大西煤矿井下分段水力压裂增透技术及应用
时间：2023-02-22 13:35:07 来源：千叶帆 本文已影响人
李 鹏
（晋能控股煤业集团大西煤矿，山西 晋城 048000）
瓦斯问题一直被作为严重制约煤炭开采技术发展的重要因素，严重影响着煤矿安全生产[1]。我国煤炭资源储量丰富，煤层气资源赋存量巨大，解决好煤炭资源开采过程中的瓦斯问题，做到煤与瓦斯合理共采，能够极大地提高资源的开采利用率[2-3]。瓦斯抽采是解决瓦斯问题的根本途径，为了解决大西煤矿回采巷道掘进过程中的瓦斯超限问题，对煤层进行分段水力压裂是一种行之有效的方法，通过增加煤层的透气性，可以显著提高瓦斯抽采率[4]。
大西煤矿主要开采3 号煤层，煤层厚度平均为3.17 m，顶板主要为细粒砂岩和碳质泥岩，底板为细粒砂岩。3 号煤层以亮煤为主，呈条带状结构，内部裂隙发育，易发生脆性破碎。
矿井瓦斯主要来源为开采层和采空区。据地勘送检的瓦斯测试结果，3 号煤层透气性系数为0.72 m2/（MPa·d），原始瓦斯含量约为11.26 m3/t，原始瓦斯压力为0.41 MPa，落煤残存瓦斯含量3.12 m3/t，残存瓦斯压力为0.16 MPa。矿井瓦斯相对涌出量为19.92 m3/t，绝对瓦斯涌出量为21.75 m3/min。3 号煤层坚固性系数f=0.30～0.65 ＜0.5，瓦斯放散初速度ΔP=4.7～24.0 ＞10，综合指标K=ΔP/f=29.2 ＞15，单项指标均超临界值，该矿井有煤与瓦斯突出危险性。综采工作面的上、下顺槽掘进前，必须预抽消突，无突出危险后方可掘进。
根据化验结果，该井田瓦斯主要成分及含量如表1所示。其中可燃气体（CH4+ C2H6）含量1.37～47.03 m3/t，平均含量12.63 m3/t，为富甲烷煤层。
表1 瓦斯主要成分及含量
2.1 压裂地点
对大西煤矿3023 工作面回风顺槽进行分段水力压裂方案设计。压裂设备宜放在新鲜风流中，具体放置位置如图1。巷道的长、宽、高应确定能够满足泵组的放置要求，并能够提供不小于1 m³/min的水流和1140 V 的电压。为保证设备的正常运转，水源不能含有杂质。
图1 压裂泵站与管路布置图
2.2 参数选取
（1）压裂层位选取
结合3023 回风顺槽的实际情况，3023 回风顺槽煤层埋藏浅，煤层瓦斯含量小，煤体强度大。通过井下观测，煤层与顶底板之间接触平整，煤岩类型界限清晰，原生条带状结构明显。煤体原生裂隙清晰可辨，选择直接在煤层内实施分段水力压裂的技术模式。
通过观察在掘进工作面正前方施工的超前钻孔，钻孔轨迹清晰可见，并无坍塌、位移错动迹象。在3023 回风顺槽向临近巷道及工作面施工区域预抽钻孔，达到区域消突的目的。减少了顶、底板巷道的掘进工作量。
此外，大西煤矿各煤层顶底板普遍存在泥岩、砂质泥岩，部分区域泥岩遇水极易膨胀，若在煤层顶板实施分段水力压裂，则在压裂完成后的钻孔抽采过程中，在泥岩的膨胀变形作用下，抽采管极易发生堵塞，降低抽采效率，而且需要向煤层顶板开设挑顶钻场，加大了工程量。鉴于此，最终确定3023 回风顺槽的分段水力压裂在本煤层内实施。
（2）压裂段长及段间距的选择
结合3023 回风顺槽掘进工作面煤层内的成孔条件，沿预掘巷道中线位置施工分段水力强化钻孔，长160 m，采用玻璃套管水泥固孔。考虑到实际施工的效率和经济效益等问题，将长钻孔分5 段进行水力强化，压裂段间距选为30 m，单段水力强化钻孔裂缝开启长度约为17.5 m，有效影响半径不小于20 m。水力压裂施工完成后，在其周边施工16 个抽采钻孔，钻孔有效抽采间距不大于6 m。抽采达标后，在采取局部综合防突措施条件下允许掘进安全距离140 m，预留安全保护距离20 m，在安全保护距离内进入下一循环。
通过在3023 回风顺槽正前施工长钻孔，进行分段水力强化压裂，实现对煤层区域均匀增透改造，提高煤层透气性系数，达到大循环安全掘进的目的。
2.3 钻孔设计及施工流程
在3023 回风顺槽共施工钻孔17 个，其中分段压裂长钻孔1 个，瓦斯抽采钻孔16 个，控制巷道两帮各15 m 范围，沿3023 回风顺槽掘进方向控制160 m。分段水力压裂钻孔孔长160 m，分5 段进行压裂，分段喷射孔间距30 m，分段压裂钻孔孔径Φ120 mm，分段压裂封孔器外径Φ ≤80 mm。3023 回风顺槽分段水力压裂钻孔施工布置图如图2，Ⅰ-Ⅰ剖面图如图3，Ⅱ-Ⅱ剖面图如图4。
图2 3023 回风顺槽分段水力压裂钻孔施工布置图（m）
图3 Ⅰ-Ⅰ剖面图（mm）
图4 Ⅱ-Ⅱ剖面图（mm）
施工顺序为：分段压裂长钻孔施工→煤层瓦斯含量和瓦斯压力测试→分段压裂长钻孔套管固孔→水力强化前瓦斯参数测试（钻孔自然流量、钻孔流量衰减系数、抽采浓度、抽采负压、抽采流量、水分）→分段压裂长钻孔从孔底至孔口依次分5 段进行压裂→施工16 个抽采钻孔→所有钻孔洗孔→抽采钻孔封孔，封孔长度15～20 m →抽采钻孔、压裂钻孔联抽→等待抽采达标，效果检验→采取区域、局部综合防突措施下掘进140 m →（第二循环开始）→分段压裂长钻孔施工→分段压裂长钻孔施工套管固孔→分段压裂长钻孔从孔底至孔口依次分5 段进行压裂→施工16 个抽采钻孔→所有钻孔洗孔→抽采钻孔封孔，封孔长度15～20 m →抽采钻孔、压裂钻孔联抽→等待抽采达标，效果检验→采取区域、局部综合防突措施掘进20 m（第一循环结束）。
针对3023 回风顺槽分段水力压裂强化钻孔的封孔问题，选用封压一体化分段水力压裂封孔器封孔，封孔器如图5。采用水力封孔胶囊加单向阀的方法，实现分段水力压裂封孔的目的。
图5 一体化分段水力压裂封孔器
3.1 压裂半径
在分段水力压裂施工完成后，对压裂孔周围巷道形貌进行观测，尤其是较为发育的构造附近及煤体裂缝发育地带，观测煤壁是否有出水、巷道变形等情况。通过现场考察分析，结合各压裂孔的出水情况，综合得出各段水力压裂影响半径平均为23 m。
3.2 瓦斯抽采数据分析
对3 号煤层进行分段水力压裂后，瓦斯抽采浓度提升了2～17 倍，抽采纯量提升了3～8 倍。压裂孔瓦斯初始涌出量较未压裂孔增加1 倍，瓦斯流量衰减系数是未压裂孔的1/2，煤层瓦斯的可抽采性得到了显著提高。
3023 回风顺槽压裂区域本煤层预抽孔平均百米抽采纯量为0.131 m3/min，是未压裂区域的2.3 倍，压裂孔平均百米抽采纯量为0.302 m3/min，是未压裂区域的4.1 倍。通过实施分段水力压裂增透技术，显著提高了煤层瓦斯的预抽效果。
（1）对3023 回风顺槽进行分段水力压裂施工，水力压裂长钻孔长160 m，分5 段进行水力强化，压裂段间距30 m，各段水力压裂影响半径平均为23 m。
（2）采用长钻孔分段水力压裂增透技术，可以有效提高抽采瓦斯效果，单次循环允许煤巷安全掘进距离长，能够实现巷道安全快速掘进，缓解采掘接替紧张问题。
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