浅谈煤矿井下的水力压裂技术

浅谈煤矿井下的水力压裂技术

随着我国煤矿开采深度逐步增加，瓦斯灾害日益突出，为保证煤矿安全生产，人们越来越重视瓦斯灾害的治理研究。目前瓦斯抽放是瓦斯治理最有效的措施，但由于国内煤层具有低渗透率的特点，瓦斯抽放效果有限，如何提高煤层的渗透率，增大透气性系数，成为目前瓦斯治理工作研究的重点。当前常用的方法主要有深孔松动爆破和煤层高压注水压裂两种，前者虽然能够提高煤层的渗透率，但在应用过程中易产生哑炮而留有安全隐患。目前淮南矿业集团正大力推广水力压裂增透技术，提高钻孔抽采效果，减少钻孔施工数量，实现技术经济一体化。

1 水力压裂增透技术基本原理

煤矿井下水力压裂是一种使低渗煤层增透的技术，其基本原理是借助高壓水通过钻孔以大于煤岩层滤失速率的排量向煤岩体注入，克服最小地应力和煤岩体的抗拉强度，在煤层各种原生弱面内对弱面两壁面产生的劈裂或支撑作用使弱面发生张开、扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割，这种分割过程一方面通过原生弱面的张开和扩展，增大了裂隙等弱面的空间体积，增加了煤体孔隙率；另一方面原生孔裂隙等弱面的延伸增加了孔裂隙之间的连通，形成相互交织的多裂隙连通网络，增加了瓦斯的运移通道，正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层的渗透率大大提高，在负压抽采过程中，使得吸附瓦斯得以快速解吸，从而提高低渗煤层的抽采效果。

2 施工背景

淮南潘一矿东井西一（13-1）盘区顶板回风上山揭13-1煤预计瓦斯压力达到

5MPa左右，突出危险性较大，为提高揭煤消突钻孔的预抽效果，达到快速消突的目的，确保安全、高效地揭过13-1煤层。选择对该处揭煤采取水力压裂增透技术。

3 钻孔施工

3.1 水力压裂钻孔设计

本次压裂试验压裂半径按30m进行设计，共设计5个压裂钻孔，分别为压1、压2、压3、压4与压5，其中压2与压5均穿过13-1煤层1m，即进入13-1煤层

顶板1m。5个压裂钻孔分两个地点进行压裂，其中压1、压2、压3孔在1252（3）底板巷施工，压4与压5在揭煤巷道施工至法距15m处施工。另外为了考察此次压裂过程中压裂设计参数的有效性，在1252（3）底板巷压裂区域设计了3个辅助考察孔，分别为辅1、辅2、辅3。

具体设计见下图：

3.2 施工工艺

压裂钻孔先使用Φ153mm钻头施工6.2m，下Φ127mm岩心管6m，下好注浆管，安装好法兰盘后，全孔注浆。待注浆凝固后，采用Φ94mm钻头施工至见煤前

2m，再次通过法兰盘注浆至注浆压力达6MPa且稳定10分钟；待浆液凝固（至少48小时）后，使用Φ94mm施工至止煤1m后起钻。辅助钻孔采用Φ94mm钻头施工到设计孔深。

3.3 封孔工艺

钻孔封孔采用“一堵多注、带压注浆”方式进行封孔。孔内全程下入Φ25mm内径压裂管至孔底，实管下至见煤后0.5m位置，其余见煤段为高压筛管（最上段筛管带堵头，且筛管采用纱布包裹），孔口外露不小于400mm，采用特制接头连接；孔内下4分注浆管至见煤点，孔口第三根钢管设置弹性封堵装置，弹性封堵装置外段采用聚氨酯加棉纱进行封堵固定。聚氨酯固孔结束后，利用注浆泵进行带压注浆，水∶水泥体积比为0.7∶1，普通水泥∶白水泥比为3∶1，根据实际情况采用多次带压注浆进行封孔，注浆压力不小于4MPa，小于4MPa进行补注。

辅助钻孔封孔采用全程下套管的封孔方式，2英寸PVC实管下至见煤点前1m，煤段使用1英寸铁花管，花管前端带尖锥，预留4m长4分注浆管。孔口使用聚氨酯封堵2m，聚氨酯封堵牢固后，使用注浆泵注浆至2英寸PVC套管内返浆。

4 压裂及效果评价

4.1 压裂过程

潘一矿东井1252（3）底板巷水力压裂分为三个阶段进行，共历时25天，三次的注水量均为330m3，在第一次对1#压裂孔进行水力压裂过程中，钻孔附近有四处锚杆存在滴水现象，其余两次压裂过程中巷道均无异常现象。根据3次压裂的

情况，初步估算13-1煤层起裂压力为24～26MPa，注水量可达到330m3。统计情况如下表：

4.2 压裂效果

为确定水力压裂影响半径，在底板巷内施工了3个检验钻孔，分别距离最后压裂的3#压裂孔30m、40m、50m，具体布置如图4所示：

在检验钻孔施工见煤时，通过测定煤层含水率及直接法测定瓦斯含量对压裂半径进行考察，具体数据如下表所示：

根据上表可以看出，受水力压裂影响，在距离压裂钻孔50m位置含水量已达到原始状态的2倍以上，30m位置达到原始状态的2.74倍。并且在迎头施工距2#压裂孔90m的4#压裂孔时，取煤样测得煤样含水率达到5.8%，综合考虑，可以得出结论压裂影响半径已达到50m范围。

根据测得的瓦斯含量情况可以看出在压裂影响半径内瓦斯含量随半径增加而递增，应该是受水压影响部分瓦斯向外围转移，预计在水力压裂的50m范围外出现高瓦斯压力及高瓦斯含量集中圈。

后期在1262（3）轨回联巷施工了25个考察钻孔，钻孔终孔位置在水力压裂影响的40～60m范围，所施工钻孔考察最低单孔浓度81%，最高单孔浓度100%。干管浓度达到89%。显然水力压裂的影响半径达到了50m，并在影响范围的外围形成了高瓦斯含量集中圈。

5 结语

（1）在潘一矿东井进行的水力压裂试验形成了适应该矿井的穿层钻孔水力压裂工艺，为安全高效地进行石门揭煤奠定了很好的基础；（2）通过本试验形成了一套适合潘一矿东井的水力压裂钻孔施工、封孔以及压裂工艺；（3）通过现场井下水力压裂试验的压裂试验研究分析以及压裂效果检验，表明井下水力压裂对提高钻孔的抽采效果是非常有效的。

參考文献

[1] 袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京：煤炭工业出版社，2004.

[2] 张国华，魏光平，侯凤才.穿层钻孔起裂注水压力与起裂位置理论[J].煤炭学报，2007，32（7）.

[3] 张国华.本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究[D].辽宁工程技术大学，2003.