低透气性煤层顺层钻孔水压预裂增透消突(白冰)

1低透气性煤层顺层钻孔水压预裂增透消突技术研究白冰（四川省华蓥山煤业股份有限公司李子垭煤矿，四川广安638607）摘要:本文针对低透气性煤层采用了一套新型水压预裂增透消突技术，通过有效实施，合理解决了低透气性煤层的瓦斯治理及防突问题,大大改善工人的工作环境,提高了煤矿生产的效率和安全状况。关键词：低透气性煤层；顺层钻孔；水压预裂；增透消突0引言李子垭煤矿1978年建成投产，迄今已开采30多年，随着矿井开采不断向轴部和井田边界延伸，机械化大功率生产与矿井的高效高产，对矿井瓦斯抽采达标提出了更高的要求，低透气性煤层瓦斯抽采已成为制约矿井安全、高效生产的第一因素，迫切需要一种新型的瓦斯治理工艺技术。为改变低透气性煤层“瓦斯抽放难，突出难治理”的难题，李子垭煤矿于2011年9月在25011工作面首次运用了低透气性煤层顺层钻孔水压预裂试验，为李子垭煤矿低透气性煤层区域瓦斯治理和利用开创了一种新的途径，并取得了良好技术经济效果。1试验地点慨况25011工作面位于李子垭井田北翼，煤层厚度1.05～1.50m，煤层平均厚度1.35m，煤层结构0.20（0.15）1.00m，地面标高+880～+1228m，地应力大，煤层瓦斯含量为12.3387m3/t，瓦斯压力为0.684MPa，煤样瓦斯放散初速度△P=6，煤的坚固性系数f=0.25，煤层透气性系数为0.093m2/(MPa2.d)，煤层孔隙率为2.78%，为低透气性煤层。由于K21煤层渗透性差、透气性系数低，导致顺层钻孔布孔密集、工人劳动强度高、单孔瓦斯浓度小、瓦斯抽放效率低、瓦斯预抽时间长，现行的瓦斯预抽措施制约了矿井高效生产。2实施方案2.1水压预裂基本原理作者简介：白冰（1988－），男，陕西省宝鸡市，2011年毕业于重庆工程职业技术学院矿井通风安全专业，主要从事生产技术管理工作。Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]2煤岩体水压预裂的基本原理是用泵将液体以高压大排量向煤岩体注入时，由于注入速率大于煤岩体吸收速率，而在储层内部产生张应力，当这个力超过某一方向的轴应力时，煤岩体本身在这个方向上所受到的轴应力完全被液体所传导下来的外来力所克服，此时，随着外来力量的增加，在克服了煤岩体本身破裂时所需要的力量后，煤岩体在最薄弱的地方开始破损，裂缝延伸，煤岩体的渗透率得到改善，从而为瓦斯抽采创造优越的先天条件，使煤体均匀卸压，提高瓦斯抽采浓度及流量，缩短瓦斯预抽时间，保证矿井瓦斯抽采达标。2.2具体实施内容首先，在距开切眼150m-300m顺层钻孔水压预裂试验区域施工6个顺层水压预裂钻孔。钻孔施工完成之后，在24h内完成封孔工作。钻孔封孔完后，采用乳化泵向钻孔中注入高压水对煤体进行水压预裂。其次，水压预裂结束后，在距开切眼水压预裂试验区域施工顺层瓦斯抽采钻孔，将瓦斯抽采钻孔和水力压裂钻连接在抽采系统进行抽采，记录下预裂钻孔和顺层抽采钻孔的瓦斯抽采流量和抽采浓度，将水压预裂试验区域外与水压预裂试验区域进行抽采效果对比。通过分析25011北工作面水压预裂试验区域与试验区域外瓦斯抽采钻孔流量、浓度、抽采达标时间和工作面回采期间的瓦斯综合治理效果来综合判断顺层钻孔水压预裂的增透效果；并根据水压预裂试验区域与试验区域外的防突措施指标进行顺层水压预裂消突措施效果检验。2.2.1水压预裂钻孔布置方式25011北工作面布置6个顺层水压预裂钻孔，2个顺层考察孔，采用ZDY-4000型钻机施工，钻孔直径94mm，孔深60m，孔间距50m，水压预裂钻孔的具体布置方式见图1。25011北风巷25011北机巷顺层抽采区域25011开切巷水压预裂抽采区50m50m50m150m123456考察孔考察孔50m图1顺层水压预裂钻孔布置32.2.2水压预裂钻孔封孔方式对于高压水压预裂技术，一个重要的技术难题就是钻孔的密封技术，封孔质量的好坏，其直接影响到水压预裂技术的成功与否。钻孔周围往往存在微裂隙，这种情况下增加了封孔密封难度。本次水压预裂钻孔封孔采用玛丽散化学药剂和水泥石膏浆机械封孔相结合的封孔方法。2.2.3水压预裂设备及仪表本次水压预裂采用RBYB160/31.5型矿用乳化液泵。压裂泵的额定压力为31.5MPa、最大排量为160L/min。为便于操作和控制，压裂泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件，乳化液箱容积为2m3。整个水力预裂系统须由乳化泵、水箱和高压管路等，如图2所示。水压预裂装备的连接依次为输水管→水箱→压裂泵→高压水管→钻孔内部管路，附属设备包括截止阀、压力表、流量表等。防爆电机乳化泵阀门水管水表稳流器压力表乳化液水箱卸压阀高压胶管高压胶管U型卡扣压力表截止阀煤层水位图2水压预裂系统示意图2.2.4水压预裂施工作业参数设计本次水压预裂试验初步确定注水压力为15～20MPa；注水时间可以根据水压裂缝起裂和扩展引起的压力下降现象作为起始时间，然后控制注水一段时间来达到对水压裂缝扩展长度的大致控制，将注水过程中压力表的变化及相邻钻孔出水情况作为注水结束时间。注水量可以根据具体的致裂煤岩体确定相应的滤失率，对注水体积进行修正。3方案实施3.1水压预裂顺层钻孔4低透气性煤层顺层钻孔水压预裂增透消突试验于2011年2月6日11时05分开始，于2011年2月15日10时10分结束。在现场水压预裂的实际操作过程中，每个钻孔水压预裂三次，每次水压预裂的时长约为5-10min，并随时观察水箱中的水位变化、压力表的读数及相邻钻孔出水情况。第一次水压预裂过程中，预裂刚开始随时间的增大而呈锯齿状迅速上升，而后逐渐减缓，一旦注水压裂停止，水压会陡然下降，但下降梯度随时间而逐渐减小，此次试验水压预裂所能达到的最高压力为19MPa。第二次水压预裂过程，水压预裂的压力达到最大值的时间较短，由于第一次大量注入了压裂液，煤体中液体达到了饱和，再次预裂使煤体裂缝会充分延伸。第三次以后的几次水压预裂试验结果表明，当压裂压力呈锯齿状上升到19MPa后压力基本上呈缓慢增长形式，即压裂压力在19MPa上下很小的范围内呈锯齿状波动增长。但是，当水压预裂的注水量达到10m3左右时，发现相邻的水压预裂钻孔（或参考孔）中有水流出，并有增大的趋势，此时压力迅速降低到10～14MPa左右后稳定而不再增加。本次水压预裂试验的注水量为70m3左右。3.2钻孔瓦斯流量分析为解煤体的水压预裂增透效果，在水压预裂钻孔封孔期间，在水压预裂试验区域外施工了一个对比钻孔，水压预裂钻孔封孔完后，同时测定对比孔和水压预裂后钻孔的瓦斯自然排放量并进行比较。测量仪表采用为G2.5膜式煤气表，规格为：qmax=4m3/h，qmin=0.025m3/h，见图3。0.00020.00040.00060.00080.00100.00120.00140.00160.00180.00200123456789100.0022单孔瓦斯排放量(m3/min)1号2号3号4号5号6号时间/天对比孔图3钻孔瓦斯自然排放量曲线图则图得到：在自燃排放条件下，水压预裂钻孔的平均瓦斯排放纯量是未受水压预裂影响5钻孔的7倍，说明水压预裂后的煤体透气性大幅提高。3.3瓦斯抽采达标情况水压预裂试验结束后，在水压预裂区域施工瓦斯预抽钻孔，在短时间内将水压预裂钻孔和顺层瓦斯抽采钻孔连接到抽采系统，定期收集顺层钻孔和水压预裂钻孔瓦斯抽采浓度，瓦斯抽采浓度曲线图见图4。2040608004月5月6月7月8月9月瓦斯抽采平均浓度(%)时间/月水压预裂试验范围抽采浓度曲线水压预裂试验范围外抽采浓度曲线图4抽采浓度曲线图图分析可知，煤体预裂后，4月顺层抽采区域的平均瓦斯抽采浓度是30%，而水压预裂试验区域的平均瓦斯抽采浓度为61%，是水压预裂试验区域外瓦斯抽采浓度的2.04倍，由曲线图可以直观的反映出水压预裂试验区域内的瓦斯浓度衰减速率明显比水压预裂试验区域外的瓦斯浓度衰减速率大。据统计，水压预裂试验区域抽采瓦斯纯量42.1万m3，有效钻孔个数为208个，有效预抽时间为122天，计算得单孔平均瓦斯纯流量为0.0115m3/min,水压预裂试验外抽采瓦斯纯量27.09万m3，钻孔个数为196个，有效预抽时间为168天，平均单孔瓦斯纯流量0.00571m3/min，顺层钻孔平均流量提高了20.1%。3.4突出危险性分析为考察水压预裂增透消突技术的区域防突效果，8月10日～8月12日收集了水压预裂顺层瓦斯抽采区域和水压预裂影响外瓦斯抽采区域的突出危险性预测指标，包括瓦斯压力、瓦斯含量、K1指标、钻屑瓦斯解吸指标△h2和钻屑量S，见表13、表14。由表可知，水压预裂影响外顺层瓦斯抽采区域的突出预测指标值总体上都大于顺层水压预裂瓦斯抽采区域的突出预测值，这说明顺层水压预裂区域的煤与瓦斯突出危险性降低了，据统计，水压预裂试验区域外的顺层抽采区域2月23日钻孔全部投抽，水压预裂试验区域钻孔4月10号全部投抽，8月11日按照矿井抽采达标规定进行评估，水压预裂区域和顺层抽采区域均以抽采达标，由此说明水压预裂影响区域比水压预裂影响外区域缩短了25%。6表1水压预裂区域外防突参数表预测次数瓦斯压力（Mpa）瓦斯含量（m3/t）指标K1（mL·(g·min1/2）-1指标△h2(Pa)钻屑量S（kg·m-1）10.4457.8290.4282.820.4566.4550.3103.130.5016.8420.36123.240.4215.7320.32113.550.4357.1360.3910360.4576.8570.3592.9表2顺层水压预裂区域防突参数表预测次数瓦斯压力（Mpa）瓦斯含量（m3/t）指标K1（mL·(g·min1/2）-1指标△h2(Pa)钻屑量S（kg·m-1）10.1222.080.1842.120.1512.280.252.530.1131.790.1551.940.1351.950.1732.150.1281.820.1941.960.1422.240.21423.5瓦斯综合治理效果25011北工作面通过水压预裂增透消突技术，在2011年11月～2012年2月回采期间水压预裂影响区域时未发生一二级瓦斯报警，瓦斯治理难度减小，未发生煤与瓦斯突出事故，采面回风瓦斯浓度未发生三级报警；确保了25011综采北工作面回采期间能够安全、快速生产，煤层瓦斯含量降低后，回采期间涌出的瓦斯量减少，减少了工作面的配风量，保证了通风系统的稳定，为矿井的安全生产提供了有力的安全保障，也为低透气性煤层瓦斯综合治理提供了经验。4结论低透气性煤层顺层钻孔水压预裂增透消突技术在25011工作面试验取得成功。煤层透气性及煤体均匀卸压效果明显，水压预裂后钻孔瓦斯自然排放流量增大了7倍，平均瓦斯抽采浓度提高了2.04倍，平均瓦斯流量提高了20.1%，瓦斯抽采达标时间缩短了25%，水压预裂影响区域的煤层突出危险性敏感指标大幅度下降；工作面回采时杜绝了瓦斯超限发生，消除瓦斯威胁，保证了矿井安全生产。