。测得煤样在单轴状态下应力应变曲线如图4-6所示，通过度析计算得到煤样基本力学参数如表4-5所示。
实验成果表白7号煤层型煤样单轴压缩强度仅为0.67MPa，弹性模量较低，泊松比较大，阐明该煤层型煤样极易变形，属于软煤层。
4.4 7号煤层穿层钻孔水力压裂可行性
7号煤层位于煤系中部,上距B44.13～8.08m，平均5.73m，下距B3(M8)5.07～7.80m，平均6.24m。煤层顶板以砂质泥岩、粉砂岩为主，有时有细砂岩；直接底板为灰白色粘土岩。煤层总厚0.66～1.03m，平均0.84m，中段136-6、CK4号孔揭露煤层不达可采厚度，别的所有达可采厚度。本煤层为简朴构造薄煤层，半暗型煤、沥青光泽，性坚硬，参差状断口，节理发育。煤层可采性指数0.71，厚度原则差0.266，变异系数33％，为较稳定大某些可采煤层。
8号煤层位于煤系中部，上距M7-2 5.07～7.80m，平均6.24m，下距B1辅18.30～28.11m，平均24.72m。煤层顶板岩性以泥岩、砂质泥岩为主，局部为炭质泥岩、泥质粉砂岩；底板以泥岩、砂质泥岩为主。煤层总厚度2.36～3.78m