水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用研究_李鹏.pdf

水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用研究李鹏1，2(1 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122;2 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122)摘要:煤矿瓦斯开采条件复杂，井下瓦斯浓度高。开采操作时，煤体的透气性不足，会不断增加瓦斯含量，威胁煤矿开采的安全性。当煤层的开采深度增加时，会加大瓦斯含量，导致煤矿开采面临较高的危险。为确保煤矿开采的稳定性，降低开采风险，必须深入探究水力压裂技术。本文重点讨论了水力压裂技术对治理瓦斯的作用，仅供参考。关键词:水力压裂技术;煤矿瓦斯治理;应用效果中图分类号:F4063;TD712文献标识码:B文章编号:10080155(2023)02000403新时代，社会经济的发展速度加快，各行业对煤炭能源的需求度提升。煤炭能源的消耗量日益增长，给煤炭企业赋予了新的社会责任。我国拥有丰富的煤炭资源，但煤炭开采、加工处理的难度大，安全事故会造成巨大的经济损失，对经济建设、社会稳定造成巨大影响，因此要高度重视煤矿安全问题，加大对煤炭资源的保护力度，降低安全事故的发生概率。如何提升低透气性、难抽煤层的透气性、提高瓦斯的抽放效率，已经成为煤矿安全生产难题，所以要探究瓦斯治理问题，降低瓦斯危害性，提升瓦斯抽采量，降低瓦斯灾害事故的发生率。为确保煤炭开采的安全性，需要科学管理瓦斯。在治理瓦斯时，多采用水力压裂技术，有效解决煤层的高瓦斯含量、低透气性问题，增加矿井产能。在开采煤炭时，科学地治理和使用瓦斯，都依赖于水力压裂技术，所以，本文简单分析水力压裂技术的应用概况，从而为瓦斯治理技术提供保障。1 煤矿瓦斯的危害分析煤矿瓦斯造成的危害主要表现为以下几点:第一，通常情况下，煤层及周边瓦斯的流出速度慢，在采掘空间内分散分布，所以要科学管控煤矿内部。煤矿瓦斯发生问题时，会增加灾害防控的难度。第二，瓦斯爆炸后，会降低矿井内的氧气含量，对作业人员的安全产生较大的威胁。第三，瓦斯突出，会引发瓦斯灾害事件。若处理不及时，则会破坏通风系统。第四，煤矿开采作业会持续释放瓦斯，内部通风系统不佳时，会聚集大量瓦斯，降低井下的含氧量。如果作业人员误入内部，就会出现窒息死亡事件1。2 水力压裂技术概述水力压裂技术也被称为测定地应力的方法。在测量过程中，选取基岩外部的钻孔，使用封隔器密封两端，将液体注入其中，加压处理后，使钻孔孔壁破裂。在加压过程中，要详细记录内部压力。在具体执行过程中，通过井下电视对破裂方位进行观测，通过公式计算主应力的大小、方向。应用水力压裂技术可以提升煤矿瓦斯治理的科学性，保证瓦斯含量的平衡，降低爆炸事故的发生概率。开采煤矿时，瓦斯治理依赖水力压裂技术，如果煤层的透气性较低，则很容易溢出瓦斯。利用水力压裂技术，科学治理瓦斯，控制瓦斯浓度，降低爆炸危险。煤层瓦斯治理时，可以通过水力压裂技术，增加煤层的透气性，以免瓦斯泄露。对原生态煤层治理瓦斯时，也要使用水力压裂技术，技术原理以水为动力，保证煤体裂缝的通畅。水排量高于地层滤失率，并高于破裂压力，因此在开采煤层时，每个级别都会出现流体压力。在膨胀力的作用下，煤层空间的延展性特点明显，煤层产生裂缝后，可以相互连通，增加煤矿的储层量，确保采井通畅。在开采工作面，水力压裂技术能够打通煤层、顶板孔，在煤层形成缝隙网络。在钻场内部，注重钻孔、压裂钻孔的控制，密切观察岩层的破裂情况，掌握缝隙的延伸方向。压裂处理之后，钻孔难度会明显增加。对比数据信息，保证压裂钻孔使用的合理，提高瓦斯排放效率。收集钻孔瓦斯的参数，如果钻孔内的瓦斯量减少，则要关闭钻孔。针对瓦斯密集区，要做好抽排处理，加大瓦斯的排放负压，落实钻孔、补孔处理。适当增加钻孔的密度，提高瓦斯的排放效率。在治理煤矿瓦斯时，要首先保证煤矿具备水力压裂的条件，比如水力排量、压力达标。此外，在使用水力压裂技术时，还要控制泵注程序，保证煤层的封孔技术适宜，做好保护工作25。4DOI:10.13487/ki.imce.0232293 水力压裂技术在瓦斯治理中的作用第一，加强煤层透气性，提升瓦斯的消散率。应用水力压裂技术，能够突出煤层空间，制造裂缝、孔隙。同时，加大煤层的透气性，快速消散瓦斯，以免瓦斯突涌，获得较好的瓦斯治理效果。第二，改变煤层强度。水力压裂技术可以增加煤层含水的饱和度，降低煤体的结构强度、抗拉强度、抗压强度，降低煤层开采的难度，避免作业人员遭遇危险。第三，降低瓦斯作用力。瓦斯煤层的透气性不足会影响瓦斯的流通，致使各煤层的瓦斯含量差异大。瓦斯浓度超标时，则会加剧瓦斯的涌出率，影响煤矿开采的安全性，极易引发爆炸。应用水力压裂技术，能够降低瓦斯事故率，促进煤层瓦斯的转换，控制瓦斯浓度与压力。第四，降尘，维护环境效益。煤矿开采时，通过水力压裂技术，能够防护扬尘问题，改善采矿作业环境。为降低瓦斯事故率、维护煤层开采的安全性，需要维护煤矿生态环境。第五，辅助平衡地应力。治理煤矿瓦斯时，应用水力压裂技术，加强煤层结构的地应力，确保煤层的平衡，避免结构位置改变后影响煤层的应力，从而产生危险。4 水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用在治理煤矿瓦斯时，水力压裂技术的应用流程如下:第一，调查煤矿地质，明确瓦斯浓度;第二，按照调查结果，做好数值模拟;第三，按照模拟结果，合理布置施工现场、压裂设备，制订科学的压裂方案，遵循方案要求，优化技术流程，抽取煤矿瓦斯6。41 探测地质构造与瓦斯浓度在准备过程中，通过无线电透视仪调查和掌握煤层地质构造。瓦斯以烷烃为主要成分，性质稳定，不溶于水，检测难度较高。此次研究中，使用红外检测仪检测矿井的瓦斯浓度。根据不同气体的红外辐射光谱，按照吸收强度、气体浓度的关系，准确检测瓦斯浓度。利用朗伯比尔定律进行描述:I=I0expkLC(1)式(1)中，I0、K、L、C 分别表示入射光强度、吸收系数、透射光纤长度、瓦斯浓度。在具体操作过程中，反射、折射会影响发射红外光线，将干扰项目添加到式(1)中，形成如下公式:I=sI0expkLCs(2)式(2)中，s、s 表示干扰系数、干扰项目。42 水力压裂数值模拟完成准备工作后，通过 3D 软件模拟水力压裂数值，明确压裂参数，选择适宜的技术设备，合理布置施工现场。图 1 为模拟实验流程。图 1水力压裂数值模拟流程43 水力压裂技术的实施按照数值模拟，保证水力压裂技术应用的合理性。包括选取技术设备、布置压裂孔、制备压裂液、封孔材料、注入压裂液。第一，选取技术设备。在应用水力压裂技术时，应用远程监控系统、自动控制水箱、高压压裂系统、管路系统。其中，高压压裂设备以高压压裂泵为主，可以选择压裂液、支撑剂，将其压入煤层内。远程监控系统由采集设备、显示器、计算机网络组成，可以走出视觉盲区，实时监控井下的压裂过程。管路系统涉及耐压胶管、无缝钢管，负责传输支撑剂、压裂液。第二，布置压裂孔。按照上文所述，掌握管材性能、煤层位置、煤体构造等，明确压裂孔的布置方案。在确定布置方案时，遵循以下原则:其一，钻孔深度要参考煤层结构、压裂位置;其二，布置方案需匹配巷道布置、采掘进度;其三，钻孔位置要与材料充足、电源通畅的位置靠近。第三，制备压裂液、封孔材料。压裂液按照标准进行配比，通过应用添加剂形成非均质、不稳定的混合物，这是压裂改造比较常用的一种工作液。携沙剂由水、陶粒混合而成，可以完成压裂处理，遵循标准比例。压裂孔内注入压裂液后，及时做好封孔处理，以确保压裂成功，避免出现漏浆、窜浆、跑浆问题。在选择封孔材料时，选择水泥、减水剂、膨胀剂，通过实验确定配比，两端需要采用聚氨酯封堵7。第四，注浆与封孔操作。完成各项准备工作后，开展注浆处理工作。以分段式注浆法为主，遵循孔深，划分为 1 2 3 的小段，不同段的注浆参数不同，见表 1。5表 1注浆参数设置名称第一阶段第二阶段第三阶段注浆量总量的 1/6总量的 1/3总量的 1/2注浆速度28L/min40L/min90L/min凝胶时间1min15min3min注浆压力2MPa15MPa1MPa完成注浆操作之后，需要做好封孔处理。完成第一阶段后，灌入膨胀水泥。隔离第二段压裂液。完成第二段注浆后，再次灌入膨胀水泥。完成第三段注浆后，使用聚氨酯封顶。封顶操作时不能和周边岩壁存在缝隙，要实现无缝结合。第五，检验压裂效果。在水力压裂处理中，最后一个环节就是检验压裂效果，保证水力压裂效果，涉及压力效果观测、设备工作记录、安全隐患排查等。5 水力压裂技术在瓦斯治理中的应用实例51 在“三软”煤层中的应用以 A 煤矿为例，矿井为瓦斯突出矿井，煤体坚固系数为 01503，煤层的透气性不足，属于高难度的“三软”煤层。2015 年，A 工作面底抽巷，实行 12 孔次压裂施工，将 60m3/次水量灌入其中，合理控制施工压力。在 1 号钻场压裂处理后，3 号钻场的瓦斯抽采明显好转，抽采效率得到了提高。从上述分析可知，压裂处理会影响周边的抽采孔，在进行压裂处理之前，矿井的瓦斯抽采数据见表 2。表 2压裂前后的瓦斯抽采情况类型压裂前压裂后提高倍数单孔瓦斯浓度(%)43945205单孔瓦斯流量(m3/min)00040234487抽采瓦斯量(m3/d)22681323358通过数据分析可知，在 A 煤矿的未压裂区，每月的掘进进度约为 418m。进入压裂区之后，每月掘进进度为 554m，掘进进度得到了明显提高。针对机巷的未压裂区域，每月的掘进进度达到 472m，掘进进度提高 285%。水力压裂技术能够提升瓦斯的抽采速度、掘进进度。52 在区域消突中的应用以 B 煤矿为例，该煤矿从 2019 年开始，在机巷、巷道分别实行水力压裂施工。压裂处理以后，瓦斯抽采、消突效果达到预期。压裂影响半径达到 35m。在机巷中，抽采半径提高至 4m。瓦斯抽采的平均时间也提高到了 100d 以上。在巷道中实行压裂处理，钻场抽采总量增加 5 倍。在机巷内，压裂区域残留的瓦斯含量、压力降低到安全范围内，明显低于原有的瓦斯含量、压力。在相同的抽采时间内，瓦斯的抽采总量提升 30 倍，抽采效率提高 50%。在机巷内，对掘进工作面进行压裂处理，预抽期基本缩短到 7d 以内，增加了抽采量，瓦斯预抽率超过了 50%。在掘进操作过程中，瓦斯浓度得到了明显降低，防突效检指标没有出现超标情况，延长了掘进时间，提高了掘进进度。在机巷中，实行压裂处理后，煤体充分卸压，压裂单孔卸煤达到了 5t。在巷道内的1 号压裂孔，压出 4t 细粒煤粉;在 3 号压裂孔内，压出6t 细粒煤粉。技术人员计算后发现，控制区的煤体卸压率为 47%，明显高于保护层。对应区域的瓦斯抽采率也达到了以前的 2 倍以上，可以达到区域消突效果8。6 结束语综上所述，在水文地质影响下，部分煤矿的瓦斯含量大、煤层透气性不足、瓦斯浓度高，导致开采环境危险度高。水力压裂技术可以科学治理瓦斯，将高压液体水流注入煤层之间，可以扩大煤体空隙，增加煤层间的透气性，确保瓦斯扩散到其他煤层，稀释瓦斯浓度，提高抽采效率，降低瓦斯的危害。我国多数煤矿的瓦斯浓度大，所以要推广水力压裂技术，减少瓦斯对煤矿生产安全的威胁，以免引发安全隐患。参考文献:1 徐慧刚地面直井水力压裂与井下气相压裂综合消突技术研究与应用 J 煤炭与化工，2022，45(07):109112 2 陈冬冬，王建利，贾秉义，等碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式J 煤田地质与勘探，2022，50(08):2936 3 李文，王广宏，欧聪，等不同布孔方式下梳状定向长钻孔水力压裂数值模拟及工程应用 J 煤矿安全，2021，52(05):7277 4 孙朋，许力峰，唐建平井下水力压裂对深部低透煤层瓦斯含量的影响规律研究 J 矿业安全与环保，2019，46(06):3034 5 金开平水力压裂增透技术在采煤工作面地质构造区域的应用 J 内蒙古煤炭经济，2018(08):122124 6 李阳，郭立稳，张嘉勇水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用 J 科技创新与应用，2018(10):174175 7 莫海涛，郝世俊，陈建杰，等梳状钻孔水力压裂技术在 1930 矿煤巷条带瓦斯预抽中应用 C/第十九届全国探矿工程(岩土钻掘工程)学术交流年会论文集，2017:163170 8 任梅青，沈永红煤矿井下水力压裂技术抽采煤层瓦斯应用及前景 J 华北科技学院学报，2015，12(04):5863作者简介:李鹏(1986)，男，河南禹州人，硕士研究生，副研究员，从事煤矿安全、瓦斯灾害防治工作。6