高压水力割缝和压裂联合增透技术及应用

高压水力割缝和压裂联合增透技术及应用
秦江涛;陈玉涛
【摘要】针对白皎煤矿突出煤层构造应力高、透气性系数低、瓦斯抽采效果差等问题,在238底板瓦斯抽采巷对B4煤层采用了水力割缝和压裂联合增透技术,应用结果表明该技术相比水力压裂技术和普通抽采技术提高了煤层透气性,瓦斯抽采纯量较水力压裂钻孔提高了1.33倍,瓦斯体积分数是普通抽采钻孔的2.76倍,联合增透钻孔汇总瓦斯体积分数保持在30%以上且无衰减,具有良好的抽采效果.%To counter the problems of high structural stress, low air permeability coefficient and poor gas drainage effect of the outburst coal seam in Baijiao Mine, the gas drainage test in B4 seam by 238 floor drainage roadway was carried out with the combined permeability improvement technology of high-pressure hydraulic slotting with hydraulic fracturing. The application results showed that this technology improved the permeability of the coal seam as compared to the hydraulic fracturing technology and the conventional gas drainage technology. The pure gas drainage volume increased 1. 33 times to that by hydraulic fracturing, the volume fraction of gas was 2. 76 times higher than that by the conventional drainage boreholes, the summary volume fraction of gas with the combined permeability improvement technology maintained over 30% without any attenuation, so this technology has good drainage effect.
【期刊名称】《矿业安全与环保》
【年(卷),期】2016(043)006
【总页数】4页(P29-31,36)
【关键词】水力压裂;水力割缝;联合增透技术;突出煤层;低透气性;瓦斯抽采
【作者】秦江涛;陈玉涛
【作者单位】重庆工程职业技术学院,重庆402260;中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039
【正文语种】中文
【中图分类】TD712
随着煤矿开采逐渐向深部转移，煤层瓦斯压力、瓦斯含量都明显增大，特别是低透气性煤层瓦斯治理难度越来越大，必须采用强化措施来增加煤层的透气性才能有效地进行瓦斯抽采。

常规采用的水力压裂和水力割缝方法可提高煤层透气性[1]，消除煤层的突出危险性[2-3]，但仍存在一定的局限性：水力割缝存在卸压面积较小的缺点；水力压裂方向不易控制，容易形成高应力集中区。

针对白皎煤矿突出煤层构造应力高、透气性系数低、瓦斯抽采效果差等问题，提出水力割缝和压裂联合增透技术治理瓦斯的方法并进行试验，最后依据试验结果，与水力压裂技术和普通抽采技术进行抽采效果考察比较。

水力割缝是通过钻孔向煤体里注入高压射流水对钻孔周围煤体进行切割并将煤岩屑沿钻孔排出，形成煤体裂缝孔洞(裂缝孔洞的大小直接影响煤层周围的卸压效果)，增大单个钻孔有效影响半径，导致煤体原有的应力平衡被破坏，周围煤体向裂隙孔洞空间运移，煤层发生卸压、变形和膨胀，进一步产生更多裂缝，扩大煤体的塑性区[4-5]。

缝槽能够对周围压裂钻孔起到弱面的作用，高压压裂水进入裂缝以后，能够促使弱面裂缝继续起裂、扩展和延伸，弱面将会继续扩大，致使压裂孔和水力割缝孔之间的煤体裂隙充分发育，形成互相贯通的立体裂隙网络，有效解决非定向
水力压裂时裂隙在煤体无序扩展、压裂后存在局部应力集中和卸压盲区等问题[6]。

2.1 试验煤层基本情况
白皎煤矿含煤地层为二叠系上统宣威组(P3x)，可采煤层及局部可采煤层共4层，
分别为C1、B2、B3、B4煤层。

本次选择的试验区域为238底板巷预抽B4煤层
条带区域,该区域煤层距B4煤层23 m，煤层倾角16°,煤厚0.5～5.4 m，平均煤厚2.5 m，煤的坚固性系数f=2～4。

B4煤层在该区域内稳定、全区可采，其顶板为炭质泥岩、泥质灰岩、细砂岩，厚5.87 m；底板为黏土岩、细粒砂岩，厚3.52 m。

根据实测，该煤层原始瓦斯含量为18.41 m3/t，煤层透气性系数为2.354
743×10-9 m2，为低透气性突出煤层。

2.2 试验钻孔布置及施工
2.2.1 钻孔位置及参数设计
设计了3种方案，每种方案12个钻孔，每3个钻孔为一组，即每种方案4组钻孔，组间距为16 m。

3种方案的钻孔布置如图1、图2所示。

图1中238底板抽采巷右端4组为水力割缝和压裂联合增透试验钻孔(联合组)；
中间4组为水力压裂增透钻孔(水力压裂组)；左端4组为普通抽采钻孔(普通抽采组)。

选择其中联合第1组2#孔为联合增透试验孔，联合第4组2#孔为水力割缝孔，水力压裂第1组2#孔为水力压裂钻孔。

钻孔设计参数见表1。

2.2.2 钻孔施工情况
采用Φ94 mmPDC钻头开孔，终孔穿B4煤层底板0.5 m，采用水力排渣。

钻孔
全部使用水泥砂浆封孔。

严格做好钻孔施工记录。

钻孔施工完毕以后，首先，对联合第1组2#孔和联合第4组2#孔进行水力割缝；然后，将Φ50 mm压裂管和返浆管埋入联合第1组2#孔和压裂第1组2#孔；压裂管埋置穿过煤层顶板，前端1.5 m布置80 mm的塞管，注水管前端缠毛巾，其长度为0.4 m左右，用毛巾包裹住注水管，然后用铅丝在连接头前端将毛巾扎紧，
并将前端的毛巾翻过来，再用铅丝扎紧，俗称“马尾巴”装置。

毛巾的用量以“马尾巴”装置刚好能送入注水孔内为宜，注水钻孔后端采用A、B胶封堵；采用普通水泥与白水泥(配比为3∶1)的混合物封堵压裂钻孔中段，封至煤层底板处。

2.2.3 试验现场情况
1)水力割缝和压裂联合增透技术试验。

采用CBYL400型压裂泵组进行压裂，初始注水压力由0逐渐升高至22.3 MPa，压力稳定在20.3～22.3 MPa；注水流量45～47 m3/h，经过4 h 后发现导向水力割缝孔有大量的水流出，并且压力急剧下降至10.5 MPa，此时停止压裂，共注入水量181 t。

2)水力压裂增透技术试验。

泵组与水力割缝和压裂联合增透技术相同，初始注水压力由0逐渐升高至23.6 MPa，压力稳定在20.3～23.6 MPa；注水流量45～48 m3/h，压裂3.5 h后发现238底板巷有大量淋水现象，并且压力急剧下降至8.3 MPa，此时停止压裂，共注入水量175 t。

2.3 监测方法
在施工完毕后，对试验区域的钻孔进行接抽，分别对3种试验方案抽采瓦斯管道安装V锥流量计，通过V锥流量计测定3种试验方案汇总瓦斯浓度、抽采混合量以及抽采负压；使用高浓度瓦斯检测仪测定3种试验方案初抽单孔瓦斯浓度。

3.1 瓦斯抽采浓度比较分析
3.1.1 初抽单孔瓦斯浓度比较
3种抽采方案的初抽单孔瓦斯体积分数对比情况如图3所示。

由图3可知，联合组钻孔初抽单孔瓦斯体积分数为50%～90%，抽采效果比较理想；因水力割缝钻孔在水力压裂过程中起到定向导向作用，以免穿透顶板，使得整个压裂区域煤体产生大量的贯通裂隙。

水力压裂组仅有50%抽采钻孔的初抽单孔瓦斯体积分数达到50%～90%，在水力压裂过程中，高压压裂水流向煤岩体的弱面，随着压裂半径的增大，破坏了顶板，压裂效果越来越差；而普通抽采钻孔初抽单孔瓦斯体积分数
为20%～40%。

说明水力割缝和压裂联合增透技术能有效增加煤体的卸压范围和
暴露面积，增大煤体变形和破坏，产生大量的裂隙通道，从而提高了压裂区域煤层透气性。

3.1.2 钻孔瓦斯高效抽采时间比较
通过测定钻孔汇总瓦斯体积分数的稳定性来反映抽采的高效性，每隔5 d对3种
抽采方案的瓦斯抽采参数进行测定并统计。

3种抽采方案汇总瓦斯体积分数的衰减趋势如图4所示。

由图4可知，238底板巷抽采65 d，水力割缝和压裂联合增透钻孔汇总瓦斯体积
分数基本无衰减，汇总瓦斯体积分数维持在30%以上；而水力压裂钻孔和普通抽
采钻孔汇总瓦斯体积分数分别衰减了6.1%和3.7%。

说明普通抽采钻孔瓦斯体积
分数衰减更快，瓦斯抽采效果越来越差。

3.2 瓦斯抽采纯量比较分析
3种抽采方案累计瓦斯抽采纯量对比情况如图5所示。

由图5可知，在抽采65 d 后，水力割缝和压裂联合增透钻孔瓦斯抽采纯量为12 891 m3，是水力压裂增透
钻孔的1.33倍、普通抽采钻孔的2.76倍。

并且瓦斯抽采纯量呈直线上升，说明钻孔瓦斯抽采纯量随着抽采时间的增加衰减程度较小；压裂增透钻孔累计瓦斯抽采纯量随着抽采时间的增加而减小；而普通抽采钻孔瓦斯抽采纯量始终较低，累计瓦斯抽采纯量随时间增加不多。

1)采用的高压水力割缝和压裂联合增透技术，钻孔初次抽采瓦斯体积分数为50%～90%，分别比水力压裂钻孔和普通抽采钻孔提高了7.6%～29.6%和
31.6%～59.6%。

抽采65 d以后，联合钻孔汇总瓦斯体积分数仍保持在30%以上，而水力压裂和普通抽采钻孔则分别衰减了6.1%和3.7%，钻孔瓦斯浓度衰减明显。

表明采用联合增透技术的煤层群其透气性显著增加，卸压范围增大，有效提高了瓦斯抽采浓度和抽采效果。

2)联合增透钻孔的累计瓦斯抽采纯量随时间增加几乎呈直线增长趋势，瓦斯抽采浓度几乎无衰减，抽采65 d的累计瓦斯纯量为12 891 m3，是水力压裂钻孔的
1.33倍、普通抽采钻孔的
2.76倍。

表明联合增透技术增大了煤体中瓦斯的流速和流量，增加了瓦斯涌出的强度和持续时间。

3)水力割缝可为压裂提供导向作用，压裂促使区域裂隙延伸、扩展和相互贯通，提高了煤层透气性和抽采效果；水力割缝和压裂联合增透技术能够在低透气性煤层瓦斯抽采过程中取得显著效果，可为类似矿井提供经验参考。

【相关文献】
[1] 秦江涛,杨春,庞成，等.A-B胶封孔工艺在煤矿顺层抽采钻孔中的应用性试验[J].矿业安全与环保，2013，40(6)：77-78.
[2]闫发志,朱传杰,郭畅,等．割缝与压裂协同增透技术参数数值模拟与试验[J].煤炭学
报,2015,40(4):823-829．[3]李全贵,翟成,林柏泉,等．低透气性煤层水力压裂增透技术应用[J]．煤
炭工程，2012(1):31-33．[4]闫发志,林柏泉,沈春明,等．基于煤层卸压增透的水力割缝最优出煤量
研究[J].中国煤炭,2013,39(4):95-97．[5]林柏泉,张其智,沈春明,等．钻孔割缝网络化增透机制及其
在底板穿层钻孔瓦斯抽采中的应用[J].煤炭学报,2012,37(9):1425-1430．
[6]陈学习,徐永,金文广,等.低透气性煤层定向水力压裂增透技术[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2016,35(2):124-128.。