解决低透气煤层瓦斯抽采的一项关键技术低透气煤层定向水力压裂增...
程林
摘 要：随着煤层开采深度的增加以及地质结构复杂，造成了煤层高瓦斯透气性差，严重影响煤炭开采速度及安全，水力压裂技术可有效提高煤层透气性，增大瓦斯抽取率，为煤矿的安全生产提供了保障。文章从水力压裂技术原理、钻孔、封孔技术以及实施效果等方面进行详细对比和分析。
关键词：水力压裂技术；瓦斯抽采；煤炭生产
0 前言
我国煤层80%以上是高瓦斯低透气性煤层，且具有微孔隙、低渗透率、高吸附的特性，具有以上特性的煤层开采时往往伴随大量瓦斯涌出，尤其是煤炭生产高集约化和开采深度的增加，促使瓦斯爆炸和瓦斯突出的危险愈发严重。开采深度的增加、地质构造复杂、煤层透气性差、瓦斯抽采率低、钻孔施工量大等问题的出现严重影响了工作面回采速度及安全生产，传统的防治煤与瓦斯的技术装备已不能满足实际生产的需要。水力压裂增透技术通过水力压裂，增大煤层透气性，扩大钻孔影响半径，可有效提高钻孔瓦斯抽采率，促进煤炭的安全生产。石壕煤矿为煤与瓦斯突出矿井，煤质松软、瓦斯含量大，透气性低的问题同样存在，瓦斯治理已成为制约矿井发展的关键因素，因此，在前期水治瓦斯治理成果的基础上，继续推广水治瓦斯增透技术很有必要。
1 水力压裂技术分析
（一）原理分析
井下水力压裂技术是利用高压、大流量的注水泵将水压入到煤层，促使煤层产生裂隙，各个裂隙之间相互影响，在压裂区域的煤层内原来的闭合裂隙被压开形成新的流通网络，煤层渗透性就会增加，而当压入的水被排除时，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创造了良好条件，煤层透气性系数随之增大。相对于实验室中单轴压缩条件下对煤层的结构破坏，水力压裂技术对提高煤层透气性更具优势。单轴压缩作用给煤层的破坏力来自于外力作用，而水力压裂技术则通过高压水的作用力对煤层支撑较弱的壁面产生破坏，促使弱面张开、扩展、延伸，形成对煤层的内部分割，这种分割作用增大了裂隙的空间体积和连通，从而提高煤层透气性。
（二）水力压裂钻孔、封孔技术分析
（1）水力压裂钻孔封孔
井组水力压裂钻孔设计位置应选择在巷道围岩较好段内，布置多个压裂钻孔联合组成压裂区域。石壕煤矿根据井下条件，改进水力压裂孔封孔技术后，实现了水力压裂--接抽一体化封孔工艺，钻孔封孔成功率100%。
（2）孔内套管总成及连接方式
孔内套管采用钢管加工，主要由3部分构成：孔底筛管（长度2m/根，壁厚5.5mm，1根）、中间煤岩层段过渡管（长度1.5m/根，壁厚5.5mm，若干）、孔口加强管（长度1.5m/根，壁厚8.5mm，6根，最后一根焊接Φ25mm快速接头）套管采用螺纹连接。套管采用钻机送入孔内，注浆用Φ20mm聚乙烯管与套管采用扎带连接，时送入孔底。采用聚乙烯管替代注浆钢管大大降低了劳动强度，提高了送管效率。
（3）多次注浆封孔技术
由于水泥浆凝固后体积收缩，采用一次注浆的方法难以一次性封孔至水力压裂煤层底板，水力压裂过程中水大量滤失进入其他煤层，水力压裂压力难以提升，最终导致水力压裂失败。在前期试验的基础上，通过增加注浆次数改进封孔技术，试验证明当注浆次数达到三次时，可有效提高封孔成功率。封孔采用BFK-12/2.4型高压封孔机。套管及注浆管送入钻孔设计层位后，孔口采用木塞及棉纱封堵后，开始首次注浆，注浆水泥用量3包，用于固定管道，首次注浆后打开注浆管控制阀，放出水泥浆液；间隔12小时后，二次注浆至孔底水力压裂筛管返浆为止，放出注浆管内水泥浆液；间隔12小时后第三次注浆至设计封孔位置，凝固48小时后可进行水力压裂。该工艺目前封孔成功率100%，解决了水力压裂封孔这一关键环节。
2 水力压裂技术实施及效果
（1）+290m总回风巷井组压裂孔施工参数
+290m总回风巷井组压裂区域上方对应南四区轨道进风上山揭煤区域，在+290m总回风巷内针对南四区轨道进风上山揭M8煤层设计3个钻场5个压裂孔，钻场间距30m，中心四角方式布置，中间一个钻场布置1个压裂孔在揭煤中心位置，其余4个呈四方形布置在4个角上，5个压裂孔均施工至M8煤层顶板0.5m位置，封孔至M8煤层底板位置。
（2）+290m总回风巷井组压裂施工工序
压裂前，必须先将未实施压裂的4个钻孔上好截止阀；压裂时，先打开未实施压裂的4个钻孔中的一个钻孔截止阀，直至该孔压出水为止；以此类推，对其余的压裂钻孔关闭其中三个压裂孔的截止阀，打开一个，直至该孔压出水为止；按上述压裂顺序，对剩余4个压裂钻孔分别轮流进行压裂，直至其余的压裂钻孔压出水为止。
3 结论
井组水力压裂技术使各个压裂孔之间相互作用，在压裂区域的煤层内原来的闭合裂隙被压开形成新的流通网络，煤层渗透性就会增加，而当压入的水被排除时，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创造了良好条件。实践证明，井组压裂技术在封孔质量提升的基础上，与未实施井组压裂的矿点相比，瓦斯初抽浓度、平均浓度以及总量均有大幅度提升。
参考文献：
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[2]郭峰.低透气突出煤层水力压裂增透技术应用研究[J].中国煤炭，2011，37（2）：81-83，86.
