李昊龍，李　佳

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南　焦作　454000)

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·試驗(yàn)研究·

氣相壓裂低滲難抽煤層瓦斯增透效果檢驗(yàn)

李昊龍，李佳

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000)

摘要介紹了針對(duì)低滲難抽采煤層的增透強(qiáng)抽新型二氧化碳?xì)庀鄩毫鸭夹g(shù)，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試了原始煤層與實(shí)施氣相壓裂后煤層透氣性系數(shù)與鉆孔瓦斯衰減系數(shù)的變化。通過數(shù)據(jù)分析表明，氣相壓裂技術(shù)能顯著增加鉆孔周圍煤層有效裂隙數(shù)量，提高煤層透氣性，降低鉆孔瓦斯衰減程度，提高低滲透難抽采煤層瓦斯抽采效率。

關(guān)鍵詞低滲難抽采煤層；氣相壓裂；透氣性系數(shù)；衰減系數(shù)

預(yù)抽煤層瓦斯和開采保護(hù)層是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中規(guī)定的兩類主要防突措施[1]. 但是隨著我國礦井開采深度的增加，許多礦井保護(hù)層開采條件難度增大或轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪哂斜Ｗo(hù)層開采條件，因此，預(yù)抽煤層瓦斯成為大多數(shù)礦井防治煤與瓦斯突出與治理礦井瓦斯的主要措施。雖然我國礦井瓦斯的抽采量和利用率不斷提高，但是瓦斯抽采率仍然偏低[2]，我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低滲透率煤層，滲透率只有10-7～10-6μm2[3]. 大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，對(duì)于低透氣性難抽采煤層只采用常規(guī)的鉆孔抽采方式預(yù)抽煤層瓦斯難以達(dá)到較好的抽采效果，因此，必須采用一定的技術(shù)手段對(duì)煤層進(jìn)行改造，以增加煤層有效裂隙數(shù)量與質(zhì)量，增加煤層的透氣性才能高效地抽出瓦斯。

針對(duì)低滲難抽煤層相關(guān)研究單位相繼試驗(yàn)研究出多種增加煤層透氣性強(qiáng)化瓦斯抽采的技術(shù)措施，如：深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂、水力割縫、高壓磨料射流割縫、復(fù)合射孔技術(shù)等[4]，這些煤層增透技術(shù)由于受地質(zhì)條件限制或使用過程中引發(fā)問題使推廣受到限制。

1氣相壓裂技術(shù)簡介

二氧化碳?xì)庀鄩毫鸭夹g(shù)是一項(xiàng)新的煤層增透強(qiáng)抽技術(shù)，該技術(shù)利用液態(tài)二氧化碳在31 ℃、7.2 MPa時(shí)能瞬間轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積急速膨脹對(duì)外做功的特點(diǎn)，通過二氧化碳物理爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波、爆生氣體共同作用于煤體，使煤體內(nèi)原生裂隙擴(kuò)展發(fā)育、溝通，并在煤體內(nèi)產(chǎn)生新的裂隙，增加煤體內(nèi)瓦斯運(yùn)移通道，降低瓦斯運(yùn)移的阻力，進(jìn)而增加煤層透氣性、降低鉆孔瓦斯衰減程度。

二氧化碳?xì)庀鄩毫堰^程為物理變化過程，不產(chǎn)生火花，不會(huì)造成煤礦井下安全隱患。氣體膨脹過程對(duì)外做功吸收熱量，能降低氣相壓裂位置附近處溫度；壓裂能量與影響范圍可通過選取不同的壓裂桿數(shù)量與充裝二氧化碳重量控制，便于根據(jù)具體目的改變壓裂方案。此項(xiàng)技術(shù)安全性高、故障率低、操作方便、壓裂器材可重復(fù)使用、具有很高經(jīng)濟(jì)效益。壓裂桿是氣相壓裂技術(shù)的核心，主要由充氣閥、加熱管、壓裂管、剪切片和噴氣閥構(gòu)成，本次測(cè)試選擇壓裂桿參數(shù)見表1.

表1　壓裂桿參數(shù)表

氣相壓裂裝置在煤層中施工布置見圖1，壓裂桿為2 m/根，施工時(shí)壓裂桿在鉆孔中逐根連接并通過導(dǎo)線前后溝通，孔口為專用橡膠封孔器封孔15 m，孔外利用頂桿將其牢固定于巷幫或鉆機(jī)上，確保安全。

圖1　氣相壓裂裝置施工布置圖

氣相壓裂施工工藝：

1) 施工前檢查并確保每根壓裂桿能正常使用，在孔口連接壓裂桿并依次推入鉆孔。推進(jìn)時(shí)要逐根檢查連接電路電阻情況，確保每根壓裂桿都正常連接方可將壓裂桿推進(jìn)鉆孔，推進(jìn)時(shí)嚴(yán)禁旋轉(zhuǎn)壓裂桿。

2) 推進(jìn)鉆孔的壓裂桿達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)連接推桿與封孔器，通過推桿將壓裂桿送入設(shè)計(jì)的煤層壓裂位置。

3) 將孔外推桿固定在鉆機(jī)上，再次確認(rèn)孔內(nèi)壓裂桿連接可靠，檢測(cè)壓裂桿間電路連接正常。

4) 利用高壓手壓泵對(duì)鉆孔內(nèi)封孔器進(jìn)行注水封孔，當(dāng)手壓泵壓力表達(dá)到7 MPa時(shí)關(guān)閉截止閥。

5) 壓裂現(xiàn)場(chǎng)300 m布置警戒線，所有人員撤離至警戒線以外，并將引發(fā)線路牽引至警戒線外的新鮮風(fēng)流中，測(cè)量巷道內(nèi)CH4、CO2濃度達(dá)到要求后，方可啟動(dòng)引發(fā)器。

6) 壓裂30 min后檢測(cè)巷道內(nèi)CH4、CO2濃度達(dá)到要求后進(jìn)入壓裂現(xiàn)場(chǎng)，確認(rèn)安全后卸壓封孔器并逐根退出壓裂桿。

2增透效果檢驗(yàn)方案

2.1測(cè)試原理與方法

國家安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》(AQ 1027-2006)[5]以鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)(d-1)與煤層透氣性系數(shù)m2/(MPa2·d)為指標(biāo)將未卸壓煤層的瓦斯抽放難易程度劃分為3類：容易抽放、可以抽放、較難抽放。針對(duì)不同抽放難易程度的煤層采取不同的抽采措施，利于煤礦高效合理的管理與利用煤層瓦斯。本文通過現(xiàn)場(chǎng)施工鉆孔測(cè)試同一試驗(yàn)區(qū)域原始煤層與氣相壓裂后煤層透氣性系數(shù)與鉆孔瓦斯衰減系數(shù)的變化來研究氣相壓裂技術(shù)對(duì)低滲難抽煤層增加煤層透氣性強(qiáng)化瓦斯抽采的效果。

煤層透氣性系數(shù)物理意義是指在1 m長煤體上，當(dāng)壓力平方差為1 MPa2時(shí)，每日流過1 m2煤層斷面的瓦斯量(m3).其測(cè)定有幾種不同方法，如克氏壓力法、馬可尼壓力法、克里切夫斯流量法、徑向流量法等，由于徑向流量法不受煤層條件限制而且測(cè)定結(jié)果更穩(wěn)定，因此，國內(nèi)煤層透氣性系數(shù)的測(cè)定廣泛采用周世寧院士提出的徑向流量法。徑向流量法是以瓦斯在煤層中徑向不穩(wěn)定滲流理論為基礎(chǔ)，依據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律，通過對(duì)煤層瓦斯徑向不穩(wěn)定流微分方程的拉氏變換，并應(yīng)用相似理論結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定時(shí)在巷道內(nèi)向煤層打鉆孔，密封鉆孔測(cè)定煤層原始瓦斯壓力，排放鉆孔瓦斯并測(cè)量不同排放時(shí)間時(shí)鉆孔瓦斯流量，依據(jù)徑向流動(dòng)理論計(jì)算試驗(yàn)區(qū)塊的煤層透氣性系數(shù)[6].

鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)是表示鉆孔內(nèi)瓦斯流量隨排放時(shí)間的延長呈衰減變化的系數(shù)，其測(cè)定方法是在未受采動(dòng)影響的煤層中打一定深度鉆孔后密封，并測(cè)量不同排放時(shí)間時(shí)鉆孔自然瓦斯流量數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的不同排放時(shí)間下鉆孔瓦斯流量數(shù)組(q；t)，用下式計(jì)算鉆孔初始瓦斯涌出量q0和瓦斯流量衰減系數(shù)a，計(jì)算公式如下：

式中：

qt—排放時(shí)間為t時(shí)的鉆孔自然瓦斯流量，L/min；

q0—排放時(shí)間t=0時(shí)鉆孔自然瓦斯流量，L/min；

a—鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；

t—鉆孔自然排放瓦斯時(shí)間，d.

準(zhǔn)確測(cè)量煤層內(nèi)鉆孔不同排放時(shí)間的鉆孔瓦斯流量值是計(jì)算煤層透氣性系數(shù)與瓦斯流量衰減系數(shù)的關(guān)鍵。煤層瓦斯流量測(cè)定鉆孔應(yīng)布置在原始未卸壓煤層，并且確保測(cè)量的瓦斯流量煤層不受采動(dòng)影響，根據(jù)此流量數(shù)據(jù)才能準(zhǔn)確計(jì)算得到煤層透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。本次鉆孔瓦斯流量測(cè)定采用的是ZLD-2型鉆孔多級(jí)流量計(jì)。該流量計(jì)采用噴咀節(jié)流原理設(shè)計(jì)，流量計(jì)設(shè)計(jì)5個(gè)不同孔徑的噴咀，通過更換不同孔徑的噴咀可獲得不同的流量測(cè)定范圍。流量計(jì)測(cè)定范圍為0.1～100 L/min，儀器分辨率為1 mm，水柱計(jì)壓差讀數(shù)為0～160 mm.

2.2實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)概況

地質(zhì)構(gòu)造與裂隙帶影響煤層瓦斯流動(dòng)狀態(tài)并且對(duì)原始煤層瓦斯壓力與鉆孔瓦斯流量的準(zhǔn)確測(cè)定影響較大，因此，測(cè)定地點(diǎn)應(yīng)選擇在煤層賦存穩(wěn)定，周圍沒有較大褶曲、斷層、裂隙帶等構(gòu)造，頂?shù)装鍘r性致密并且試驗(yàn)期間不受采動(dòng)影響的區(qū)域。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在李村煤礦1303進(jìn)風(fēng)巷，測(cè)點(diǎn)附近無斷層、褶曲、裂隙帶等構(gòu)造，試驗(yàn)前該段煤層未實(shí)施過預(yù)抽工作。煤層頂板為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖，煤層平均厚4.76 m. 試驗(yàn)區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，煤層呈一單斜構(gòu)造，傾角一般3°～8°，為近水平煤層，實(shí)測(cè)的煤層瓦斯含量值為10.96 m3/t，此區(qū)域試驗(yàn)期間內(nèi)不受采動(dòng)影響，適合煤層瓦斯壓力與鉆孔瓦斯流量的測(cè)量。

2.3鉆孔施工與數(shù)據(jù)測(cè)量

共設(shè)計(jì)施工4個(gè)試驗(yàn)鉆孔，其中Y1、Y2鉆孔用于測(cè)定煤層原始透氣性系數(shù)與鉆孔瓦斯衰減系數(shù)，Y3、Y4鉆孔用于測(cè)定氣相壓裂后煤層透氣性系數(shù)與鉆孔瓦斯衰減系數(shù)，通過對(duì)比煤層原始與氣相壓裂后煤層透氣性系數(shù)與鉆孔瓦斯衰減系數(shù)的變化研究氣相壓裂技術(shù)對(duì)煤層增加透氣性強(qiáng)化抽采的效果。測(cè)試鉆孔的施工參數(shù)見表2.

表2　測(cè)試鉆孔施工參數(shù)表

1) 按照施工參數(shù)依次施工測(cè)定鉆孔，保證各個(gè)鉆孔平直、孔形完整、鉆孔深度達(dá)到要求。

2) Y1、Y2鉆孔施工完畢后立即封孔測(cè)壓，本次封孔采用膨脹水泥與聚氨酯綜合封孔工藝，封孔深度30 m，在管路開口處連接球形截止閥與測(cè)嘴方便與多級(jí)流量計(jì)連接，用于測(cè)量鉆孔瓦斯流量，封孔24 h后安裝量程為1.0 MPa抗震壓力表。

3) Y3、Y4鉆孔施工完畢后進(jìn)行二氧化碳?xì)庀鄩毫?，本次測(cè)試選擇15根壓裂桿，氣相壓裂施工后立即封孔測(cè)壓，其余施工步驟同Y1、Y2鉆孔。

4) 每天觀測(cè)4個(gè)測(cè)試鉆孔壓力表讀數(shù)并記錄，并將每個(gè)壓力表讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)壓力值作為其鉆孔的原始瓦斯壓力值，壓力值穩(wěn)定一般需要15～20天。

5) 壓力表讀數(shù)均穩(wěn)定后即可卸下壓力表排放鉆孔瓦斯，為防止巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸?，可將鉆孔前端測(cè)嘴連入抽采管路一段時(shí)間，直至壓力表讀數(shù)為零即可，然后保證鉆孔瓦斯呈自然排放狀態(tài)。每天用ZLD-2型多級(jí)流量計(jì)測(cè)量各個(gè)鉆孔瓦斯流量數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確記錄，盡量在每天同一時(shí)間測(cè)量鉆孔瓦斯流量。

3數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

由于煤層透氣性系數(shù)與鉆孔瓦斯衰減系數(shù)的測(cè)定方法均假設(shè)煤層為均值，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定在煤層中打鉆孔時(shí)使鉆孔周圍煤體應(yīng)力狀態(tài)重新分布，在鉆孔周圍形成一破碎圈，在破碎圈影響范圍內(nèi)煤體孔隙、裂隙增加，鉆孔瓦斯流量增大，透氣性系數(shù)增大。隨著時(shí)間的延長瓦斯徑向流動(dòng)場(chǎng)將不斷擴(kuò)大，鉆孔擾動(dòng)的影響范圍將逐漸減小，因此鉆孔瓦斯流量的測(cè)定時(shí)間應(yīng)足夠長，使瓦斯流動(dòng)場(chǎng)范圍足夠大，減小鉆孔擾動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。本次測(cè)量時(shí)間設(shè)計(jì)為16天，根據(jù)每天測(cè)量的自然狀態(tài)下鉆孔瓦斯流量數(shù)據(jù)計(jì)算出每個(gè)鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量，測(cè)量流量數(shù)據(jù)見表3.

表3　4個(gè)鉆孔百米瓦斯流量數(shù)據(jù)表

3.1煤層透氣性系數(shù)測(cè)定結(jié)果與分析

根據(jù)煤層瓦斯徑向不穩(wěn)定流動(dòng)理論并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的煤層原始瓦斯壓力、煤層瓦斯含量、鉆孔半徑、鉆孔長度等參數(shù)計(jì)算煤層原始與氣相壓裂后透氣性系數(shù)，通過計(jì)算數(shù)據(jù)研究氣相壓裂技術(shù)對(duì)低透氣性煤層的增透效果。計(jì)算結(jié)果見表4.

表4　煤層透氣性系數(shù)測(cè)定結(jié)果表

由表4的數(shù)據(jù)可知，煤層原始煤層透氣性系數(shù)為0.007 9～0.056 7 m2/(MPa2·d)，《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》中規(guī)定未卸壓煤層透氣性系數(shù)<0.1即為難抽采煤層，可知原始煤層為難抽采煤層，氣相壓裂后煤層透氣性系數(shù)為0.624 4～0.732 0 m2/(MPa2·d)，由計(jì)算結(jié)果知?dú)庀鄩毫押竺簩油笟庑韵禂?shù)增加了13～91倍。對(duì)煤層實(shí)施氣相壓裂后改變了壓裂影響范圍內(nèi)煤層的原始裂隙情況，使煤層原生裂隙得以擴(kuò)展，并產(chǎn)生了新裂隙，增加瓦斯運(yùn)移通道，煤層透氣性系數(shù)顯著增加，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯抽采難易程度由難抽采煤層改造為可以抽采煤層，提高了低透氣性難抽采煤層瓦斯抽采效率。

3.2鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)測(cè)定結(jié)果與分析

根據(jù)每天測(cè)量的鉆孔瓦斯流量數(shù)據(jù)繪制各個(gè)瓦斯流量變化曲線圖，并對(duì)各個(gè)測(cè)試鉆孔每天百米鉆孔瓦斯流量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可計(jì)算出各個(gè)鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)?；貧w分析結(jié)果見圖2，圖3.

圖2　Y1、Y2鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律圖

圖3　Y3、Y4鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律圖

由每個(gè)百米鉆孔瓦斯流量數(shù)據(jù)回歸分析曲線圖可知：

1) 原始煤層測(cè)試Y1鉆孔瓦斯衰減規(guī)律qt=0.029 3e-0.128t，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.128 d-1，百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為329.6 m3；Y2鉆孔瓦斯衰減規(guī)律qt=0.044 4e-0.212t，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.212 d-1，百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為301.6 m3.

2) 氣相壓裂測(cè)試鉆孔Y3鉆孔瓦斯衰減規(guī)律qt=0.039 7e-0.040t，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.040 d-1，百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為1 429.2 m3；Y4鉆孔瓦斯衰減規(guī)律qt=0.036e-0.046t，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.046 d-1，百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為1 126.9 m3.

3) 由計(jì)算結(jié)果可知，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)煤層原始鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.128～0.212 d-1，氣相壓裂后煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.040～0.046 d-1，氣相壓裂后鉆孔瓦斯衰減強(qiáng)度減小81%，二氧化碳?xì)庀鄩毫押竺簩佑呻y抽采煤層改造為可以抽采煤層，氣相壓裂前后百米鉆孔瓦斯涌出極限量由301.6 m3增加到1 429.2 m3，增加3.7倍，氣相壓裂技術(shù)能較好地增加瓦斯抽采量并且抽采鉆孔瓦斯流量具有較高的穩(wěn)定性。

4結(jié)語

1) 低透氣性難抽采煤層瓦斯抽采量低、有效抽采時(shí)間短，實(shí)踐表明，低透難抽采煤層很難通過改變抽采鉆孔的參數(shù)提高瓦斯抽采率。因此，需要采取一定的煤層增透措施增加煤層內(nèi)有效裂隙，降低鉆孔瓦斯衰減系數(shù)，增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采率。

2) 二氧化碳?xì)庀鄩毫蜒b置使用方便，利于井下施工；壓裂裝置可重復(fù)利用，降低了煤層增透開采成本，經(jīng)濟(jì)效益高；氣相壓裂技術(shù)比常規(guī)炸藥爆破、水力沖孔等增透措施安全系數(shù)高，不會(huì)引起噴孔現(xiàn)象，利于煤礦安全生產(chǎn)，是一項(xiàng)具有廣泛推廣價(jià)值的技術(shù)。

3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明，在低透氣性煤層內(nèi)實(shí)施氣相壓裂技術(shù)后鉆孔周圍煤體裂隙發(fā)育程度增強(qiáng)，煤層透氣性系數(shù)增加13～91倍；鉆孔瓦斯衰減強(qiáng)度減小81%，增加了抽采鉆孔有效抽采時(shí)間；百米鉆孔瓦斯涌出極限量增加3.7倍，將低透難抽采煤層改造為可以抽采煤層，增加抽采鉆孔抽采量，降低了煤層瓦斯壓力與瓦斯含量，利于煤礦更加高效合理地管理利用礦井瓦斯。

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Gas Antireflection Effect Test of Low Permeability and Hard Extractive Coal Seam by Gaseous Phase Fracturing Technology

LI Haolong, LI Jia

AbstractIntroduces a new type of technology increase seam permeability by gas fracturing, tests coal seam permeability coefficient and drilling gas attenuation coefficient in the original coal seam and the coal seam after gas fracturing by field test. Through analysis the data can learn that gas fracturing technology can increase the effective fracture quantity of drill hole around coal seam, enhance the gas permeability, reduce gas attenuation coefficient, improves the efficiency of gas drainage in low permeability coal seam.

Key wordsLow permeability and hard extractive coal seam; Gaseous phase fracturing; Permeability coefficient; Attenuation coefficient

中圖分類號(hào)：TD712

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-0652(2016)02-0038-05

作者簡介：李昊龍(1988—)，男，河南永城人，2014年河南理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事瓦斯地質(zhì)理論和應(yīng)用的研究(E-mail)hpulhl@163.com

收稿日期：2016-01-07