水力压裂技术在矿井突出治理中的应用

水力压裂技术在矿井突出治理中的应用

作者：桑杰

来源：《科技创新导报》 2011年第18期

桑杰

(河南煤化鹤煤(集团)公司河南鹤壁 458000)

摘要:随着开采深度的不断的延伸,煤层瓦斯含量、瓦斯压力在不断的增大,为防止在生产

过程中突出事故的发生,实现安全生产,对高压注水压裂消突技术进行了研究。测取压裂参数,利用压裂设备,对有突出危险性的实体煤进行压裂。经实践表明,水力压裂技术可将煤(岩)体内部

微裂隙扩展使其连同,将煤体内的瓦斯潜能及弹性能得到一定量的释放,是煤层的透气性增加,结合瓦斯抽防技术使被压裂的实体煤内的瓦斯压力和瓦斯含量降低,削减和消除煤体突出的危险性。这项技术的实施有效的保证了突出煤层区域消突,为在突出危险区的煤层开采提供了一项可行的新措施。

关键词:水力压裂技术矿井治理

中图分类号:TD712 文献标识码:A 文章编号:1674-

098X(2011)06(c)-0049-02

鹤煤集团六矿位于鹤壁煤田东部,可采煤为层二1煤,煤厚4.67～15.6m,平均厚8.67m；六

矿井田为一向东倾斜的单斜构造,断层、褶曲发育,构造煤多且厚度变化剧烈,到井田深部尤其明显,平均倾角20°左右,深部暂定边界标高-800m。所采二1煤层为难抽煤层(透气性系数0.03～0.045md,百米钻孔抽放量一般为0.017m3/hm.min),2008年矿井瓦斯鉴定结果瓦斯绝对涌出量为72.10m3/min,相对瓦斯涌出量为29.80m3/t。目前实测得最大瓦斯含量为16.48m3/t,最高瓦斯

压力为1.6MPa(-390m、表压力),如何保证安全生产,是六矿急需解决的问题。笔者通过现场实践,对高突煤层水力压裂技术进行了研究。

1 水力压裂消突机理

为增加煤层透气性,提高瓦斯抽放效果,从根本上改善六矿的防突条件,在河南省煤层气开发利用有限公司的大力支持下,六矿在井下21431综采工作面开展了水力压裂增加煤层透气性试验。井下压裂的基本原理就是将压裂液高压注入煤(或岩)体中原有的和压裂后出现的裂缝内,克服最小主应力和煤岩体的破裂压力,扩宽并伸展和沟通这些裂缝,进而在煤中产生更多的次生裂缝与

裂隙,从而增加煤层的透气性。

2 水力压裂消突技术

2.1 压裂注水参数的选择

实施水力压裂措施时,最重要的是各项注水参数选择,它包括压裂孔布置方式、压裂孔孔深、封孔深度、注水时间以及注水压力等。由于这些参数目前没有固定的计算公式,各项参数都需要通过现场摸索试验来确定。

(1)钻孔布置方式

本次压裂布孔有两个地点,分别为21431工作面和21431集中巷,先开展了工作面的水力压

裂工作,之后进行了集中巷穿层孔水力压裂试验。

地点一:在21431工作面中部布置压裂孔,具体位置为距上顺槽62.5米处(斜距),采用

Ф50mm的钻杆,配Ф75mm的钻头,平行于上顺槽方向,孔深42m,

地点二:在21431集中巷以南129m处,以仰角53°,垂直集中巷上帮向煤体打压裂孔,孔深穿透煤层并见顶板(实际岩孔长35m,穿煤17m,共52m)。

(2)压裂孔封孔深度

本次试验封孔材料采用膨胀速凝水泥,封孔工艺采用注浆泵高压水泥砂浆封孔。封孔深度在工作面为20～25m,在运输顺槽25～30m。

(3)注水压力

注水压力是所有水力化措施中的重要参数。若注水压力过低,不能压裂煤体,煤层结构不会发生明显的变化,相当于低压注水湿润措施,短时间内注水起不到卸压防突的作用；若注水压力过高,导致煤体在地应力和水压综合作用下迅速变形,形成突出。因此,合理的注水压力应该能够快速、有效破裂松动煤体,进而改变煤体孔隙和裂隙的容积及煤体结构,排放煤体瓦斯,达到消突的目的。

(4)压裂时间

压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关,注水压力、流速不同,相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。注水过程中,煤体被逐渐压裂破坏,各种孔裂隙不断沟通,高压水在已沟通的裂隙间流动,注水压力及注水流量等参数不断发生着变化,注水时间可根据注水过程中压力及流量的变化来确定。根据以往的地面水力压裂和井下水力挤出试验经验,当注水泵压降低为峰值压力的30%左右,可以作为注水结束时间。

注水系统由注水泵、水箱、压力表、专用封孔系统等组成。注水泵选用额定压力为

31.5MPa、额定流量为400L/min的BRW400/31.5型煤矿用乳化液泵。为便于操作和控制,注水泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件,水箱容积3m3。压力表采用YHY60(B)矿用本安型数字压力计和FCH32/0.2矿用本安型手持采集器。

高压管路选用2寸高压胶管和优质无缝钢管,采用快速接头连接。无缝钢管外径57mm,壁厚6mm,每节长3m。孔内末段钢管5m开孔,孔径10mm,孔密20孔/米,钢管底部锥形丝堵封口。

如图1所示。

2.2 工作面顺层孔试验

21431工作面及集中巷进行了水力压裂试验。

1首先对2143工作面注水孔进行压裂。试验开始,试机、试压完好,压力达到6MPa,流量水

表原始数据分别为99980、00018。

经过压裂,本次顺层孔压裂压力最高11MPa,注水量为12.5m3。

顺层孔压裂结束后进入工作面查看,工作面71架至77架位置(距下顺槽约93.75～101.25m)顶板岩石冒落,堆满运输机(压裂孔位于62架,距下顺槽约82.5m),本段有煤壁外移现象。

2.3 2143集中巷穿层孔试验

21431集中巷压裂孔处(距五川129m),单泵进行管路试压,流量水表数据分别为99983.6、00028.1,后停泵,查看管路无问题。

水表数据为10008.9、00030.3,累计注水量21.1m3。

本次穿层压裂压力最高8MPa,注水量为27.5m3。

穿层孔压裂结束后进入工作面查看,下顺槽距五川139m位置(下顺槽大坡度下)上帮出水,分析是穿层压裂孔与断层裂隙导通形成裂隙漏水。

2.4 水力压裂期间上顺槽回风瓦斯涌出情况

利用水力压裂前后21431工作面回风瓦斯传感器监测曲线分析水力压裂期间瓦斯涌出情况。开始进行水力压裂,之前回风瓦斯浓度约为0.3％,自压裂开始到压裂结束,回风瓦斯浓度自0.4％逐渐上升,浓度稳定在0.5％,瓦斯浓度最大0.74％,到结束时回风瓦斯浓度恢复至0.3％左右。

水力压裂期间,工作面回风风量约为1300m3/min,经计算,水力压裂期间瓦斯涌出量比平时

多涌出约800m3。

2.5 水力压裂试验前后21431工作面瓦斯抽放效果对比

(1)2143下顺槽抽放情况对比

水力压裂前:下顺槽抽放钻孔抽放负压约130mmHg,瓦斯浓度为15％～16％,抽放纯量为

0.5～0.6m3/min。

水力压裂后:下顺槽抽放钻孔负压约为70mmHg,瓦斯浓度在15％～22％,抽放纯量为0.8～

0.9m3/min。

分析:对比水力压裂前后下顺槽瓦斯抽放情况,抽放浓度比原来抽放浓度增加5％～6％,抽

放纯量增加0.3～0.4m3/min,抽放效果明显提高。

(2)2143集中巷抽放情况对比

水力压裂前:集中巷穿层抽放钻孔抽放负压约120mmHg,瓦斯浓度为27％,抽放纯量为

0.15～0.2m3/min。