小宝鼎煤矿区域性煤体水压预裂增透抽采瓦斯工艺探索

小宝鼎煤矿区域性煤体水压预裂增透抽采瓦斯工艺探索

掌握小宝鼎煤矿的瓦斯赋存规律，针对矿井煤层赋存条件，运用水压预裂技术，采用新型高

强封孔剂和封孔工艺，成为小宝鼎煤矿提高瓦斯抽放率、防止瓦斯事故的一种常规手段之一，并形成水压预裂提高低透气性煤层瓦斯抽采率技术。

二、区域性煤体水压预裂增透抽采瓦斯工艺探索

（一）煤体水压预裂增透机理 1、煤体水压预裂基本原理

煤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。煤体水压预裂的压力- 时间曲线反映了煤岩体的水力压

裂过程。

在煤岩体内采用钻孔水力压裂时，首先在煤岩体内形成钻孔，而后压注高压水。钻孔在高压

水的作用下，孔壁发生破裂，压力水随着裂缝面的扩展和延伸，便进入到煤体内部。这样的

一个过程可以分成三个部分：起裂阶段，高压水形成裂缝阶段，高压水注入煤岩体阶段。第一阶段主要是高压水浸润钻孔周围煤岩体，改变煤岩体的力学

性能，最终实现钻孔失稳而形成裂缝。这个过程，需要一定的时间，最终使得高压水压裂弱面并扩展裂缝。

第二阶段主要是高压水对煤岩体的劈裂作用，并迅速形成主裂缝，主裂缝在高压水的作用下将继续扩展。

第三阶段主要是煤岩体注水阶段，在这个阶段高压水在裂缝内将通过裂缝壁面向煤岩体内注水，并形成次生裂缝。

2、煤体水压预裂抽采瓦斯工艺

煤体的结构类型是水力压裂成功的关键，因此煤体水压预裂工艺取决于煤体结构，同时也受到煤矿井下施工条件和对瓦斯抽采要求的制约。煤体水压预裂增透抽采瓦斯工艺依次包括以

下几个步骤：(1) 选取压裂地点；(2) 根据煤体结构类型、巷道布置和构造发育程度来确定压

裂类型，即本煤层水力压裂 ( 包括穿层和顺层 ) 和虚拟储层压裂 ( 顶底板顺层和穿层) 两种；(3) 确定压裂钻孔施工参数( 孔长、开孔高度、孔径、倾角、方位角等 )；(4) 水力压裂设计：

包括封孔参数、注水压力、注水流量和压裂液选择等；(5) 排水；(6) 压裂效果检验；(7) 并入

抽采管路进行抽放。煤体水压预裂抽采瓦斯工艺的具体流程如图 1 所示。

（1）煤体水压预裂泵

煤体水压预裂泵是水力压裂的关键设备，用以提供高压水对煤储层实施压裂改造，与地面煤层气井水力压裂车相比，煤矿井下空间有限，供电条件苛刻，且要求严格防爆，可采用RBYB160/31.5、 BRW200/31.5、BRW400/31.5 等矿用乳化液泵。本次水力压裂试验采用的是RBYB160/31.5 矿用乳化液泵，其参数如下。①最大排量：160L/ min；②最高压力：31.5MPa；

③可调排量和压力；④泵出口有流量计和压力表，便于观察；⑤配有限压功能电控柜。（2）封孔方式及深度

煤体水压预裂就是利用高压水在钻孔内“憋压”，促使煤储层破裂和裂缝延伸实现增透，虽说

高压水提供动力源，但是钻孔封孔质量的密实性是提升水压的关键。目前主要有封隔器封孔

与水泥砂浆封孔两种方式可供选择。

①对于顺槽钻孔 ( 工作面抽采 )、穿层钻孔，主要采用水泥砂浆或化学浆进行封孔，封孔深

度在 30 m 以上。穿层钻孔时，封孔深度尽量接近煤层。优点在于对钻孔的质量要求不高，实现压裂与抽采一体化。

②在掘进工作面进行钻孔时，主要采用胶囊封隔器进行封孔。胶囊封隔器要求抗压强度达

到 40MPa 以上，扩张系数大于 150%，单节胶筒长度不小于 0.8 m，但不宜过长，方便下入和

取出，循环使用。

（3）高压管汇

煤矿井下的空间有限，压裂泵不易频繁搬运，一般是固定在一个位置，对附近的工作面或掘

进迎头等全部实施压裂后再考虑移泵。同时，为了水力压裂的施工安全，压裂泵距离施工钻

孔必须有一定的安全距离，危险区内要撤人并设警戒，防止出现伤害事故。因此随着不同钻

孔与压裂泵距离的变化，高压管路是联接高压泵和压裂钻孔的必备设施，满足：①抗压能力：35MPa；②接扣：快速接头。

（二）煤体水压预裂效果评价 1、泵注参数记录

泵注参数是判断水力压裂过程最直接的参数，反映了裂缝扩展与延伸及施工顺利与否的重要证据。泵注参数包括泵入压力、排量、总液量和时间等数据，其中压力 - 排量 - 时间三者关

系是煤层破裂和裂缝延伸的间接反映。

2、煤体水压预裂前后参数测试

①压裂前后瓦斯参数变化。主要包括瓦斯含量、钻孔瓦斯流量、钻孔流量衰减系数、煤层

透气性系数、K1 值、钻屑量、a、b、△ P、f。

②压裂前后压裂孔两侧巷道的形貌变化。尤其是较为发育的构造附近及煤体裂缝发育地带，观察煤壁是否出水、巷道变形等，确定压

本煤层水力压裂、虚拟储层压裂

孔长、开孔高度、孔径、倾角、方位角

裂效果与压裂半径。

③瓦斯抽采参数变化。将压裂孔和观测孔进行封孔并联网抽采，测试压裂后压裂孔和观测

孔的瓦斯抽采量、负压、浓度等参数。对比邻近区域未压裂钻孔的抽采数据，考察压裂效果。

④测试煤体含水量变化。在水力压裂前后采用打钻，测试钻屑含

施工钻孔

注水压力、注水流量、压裂液选择

水量，对比压裂前后煤体水分的变化。

⑤大地电位法。利用压裂液体与地层之间电性差异所产生的电位差，在地面布置测点，通

过分析压裂前后参数变化即可圈定井下水力压裂的影响范围。

三、探索总结