高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究_左文强.pdf

1042023 年第 5 期高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究左文强（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）摘 要 为提高中兴煤矿松软煤层透气性，有效解决传统钻孔瓦斯抽采难题，通过现场工业试验及瓦斯抽采效果对比相结合的方法，对 2 号松软煤层水力压裂增透技术及工艺进行了研究。结果表明：水力压裂方案实施后，煤层透气性提高明显，瓦斯抽采浓度、流量分别增幅 3.6 倍、2.7 倍，抽采巷风排瓦斯量平均降低 0.68 m3/min，减幅 27%，水力压裂可有效提升煤层瓦斯抽采效率。关键词 松软煤层；水力压裂增透；瓦斯抽采；裂隙发育中图分类号 TD712+.6 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.034Research on Hydraulic Fracturing and Permeability Enhancement Technology for High Gas and Low Permeability Coal SeamsZuo Wenqiang(China Coal Science and Engineering Group Chongqing Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400037)Abstract:In order to improve the permeability of the soft coal seam in Zhongxing Coal Mine and effectively solve the difficult problem of traditional drilling gas drainage,through a combination mathod of on-site industrial experiments and comparison of gas drainage effects,the hydraulic fracturing and permeability enhancement technology and process of the No.2 soft coal seam are studied.The results show that after the implementation of hydraulic fracturing scheme,the permeability of coal seams is significantly improved,with gas drainage concentration and flow rate increasing by 3.6 and 2.7 times respectively.The average reduction of air and gas discharge amount in the extraction roadway is 0.68 m3/min,a decrease of 27%.Hydraulic fracturing can effectively improve the efficiency of coal seams gas drainage.Key words:soft coal seam;hydraulic fracturing and permeability enhancement;gas drainage;fissure development左文强：高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究左文强：高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究伴随矿井采深不断延伸，深部可采煤层所受地应力、瓦斯压力不断增强，煤岩渗透率减小，传统瓦斯抽采方法效果较差，衰减快、成孔护孔困难、抽采达标耗时长，严重制约矿井生产接替1-2。中兴煤矿主采的 2 号、4 号煤层均为突出煤层，透气性系数为 3.567.38 m2/MPa2d，透气性差。为解决传统钻孔瓦斯抽采难题，本文以中兴煤矿三采区西翼 1#瓦斯底抽巷为研究对象，探究上覆 2 号煤层水力压裂增透效果，以期提升瓦斯抽采效率。1 工程地质概况中兴煤矿坐落于山西省交城县，核定生产能力150 万 t/a，矿井相对瓦斯涌出量、绝对瓦斯涌出量分别为 22.21 m3/t、68.31 m3/min。2019 年经中煤科工集团重庆研究院现场实测，该矿由高瓦斯矿井升级为煤与瓦斯突出矿井，2#、4#突出煤层最大破坏类型分别为、，坚固性系数分别为 0.28、0.42，瓦斯压力分别为 0.82 MPa、1.4 MPa，瓦斯放散初速度 P 分别为 11、12。根据现场地质及采掘衔接计划，选定三采区西翼山西组下部 1#瓦斯底抽巷（开拓大巷，沿 K3 砂质泥岩底部岩层向西掘进至井田西部边界）作为水力压裂增透试验巷道，并在距巷道口 900 m 处实施煤层水力压裂钻孔，提前预抽上覆 2 号煤，拦截卸压其瓦斯。1#瓦斯底抽巷所在岩层为灰色砂质泥岩，含植物碎屑化石，半坚硬，较为稳定，平均倾角5。该岩层上覆 10 m 左右为 2 号煤层，煤厚0.76.4 m，原始瓦斯含量 8.48 m3/t。1#瓦斯底抽巷施工期间穿层段所遇顶板依次为细粒砂岩（3.29 m）、砂质泥收稿日期 2022-10-24作者简介 左文强（1994），男，山西霍州人，2020 年毕业于山东科技大学能源与矿业工程学院矿业工程专业，工程硕士，助理工程师，从事瓦斯灾害治理研究工作。1052023 年第 5 期左文强：高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究左文强：高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究岩（3.71 m）、细粒砂岩（1.6 m）、泥岩（1.59 m），均为半坚硬、节理裂隙发育岩层。1#瓦斯底抽巷水力压裂试验地点位置如图 1。图 1 1#瓦斯底抽巷水力压裂试验地点（m）2 水力压裂增透技术原理当煤层自然吸水能力慢于高压注水速度时，受流动阻力增加影响，注入煤层高压水的压力逐渐上升。煤层破裂压力小于高压水力压裂时，煤层内原先闭合的裂隙将被压开形成新的瓦斯流动通道，从而改变煤的物理力学性质、渗透性质以及煤层的应力状态，当注入的高压水被排出后，张开的裂隙将有利于瓦斯流动3-4。高压水注入煤岩层后对裂隙弱面产生内压作用，造成裂隙弱面扩展、延伸，彼此联接贯通实现压裂分解，致使煤岩层渗透率提高，继而增大了煤岩层透气性，扩大了煤岩层瓦斯抽采钻孔影响区域。为避免巷道围岩变形严重，需控制高压水的压力和排量，使压裂影响控制在一定范围之内，并在压裂影响区域内形成均匀抽采瓦斯的立体网络通道5。3 水力压裂设备选型及工艺3.1 设备选型及参数确定1）设备选型2 号煤层水力压裂系统分别由 BZW200/56 高压注液泵、控制台、水箱等组件构成。水力压裂系统如图 2，具体设备规格见表 1。图 2 水力压裂系统2）额定流量水力泵站额定流量根据煤的坚固性系数 f 进行选取：f 0.5 时，可取 120 L/min；f 0.5 时，可取 200 L/min。因 2 号煤层坚固性系数 f 为 0.28，故水力泵站额定流量选取 120 L/min。表 1 水力压裂设备规格用途名称压裂孔钻进ZY-650 型钻机94 mm 钻头50 mm800 mm 强力钻杆20 mm1500 mm 压裂管15 mm 注浆管封孔设备及材料BDF-10/2.4 封孔机15 mm 返浆管普通硅酸盐水泥树脂封孔胶压裂设备BZW200/56 压裂泵 25 mm、75 MPa 高压钢编管DGC 瓦斯含量测定仪压力表3）管路选型及参数确定疏水管选用高压胶管，通过计算确定选用 25 mm 高压胶管以此减少管路压力损失，详见表 2。表 2 管路内径与管路压力损失关系管路内径 d/mm体积流量 q/（L/min）系数雷诺数 Re压力损失 P/（MPa/m）2512064.1101 3520.005 33.2 工艺流程2 号煤层水力压裂增透流程如图 3。图 3 2 号煤层水力压裂增透流程3.3 钻孔布置试验区域 1#瓦斯底抽巷共计布置 4 组钻孔（1-1#1-12#、2-1#2-12#、3-1#3-12#、4-1#4-12#），每组含 9 个控制孔及 3 个压裂孔，孔高 1.9 m，孔径94 mm，倾角 24 58，钻孔之间相距 2 m。施工现场钻孔布置如图 4。（a）钻孔布置示意图1062023 年第 5 期 （b）钻孔布置剖面图图 4 施工现场钻孔布置图（m）4 试验效果剖析4.1 抽采浓度及流量效果剖析此次试验为期 62 d，通过日常数据监测对比剖析 1#4#水力压裂试验孔（1-1#4-12#）及 5#常规孔（5-1#5-48#）瓦斯抽采浓度及流量效果。水力压裂试验孔比照常规孔瓦斯抽采浓度及流量示意图如图 5。（a）瓦斯抽采浓度比照 （b）瓦斯抽采流量比照图 5 水力压裂试验孔比照常规孔示意图根据图 5 可知，试验期间 1#4#水力压裂试验孔瓦斯抽采浓度平均 50.71%，对比常规孔 14.1%增幅近 3.6 倍；1#4#水力压裂试验孔瓦斯抽采流量平均 0.03 m3/min，对比常规孔 0.011 m3/min 增幅近 2.7倍。同时发现无论是瓦斯抽采浓度还是瓦斯抽采流量，1#4#水力压裂试验孔变动幅度远大于常规孔，可见受水力压裂扰动影响，1#4#水力压裂试验孔周围煤体不规则裂隙增多，致使透气性提升较为明显，瓦斯抽采纯流量增幅近 9.7 倍。4.2 瓦斯涌出量效果剖析1#4#水力压裂试验孔、5#常规孔施工期间，间隔 10 d 对北翼瓦斯抽采巷回风流瓦斯浓度及风量进行监测，总计开展 12 次。当北翼瓦斯抽采巷迎头处于常规孔段时，风排瓦斯量保持在 2.34 2.57 m3/min；当迎头处于水力压裂试验孔段，风排瓦斯量保持在 1.842.08 m3/min；当迎头通过水力压裂试验孔段时，风排瓦斯量保持在 2.212.52 m3/min。由此可见，北翼瓦斯抽采巷在下伏 1#瓦斯底抽巷的 1#4#钻孔开展水力压裂试验期间，风排瓦斯量平均降低 0.68 m3/min，减幅约 27%。4.3 瓦斯含量效果剖析选择在1#瓦斯底抽巷800 m（常规孔）、900 m（水力压裂试验孔）处施工穿层钻孔，并对所取 2 号煤样进行瓦斯含量解吸测定。根据计算结果可知，1#瓦斯底抽巷 800 m 处瓦斯解吸量、残存量、损失量分别为 1.72 m3/t、3.84 m3/t、0.85 m3/t；1#瓦斯底抽巷 900 m 处瓦斯解吸量、残存量、损失量分别为1.59 m3/t、3.64 m3/t、0.71 m3/t。对比 2 号煤原煤瓦斯含量 8.48 m3/t，水力压裂段减少 2.54 m3/t，常规孔抽采段减少 2.07 m3/t，证明水力压裂段瓦斯增抽效果显著，对比提升 18.5%。4.4 瓦斯抽采半径效果剖析2号煤层水力压裂增透试验期间瓦斯抽采10 d、20 d、30 d、40 d、50 d、60 d 时瓦斯抽采纯量分别为 193.01 m3/min、398.48 m3/min、583.18 m3/min、735.01 m3/min、929.82 m3/min、1 129.31 m3/min，计算得有效抽采半径分别为1.1 m、1.5 m、1.8 m、2.1 m、2.3 m、2.5 m。对瓦斯抽采时间和有效抽采半径进行拟合，两者关系为：R=0.378 8t0.461 1，即当水力压裂钻孔抽采半径为 3 m 时，预计需要 85 d 达成抽采指标，对比常规孔缩减了 17 d，提升明显。5 结论1）借助水力压裂确保 2 号煤层裂隙持续发育，增大了煤层的透气性，极大地提高了瓦斯抽采浓度、流量，作用范围内瓦斯的含量及压力大幅度降低，减少了煤层突出的风险。2）被注入的高压水逐步置换驱替不同孔隙内瓦斯的同时增加了煤体的润湿程度，减少了采掘生产（下转第 109 页）1092023 年第 5 期徐爱国：智能型全自动降尘水幕装置的设计与应用徐爱国：智能型全自动降尘水幕装置的设计与应用当水源不需要过滤网净化时，远程智能控制系统还可以直接关闭过滤网。当远程智能控制系统监测到掘进机、钻机等设备停止施工作业，通过智能联锁控制系统可以使智能型全自动水幕降尘装置延时 1035 min 关闭。具体关闭时间可以根据掘进面巷道现场积水情况进行优化调整。该装置还设有手动控制阀门 2，当智能控制系统或电磁阀出现故障时，可以采用手动开启阀门实施喷雾降尘作业，有效保障了掘进巷道喷雾降尘连续不间断。4 应用效果分析智能型全自动降尘水幕装置在杨柳煤矿 1076风巷进行了试验应用，装置在距迎头 18 m 位置处按上述图 2 进行安装布置。对粉尘浓度进行了监测，采样地点分别为迎头、综掘司机位置、距迎头20 m、距迎头 40 m、距迎头 100 m，监测结果如表 1 所示。表 1 智能型全自动降尘水幕装置应用前后粉尘浓度表采样位置全粉尘浓度/（mg/m3）降尘效率/%呼吸性粉尘浓度/（mg/m3）降尘效率/%应用前应用后应用前应用后迎头423.775.082.3201.136.082.1综掘司机位置375.110.197.3185.17.695.9距迎头 20 m320.49.996.9160.17.495.4距迎头 40 m298.49.596.8148.57.195.2距迎头 100 m265.38.296.9125.86.594.8从表 1 数据可知，应用智能型全自动降尘水幕装置后，全粉尘浓度大幅度降低，降尘效率在82.3%97.1%之间；呼吸性粉尘浓度大幅度降低，降尘效率在 82.1%95.9%之间。综掘司机位置全粉尘浓度、呼吸性粉尘浓度控制在 10.1 mg/m3、7.6 mg/m3以内，降低了粉尘对作业人员身体健康影响。智能型全自动降尘水幕装置运行稳定，降尘效果大幅提高，作业环境明显改善，有效降低煤尘、自然发火和巷道积水淹巷的隐患发生概率。【参考文献】1 曹建霞，张永亮，付翠翠，等.水幕降尘系统雾滴分布受风流影响的数值模拟研究 J.安全与环境工程，2022，29（04）：248-254.2 杨斌.掘进工作面全自动降尘水幕装置设计 J.煤，2022，31（01）：77-78.3 郭帅.水幕降尘装置研制与实践应用 J.山东煤炭科技，2019（03）：92-94.4 谭聪，蒋仲安.矿井水幕帘降尘参数优化实验研究 J.中 国 矿 业 大 学 学 报，2015，44（06）：1002-1007.5 任继海，王祥.掘进巷道安装全断面捕尘网与水幕配合使用降尘技术的应用J.内蒙古煤炭经济，2014（12）：106-107.6 张江波，洪晓东.煤矿井下泡沫除尘与防尘水幕的降尘效果比较J.内蒙古煤炭经济，2014（06）：171+175.期间煤尘产生量，极大地改善了施工人员作业环境。【参考文献】1 张学博，王文元，蔡行行.深部煤层抽采钻孔变形失稳影响因素研究 J.煤炭科学技术，2021，49（05）：159-166.2 张超林，王恩元，许江，等.煤层瓦斯压力对瓦斯抽采效果的影响 J.采矿与安全工程学报，2022，39（03）：634-642.3 董润平，王晨阳，刘乐，等.煤层底板梳状长钻孔分段水力压裂增透技术研究与工程实践 J.煤炭技术，2022，41（06）：151-155.4 李书文，王冕.顶板水力压裂与高位钻孔立体抽采瓦斯新技术J.煤炭科学技术，2013，41（11）：79-81+85.5 牟全斌，闫志铭，张俭.煤矿井下定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术 J.煤炭科学技术，2020，48（07）：296-303.（上接第 106 页）