瓦斯抽采水力压裂增透技术.doc

瓦斯抽采水力压裂增透技术

六枝工矿（集团）化处煤炭分公司
2023年4月

一、矿井煤层瓦斯赋存情况
化处煤炭分公司为六枝工矿（集团）有限责任公司下属公司（以下简称化处煤矿），位于大煤山背斜西翼，矿区总面积11.1698km2，主采7号煤层。设计生产能力30万t/a，核定生产能力36万t/a。
7号煤层厚度为0.33～9.80m，一般3～4m，平均倾角22°，瓦斯放散初速度为16、煤层透气性系数为0.3262～0.7601m2/（MPa2.d）、钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0562～0.8167d-1、坚固性系数为0.11。煤层瓦斯压力超过1.3MPa，瓦斯含量超过15m3/t。7号煤层煤尘有爆炸危险，自燃倾向等级为二类自燃，最短发火期为1个月。
二、瓦斯抽采水力压裂增透技术应用
1、水力压裂增透技术实行背景
化处煤矿单一开采7号煤层，不具有保护层开采条件，煤层透气性差，常规瓦斯抽采技术预抽困难，煤层松软，钻孔塌孔、卡钻、喷孔现象严重，钻孔流量不稳定、衰减速度快，难以保证抽采效果，瓦斯治理投入大等。为解决上述问题，于2023年终分别在2372机巷、机巷迎头和1470底板抽放巷实行了本煤层和底板穿层水力压裂增透技术。
2、压裂钻孔的布置及参数
⑴2372机巷施工本煤层上行钻孔1#、2#、3#，压裂孔间距依次为25m和30.6m，3个压裂孔控制压裂区域110米左右如图2-1，钻孔参数如表2-1。2#、3#压裂孔间施工9个抽采孔，1#、2#压裂孔间施工8个，1#、3#压裂孔外各施工5个，抽采孔间距由2米提高到3米。
⑵2372机巷迎头施工4#、5#压裂孔如图2-2，钻孔参数如表2-2。
⑶在1470中巷19#、20#、21#钻场施工1个压裂孔、1个卸压孔，并在钻场间巷道中部施工高角度孔各1个，共计5个压裂孔如图2-3，钻孔参数如表2-3。

图2-12372机巷本煤层水力压裂钻孔布置图
表2-12372机巷本煤层水力压裂钻孔参数
类型
孔深/m
孔径/mm
封孔深度/m
方位角/°
倾角/°
本煤层1#
55
89
30
67
23
本煤层2#
60
89
30
67
23
本煤层3#
55
89
30
67
23

图2-22372机巷迎头水力压裂钻孔布置图
表2-22372机巷迎头水力压裂钻孔参数
类型
孔深/m
孔径/mm
封孔深度/m
与巷道掘进方向/°
倾角/°
迎头4#
61
89
30
-11°50’
-5°13’
迎头5#
60.5
89
30
6°39’
0°27’

图2-31470中巷水力压裂钻孔布置图

图2-419#钻场钻孔布置剖面示意图
表2-41470中巷水力压裂钻孔参数
类型
孔深/m
孔径/mm
封孔深度/m
倾角/°
中1#
54.4
89
52.4
7
中2#
23.4
89
21.4
49
中3#
45.5
89
43.5
7
中4#
25
89
23
71
中5#
36.5
89
34.5
7
3、压裂范围的拟定
⑴每组压裂孔设计3个，每组压裂钻孔间距为30m，1号孔为压裂孔，设计在1470机巷掘进条巷道中间，2号为卸压孔，设计在1470机巷掘进巷道上帮轮廓线往上20m位置，3号孔为卸压孔，设计在1470机巷掘进巷道下帮轮廓线往下20m位置，压裂孔压裂半径为：纵向40m，横向30m。
⑵在每压裂一组压裂孔时，必须先将该组的2号卸压孔用高压堵头堵严，压裂管接在1号压裂钻孔上，开始实行压裂，当高压水压力达成规定后，高压水穿透煤层后从3号卸压孔流出后，压力开始下降，证明该压裂孔已压透机巷掘进条带巷道轮廓下帮20m，待压力完全卸压后，再将3号卸压孔用高压堵头堵严，压裂管接在1号压裂钻孔上，开始实行压裂，当高压水压力达成规定后，高压水穿透煤层后从2号卸压孔流出后，压力开始下降，证明该压裂孔已压透机巷掘进条带巷道轮廓上帮20m，待压力完全卸压后，再将2、3号卸压孔全堵上，对1号孔再次进行压裂，直至该组1号压裂孔与另一组压裂孔的1、2、3号钻孔穿透勾通，说明压裂半径已达成设计规定，该组压裂结束，以此依次顺序往下进行压裂。
4、增压区及卸压区鉴定
煤层压裂增透技术，重要是通过高压水切割煤层，使煤层产生裂隙，由于高压水的注入，势必破坏原有煤层瓦斯应力，在注入的过程中，压裂区域自然属于增压区，然而，在划定的控制范围内当达成一定的水压，与事先布置的卸压孔进行导通后，不仅有部分压裂水会从卸压孔内流出，同时也会随着高浓度瓦斯溢出，此刻，压裂控制范围自然而然从开始的增压区演变成为卸压区。那么，压裂控制范围以外的区域由于受高压水力的挤压，会形成一个围绕压裂控制范围的高压区域，为了防止人为形成的高压区域威胁此后的生产安全，最为有效的手段是压裂结束后及时施钻接抽，通过抽放，将高压区不断向卸压区涌入的瓦斯及时抽出，同时也体现出了压裂增透技术是将煤层吸附瓦斯变为游离瓦斯，增长抽放效果的宗旨。
5、水力压裂效果考察
⑴瓦斯抽采效果分析
①2372机巷本煤层1#、2#、3#压裂孔压裂完毕后1月18日开始联网抽采，压裂孔、压裂区域的抽采孔浓度、瓦斯抽采总量如图2-5～2-10。

图2-52372机巷本煤层1#压裂孔抽采浓度曲线

图2-62372机巷本煤层2#压裂孔抽采浓度曲线

图2-72372机巷本煤层3#压裂孔抽采浓度曲线

图2-82372机巷本煤层2#、3#压裂孔间抽采孔浓度曲线

图2-92372机巷本煤层压裂区域支管孔抽采浓度曲线

图2-102372机巷本煤层压裂区域支管日抽采瓦斯纯量曲线
由图2-5～2-10可以看出，2372机巷本煤层压裂孔瓦斯浓度为85%以上，抽采100天后未明显衰减，仍在70%以上。压裂范围内抽采孔，抽采90天后，部分抽采孔浓度仍维持在30%以上。压裂控制区域日抽采瓦斯纯量一般在5000m2以上，抽采期延长到100天以上，压裂区域抽采总量80万m2，区域预抽率达成57%，实现抽采达标。
压裂抽采后测试2372机巷压裂区域本煤层残余瓦斯压力小于0.74MPa，残余瓦斯含量小于4.3m3/t，压裂抽采区域消除了突出危险性。
②2372机巷掘进迎头在施工完4#、5#压裂孔后，开始抽采迎头瓦斯，抽采时间为8天，抽采纯瓦斯量4907m3，消突效果明显。在压裂以前的掘进循环中，一般要抽采15天以上，压裂后抽采时间大幅度减少，抽采量与常规掘进抽采总量相称，且略有提高。
③1470中巷压裂后及时测试常规10#瓦斯抽采钻场，监测瓦斯浓度、抽采负压、管路压差，并计算钻场的瓦斯抽采总量，做为压裂区域的对比参考孔，在测试的21天内，共抽采瓦斯42141m3，日均抽采量2023m3。

图2-111470中巷常规10#钻场抽采纯瓦斯量
压裂后因钻机等其它因素19#、20#钻场30天后才打钻联网抽采，压裂后停滞时间较长。19#钻场测试23天内，共抽瓦斯7.37万m3，日均抽采量3200m3；20#钻场测试23天内，共抽瓦斯5.76万m3，日均抽采量2500m3。

图171470中巷压裂19#钻场抽采参数情况

图181470中巷常规20#钻场抽采参数情况
⑵工作面瓦斯涌出变化
2372机巷压裂前，掘进工作面放炮后瓦斯浓度多在0.6～0.85%，有时会出现瓦斯超限情况；压裂后掘进期间，炮后瓦斯浓度普遍降到0.3～0.4%，大幅减少了炮后瓦斯超限的也许性。
⑶防突措施工程量分析
①2372机巷外段施工的常规抽采孔间距在2m，后期补充部分抽采孔，使得大部分区段瓦斯抽采半径局限性1m；压裂后在1#、2#、3#孔压裂区域瓦斯抽采孔间距调整为3m，并且抽采效果显着提高。
②1470中巷常规钻场多施工30～50个抽采钻孔，19#、20#、21#钻场为压裂实验区域，均施工18个抽采孔，防突钻孔措施工程量至少减少40%以上，瓦斯抽采效果显着。
⑷影响范围分析
从压裂现场压裂孔互相贯通、煤水混合物涌出情况来看，压裂直观效果显着，2372机巷压裂范围为30m以上；1470中巷施工时，相距2#压裂孔60m以外的16#钻场大量煤水混合物涌出，压裂范围在30～60m范围内。
示踪剂测试1470中巷压裂裂隙、缝隙网络沟通情况时，各压裂孔、抽采孔互相连通，示踪剂均可以检测到，综合测试效果验证了压裂范围内增长了煤层透气性，裂隙范围增大的效果。
⑸压裂抽放效果分析
为有效压裂抽放效果，依据《防治煤与瓦斯突出规定》第五十五条（二）之规定“对穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施进行检查时，在煤巷条带每间隔20~30m至少布置1个检查测试点”布孔取样测试，实测残余瓦斯含量和残余瓦斯压裂低于《防治煤与瓦斯突出规定》规定的指标值。
⑹经济效益分析
压裂材料重要涉及封孔无缝钢管（30m/孔）、化学封孔药剂（150～180KG/孔）、送液管等，双料注浆泵，中巷封孔可使用水泥砂浆封孔。结合实际情况，煤孔综合成本44元/米；岩孔综合成本75元/米；压裂孔综合成本5000元/孔。
以长500m，宽75m的工作面区段为例，压裂半径30m，施工压裂孔孔间距50m。抽采孔半径以4m计算，成孔平均55m。工作面共施工10个压裂孔，125个抽采孔。则节省煤孔125个，成本约125×55×44=302500元。
综合考虑底抽巷钻场布置情况，距离煤层15m，煤层厚度为4m，一个钻场由30个穿层孔调整为18个，单孔平均由38m岩孔、7m煤孔构成。则节省钻孔12个，成本约12×（38×75+44×7）=37896元。
节省打钻人工、材料及施工周期，增长有效生产时间，综合效益显着；如全面推广该技术，可有效缓解采掘接替紧张的局面，安全效益、经济效益巨大。
三、重要结论与建议
通过水力压裂增透技术在化处煤矿的应用可知，压裂后煤体整体卸压、透气性大幅度提高，瓦斯得到释放，抽采瓦斯总量提高；残余瓦斯压力、瓦斯含量大幅度减少，突出危险性得到有效消除；掘进有效时间增长，掘进速度提高。同时，创新性使用了示踪剂测试裂隙范围、抽采范围，为压裂范围的测定提高一种新的思绪。
⑴2372机巷本煤层压裂实验表白压裂区域煤层透气性显着增大，瓦斯有效抽采时间延长到110天以上，瓦斯预抽率提高到57%。瓦斯压力、瓦斯含量降到临界值以下，实现了区域消突；抽采半径显着增大，钻孔工程量减少50%以上；掘进期间，各种防突指标未出现超限等异常情况，炮后瓦斯浓度大幅度减少，使得掘进速度大幅度提高。
⑵1470中巷压裂实验表白煤体的应力能、瓦斯得以释放，消除了压裂区域的瓦斯突出危险性；示踪剂测试到压裂区域互相沟通，压裂孔压裂半径在30m以上，整体区域裂隙、孔隙网络发达，透气性良好，在减少1/3以上防突措施孔工程量的前提下，瓦斯抽采量仍提高了1倍以上。
⑶在瓦斯异常，初期压裂效果不显着的区域，可实行二次增效压裂；同时，结合抽放钻孔全程筛管护壁成孔技术，抽放效果将进一步提高。
⑷为有效考察其消突效果，保证采掘活动的安全，依据《防治煤与瓦斯突出规定》第五十五条（二）之规定“对穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施进行检查时，在煤巷条带每间隔20~30m至少布置1个检查测试点”和第五十五条（四）之规定“对顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施进行检查时，在煤巷条带每间隔20~30m至少布置1个检查测试点，且每个检查区域不得少于3个检查测试点”布孔取样测试，测试指标值依据《防治煤与瓦斯突出规定》第五十二条之规定“采用预抽煤层瓦斯区域防突措施时，应当以预抽区域的煤层残余瓦斯压力或者残余瓦斯含量为重要指标或其它经实验证实有效的指标和方法进行措施效果检查。其中，在采用残余瓦斯压力或者残余瓦斯含量指标对穿层钻孔、顺层钻孔预抽煤巷条带煤层区域防突措施和穿层钻孔预抽石门（含立、斜井等）揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施进行检查时，必须依据实际的直接测定值”，同时结合防突规定采集煤样进行煤层残余瓦斯含量测试来判断效果是否有效，只有在煤层残余瓦斯含量和残余瓦斯压力防突规定值时并在采掘作业前进行“工作面措施效果检查”符合防突规定后方准进行采掘作业以及保证施工安全。