谢桥矿1351（3）工作面水力压裂增透卸压技术实验

栾玥琪

（安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232000）

0 引言

我国作为一个“富煤、贫煤、少气”的国家，其能源生产的发展前景很大程度上依赖煤炭工业的稳健发展。我国各项工业资源的储存情况决定了煤炭资源在很长一段时间内都是占据我国支配地位的主要能源，我国煤矿多为高瓦斯低透气性矿井，随着煤层开采深度增加，地质情况愈加复杂，瓦斯灾害趋于严重，煤与瓦斯突出已经成为威胁煤矿安全开采的主要问题之一[1-5]。煤与瓦斯突出是一种极为复杂的煤矿自然灾害，受诸多自然因素和人为干预的影响，它是煤矿井下含瓦斯的煤岩体多以碎粉状向采掘部位急剧运动并伴随着大量瓦斯喷出的一种强烈动力过程，突出过程中喷出的煤-瓦斯两相流可推进几百米，瓦斯流则可逆向推进数千米，严重危害了矿井生产和人员人身安全[6]。

煤层瓦斯抽采的关键在于煤层渗透率的提高，结合施工安全和应用效果，水力压裂技术可以较好地解决这个问题[7]。水力压裂作为一种防治煤与瓦斯突出技术，其工作原理为通过将高压水注入煤层，使得煤层中的原生裂隙发展成为网状，这会增加瓦斯流动通道，进而提高煤层透气性[8]。本试验对谢桥矿1351（3）工作面使用水力压裂技术，测得抽采半径、单孔抽采量、抽采纯度等参数，为水力压裂技术在谢桥矿煤层中的推广提供了一种可靠思路。

1 工作面概况

谢桥矿1351（3）工作面走向长度1070m，倾斜宽240m，设计标高-600m～-654.5m，处于突出煤层突出危险区，邻近工作面1341（3）工作面均已回采完毕。本煤层采用上下顺槽顺层钻孔进行预抽，其中上顺槽每50m施工一个钻场，下顺槽位于巷帮施工平行钻孔，排内间距10m，上下顺槽钻孔压茬5m。设计1351（3）底抽巷为1351（3）工作面瓦斯治理专用巷道，内错1351（3）下顺槽30m，巷道断面设计为4.0m×3.0m，采用锚网索支护，巷道底板标高-667.1～-670.5m，距13-1煤底板法距18～23m，设计全长1118m。巷道岩性为砂质泥岩，顶板至13-1煤层底板岩性依次为砂质泥岩（10.1m）、花斑泥岩（3.6m）、砂质泥岩（0.6m）、炭质泥岩（3.0m）、泥岩、12煤（0.7m）、砂质泥岩（4.5m），巷道底板为砂质泥岩。

1.1 瓦斯储存情况

13-1煤为突出煤层，-610m以下为突出危险区。该区域煤层原始瓦斯压力1.12MPa，原始瓦斯含量5.4 m3/t，煤层透气性系数为0.00136m2/(MPa2·d)，原始含水率2%。

1.2 地质情况

13-1煤呈黑色，形状以块状为主、少量为片状及粉末状，呈玻璃～油脂光泽，属半亮型煤。煤层下部普遍发育一层夹矸，夹矸为泥岩或炭质泥岩，均厚0.4m。煤层结构为3.6（0.4）1.0，赋存稳定，煤层总厚1.0～6.7m，平均厚度5m。其中煤层产状为：185°～205°，∠10°～15°，平均倾角13.5°。

2 水力压裂设备及压裂孔设计

水力压裂设备：1351（3）工作面水力压裂选用额定压力56MPa、额定流量200L/min的BZW200/56型乳化泵，注水管路选用两路∮19.0mm高压胶管，封孔管采用∮42mm高压无缝钢管。

压裂钻孔设计：压裂钻孔的设计为沿工作面走向，每隔100m布置一个，孔径为∮113mm，终孔位置在于工作面的正中偏下方，距下顺槽118m，距上顺槽122m。

水力压裂进展情况：共完成1#、2#、3#、5#共计4个钻孔水力压裂，其中1#、2#、3#钻孔单孔注水量依次为407m3、352m3、190m3，总量逐渐降低，注水压力分别为23.9MPa、38.2MPa、34.0MPa，并无明显规律；5#钻孔注水量为710m3，较1～3钻孔明显增加，注水压力22.0MPa，为4个钻孔压力中最小。经分析可知，此现象是由底抽巷拨门口及1#钻场钻孔因出水较大而停止压裂所造成的。

3 压裂效果考察

3.1 水力压裂影响半径考察

本试验设计通过在1351（3）底抽巷施工穿层孔，在1351（3）上、下顺槽顺层钻孔取样测定煤层瓦斯含量及含水率，其中1351（3）底抽巷在底抽巷施工3个走向压裂考察钻孔（K3、K2、K1），设计考察走向半径分别为70m、60m、50m，有远至近进行施工；1351（3）上顺槽利用2#钻场3#、4#抽采钻孔，设计考察倾向（上向）半径分别为70m、60m、50m；1351（3）下顺槽利用22#～28#顺层抽采钻孔，设计考察倾向（下向）半径分别为70m、60m、50m、40m。

从实际施工情况可知，下顺槽在施工至孔深50～70m时，孔口返出煤粉潮湿，70～100m孔内开始出水，钻进困难。上顺槽施工至孔深40～60m时煤层潮湿，易造成跨孔埋钻。2号钻场的1#孔因煤层潮湿，导致钻进困难无法排渣，故停止钻进。

3.2 压裂后抽采效果考察

1351（3 ）上顺槽第一单元抽采考察：选择上顺槽走向200m为第一考察单元，钻场内钻孔扇形布置，孔间距10m，双排三花布置。现已施工完毕2个钻场，1#钻场设计钻孔17个， 2#钻场设计钻孔18个。1351（3）下顺槽第一单元抽采考察：选择1#压裂钻孔东侧60m范围作为第一单元，设计顺层抽采考察钻孔15个，平行工作面布置，排内间距10m，双排三花布置。

抽采效果考察结果分析：（1）下顺槽第一单元最大抽采纯量0.66 m3/min，单孔最大抽采纯量0.03 m3/min。单元平均抽采浓度37.6%，平均抽采混量1.33 m3/min，平均抽采纯量0.50m3/min，单孔平均抽采纯量0.027 m3/min，相比上顺槽第一单元抽采瓦斯纯量增加了2.6倍。（2）上顺槽施工钻孔35个，钻孔量4003m；下顺槽施工钻孔21个，钻孔量2410m，相比上顺槽第一单元，下顺槽单位面积钻孔量减少40%，钻孔单位面积抽采纯量增加45%。

4 试验结果分析

（1）随着压裂注水量及压力的增加，压裂范围不断扩展至原煤巷穿层条带预抽区域，钻孔出水后停止压裂。自底抽巷由外向里按顺序进行压裂过程中，1、2、3号压裂孔单孔注水总量逐渐下降。经分析后认为，这一现象是由前一轮压裂影响范围与后一轮压裂影响范围之间相互交叉、后一轮压裂注水量达不到前一轮压裂注水量（即达到注水压裂效果）所产生，即是实际压裂影响半径超过设计影响半径（设计压裂半径50m）。5号压裂孔的单孔总注水量达710m3，注水压力始终保持在22MPa，注水量保持在0.4m3/min；当压裂进入第4天，距离压裂孔712m处（底抽巷拨门口）的锚杆出现明显淋水现象，此时底抽巷内其他地点无淋水现象，且底抽巷内距离压裂孔最近的实见断层FG1（h=2m,距离压裂孔最近处48m）也未出水。对于这一现象，经分析后认为与下列因素有关：（1）5#压裂孔终孔深度75m，理论计算封孔水泥12袋，实际注浆14袋，封孔效果好；（2）压裂水没有进入断层带内；（3）压裂水是在距离压裂孔一定距离外（至少48m）通过煤层裂隙进入煤层底板，并通过沿底板的层间裂隙向外流动；（4）可能存在一条或多条贯通东西走向的裂隙通道。为进一步验证出水来源与压裂水的关系，停止压裂后，出水点水量逐渐减小，7天后出水终止。

（2）工作面顺层钻孔取样测定煤层最高水分为4.1%，测定值偏低。造成这一结果的主要原因为顺层钻孔煤层倾角较小（最大13°），排渣不够彻底，钻进过程中各煤层段煤粉相互混合；特别是下向顺层钻孔，在取样深度较长、孔内潮湿的情况下，钻孔深部的煤粉很难排出孔外，即使孔口取到煤样也不能准确反映出目标位置的真实数据。

（3）从顺层钻孔含量测定结果来看，距离压裂孔下方58m处测得瓦斯含量5.35 m3/t，与原始含量（5.4 m3/t）基本一致；压裂孔附近的瓦斯含量低于原始含量值，并从压裂孔向外逐渐增加至原始值；距离压裂孔上方76m，处于压裂影响范围以外，且煤层埋深相对较浅，测定值接近原始含量值。

（4）从顺层钻孔抽采效果来看，下顺槽单孔平均抽采纯量较上顺槽增加260%，单位面积抽采纯量（m3/ m2.d)增加45%。按压裂影响半径60m计算，下顺槽钻孔控制范围60%位于压裂影响区域内，上顺槽仅占9%，压裂区域内煤层裂隙扩展延增强煤层的透气性，是影响抽采效果的主要原因。此外，上下顺槽原始瓦斯含量相差接近1m3/t，也起到了影响抽采的作用。

5 结论

谢桥矿1351（3）底抽巷对应工作面13-1煤层实施水力压裂后，由于煤层透气性改善，抽采半径增加，距离有效影响区域越近的1351（3）下顺槽第一单元与1351（3）上顺槽第一单元对比，单孔抽采量增加了260%，下顺槽单位面积抽采纯量增加了45%，钻孔量减少40%，钻孔抽采效率明显提高。现场研究表明，水力压裂技术能显著提高煤层的透气性，为存在煤与瓦斯突出问题的施工现场的人员财产安全提供有力保障。

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