葉俊良,秦興林(.山西懷仁聯(lián)順璽達(dá)柴溝煤業(yè)有限公司,山西 懷仁038300;2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng)006;3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順223)

1 前言

隨著礦井開(kāi)采深度增加、煤層瓦斯含量呈逐漸增加趨勢(shì),瓦斯治理是煤礦安全管理工作中的重點(diǎn)[1]。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料,高瓦斯、突出礦井中開(kāi)采的煤層約有95%的煤層透氣性較差,采用傳統(tǒng)負(fù)壓抽采方式雖然可在一定程度降低煤層瓦斯含量,但是存在瓦斯治理效率低、時(shí)間長(zhǎng)、治理成本高等問(wèn)題,因此有必須采取措施增加煤層透氣性,從而提高礦井瓦斯治理效果[2-5]。CO2變相壓裂、深孔爆破、高壓水射流以及水力壓裂等技術(shù)均可在一定程度上提升煤層透氣性,其中以水力壓裂應(yīng)用最為廣泛[6-7]。為了實(shí)現(xiàn)回采區(qū)域內(nèi)煤層大范圍預(yù)抽,本文將定向鉆進(jìn)技術(shù)與水力壓裂技術(shù)相結(jié)合對(duì)井下煤層進(jìn)行增透,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得顯著效果。

2 工程概況

山西某礦3109 運(yùn)輸巷沿著3 煤頂板掘進(jìn),煤層埋深平均560 m,厚度平均2.85 m,中間夾雜有2 ～3層泥巖矸石,煤層傾角平均5°,頂?shù)装鍘r性以細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖為主,具體頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 3 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性

由于礦井為突出礦井,開(kāi)采的3 號(hào)煤層具有突出危險(xiǎn)性,因此巷道掘進(jìn)過(guò)程中需要采取必要的瓦斯治理措施。礦井瓦斯治理采用以保護(hù)層開(kāi)采為區(qū)域瓦斯治理措施,本煤層瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽,從而解決工作面瓦斯涌出問(wèn)題。為了確保3109運(yùn)輸巷掘進(jìn)安全,礦井決定采用定向水力壓裂技術(shù)來(lái)提升瓦斯抽采效果。

3 定向水力壓裂技術(shù)方案及設(shè)備

3.1 定向水力壓裂技術(shù)方案

1)總體方案

為了確保采用的定向水力壓裂技術(shù)效果,并實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采快達(dá)標(biāo),綜合以往研究成果決定在3109巷道內(nèi)布置鉆場(chǎng),在鉆場(chǎng)內(nèi)布置定向水力壓裂鉆孔,具體布置如圖2所示。

圖2 定向水力壓裂鉆孔布置示意圖

定向水力壓裂具體操作步驟:

(1)在巷道鉆場(chǎng)內(nèi)采用定向鉆機(jī)沿著3 號(hào)煤層鉆孔,鉆孔與煤層底板間距保持在1.5 m,開(kāi)孔角度為3°,確保鉆孔始終沿著3 號(hào)煤層鉆進(jìn)。鉆孔孔徑設(shè)計(jì)為96 mm、壓裂孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為260 m。

(2)鉆孔鉆進(jìn)完成后,在壓裂孔內(nèi)裝入孔徑50 mm,壁厚8 mm 無(wú)縫鋼管。采用套管+無(wú)縫鋼管+封隔器組合封堵定向水力壓裂鉆孔進(jìn),鉆孔采用封隔器進(jìn)行封孔,深度為60 m。

(3)定向水力壓裂鉆孔封孔完畢,并經(jīng)打壓試驗(yàn)合格后,采用高壓泵對(duì)鉆孔進(jìn)行水力壓裂。單次壓裂長(zhǎng)度為200 m,鉆孔左右兩側(cè)影響范圍可達(dá)30 m。

2) 注水壓力及注水量

(1)煤體破裂產(chǎn)生裂隙需要一定的壓力,在采用定向水力壓裂時(shí)注水壓力為[8]

式中:Pf——水力壓裂破斷壓力,MPa;

θ——方向角;

Rt——煤體抗拉強(qiáng)度,MPa;

σ1——最大主應(yīng)力,MPa;

σ3——最小主應(yīng)力,MPa;

H——煤層埋深,m。

3 號(hào)煤層埋深平均為560 m,管道摩阻約為2 MPa,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到水力壓裂時(shí)高壓泵提供的水壓應(yīng)在17.8 MPa 以上。

(2)具體定向水力壓裂孔注水量為

式中:V水——注入水量,m3;

K——煤體孔隙率,%;

V體——注水影響范圍,m3;

a——影響體長(zhǎng)度,m;

b——影響體寬度,m;

h——影響體高度,m。

代入相關(guān)參數(shù),經(jīng)計(jì)算求得定向水力壓裂孔注水量約為1 650 m3。

3.2 定向水力壓裂設(shè)備確定

根據(jù)礦井現(xiàn)有的鉆孔設(shè)備,在定向水力壓裂鉆孔選用型號(hào)為ZYWL-4500DS 型履帶式全液壓定向鉆機(jī)進(jìn)行施工,該鉆機(jī)鉆進(jìn)深度在400 m 以上,適應(yīng)性強(qiáng),體積小,可滿足井下施工。

現(xiàn)階段煤礦井下常用的高壓泵組型號(hào)有BRW200-31.5、CBYL400 等,其中BRW200-31.5 高壓泵組電動(dòng)機(jī)額定工作功率為125 kW,提供的最大水壓為31.5 MPa,流量最大為12 m3,在重慶等地區(qū)應(yīng)用較為廣泛,但是主要存在注水流量過(guò)小問(wèn)題,不能滿足井下壓裂供液需要。在3109 運(yùn)輸巷水力壓裂采用的CBYL400 高壓泵組,該設(shè)備具有體積小、流量大、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),具體設(shè)備運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CBYL400 高壓泵組運(yùn)行參數(shù)

3.3 注水壓裂及保壓

1) 注水壓裂

在巷道安全位置處將CBYL400 高壓泵組布置完畢、鉆孔封孔完成后,開(kāi)始進(jìn)行鉆孔注水工作,累積注水時(shí)間達(dá)到70.3 h,鉆孔內(nèi)注水量為1 625 m3,最大泵送壓力為24.5 MPa,壓裂孔口位置最大壓力為18.5 MPa,具體注水過(guò)程中泵送壓力變化情況如圖3所示。

圖3 注水過(guò)程中泵送壓力變化情況

隨著煤體被壓裂,水沿著裂隙逐漸擴(kuò)展,水流受到的阻力呈逐漸增加趨勢(shì),整個(gè)泵送壓力也逐漸增長(zhǎng)?？紤]到注水管路壓力損失,高壓泵組與壓裂孔孔口間存在有約5 MPa 壓力差,孔口位置壓力讓大于計(jì)算得到的煤體破裂壓力,注水壓力可滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

2)鉆孔保壓

為避免注水完成后直接排放水造成3109 運(yùn)輸巷出現(xiàn)瓦斯超限問(wèn)題及排水過(guò)程中造成鉆孔堵孔、塌孔等問(wèn)題,注水壓裂后采取鉆孔保壓技術(shù)措施,使得鉆孔內(nèi)水壓自然降低,最后與煤儲(chǔ)層壓力間達(dá)到新的平衡,整個(gè)保壓耗時(shí)5 d,鉆孔壓力由停泵時(shí)的17.6 MPa 降低至5.3 MPa,后人工打開(kāi)排水閥排水3 h 后將鉆孔內(nèi)水壓降低至0,共計(jì)排水約315 m3,鉆孔注水量遠(yuǎn)大于排水量。

4 效果分析

為了分析定向水力壓裂技術(shù)應(yīng)用效果,在對(duì)水力壓裂前后瓦斯抽采鉆孔抽采濃度、抽采純量變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、考察,具體如圖4所示。

圖4 定向水力壓裂技術(shù)應(yīng)用前后鉆孔瓦斯抽采濃度、純量變化情況

從圖中看出,在未采取定向水力壓裂技術(shù)的區(qū)域單孔瓦斯抽采濃度、純量分別為42% ～ 53%、0.049 ～0.064 m3/min,采用定向水力壓裂技術(shù)后單孔瓦斯抽采濃度、純量分別提升至65% ～ 88%、0.11 ～0.16 m3/min。瓦斯抽采濃度、抽采純量分別提30%、150%以上瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短1/3,定向水力壓裂取得顯著的瓦斯治理效果。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)3 號(hào)煤層實(shí)際地質(zhì)條件以及礦井瓦斯現(xiàn)有治理設(shè)備,為了提升巷道掘進(jìn)效果,提出采用定向水力壓裂技術(shù)提升煤層透氣性,從而降低瓦斯治理時(shí)間,并對(duì)定向水力壓裂鉆孔具體施工方案以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行設(shè)計(jì)與考察。

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后,單孔瓦斯抽采濃度提升30%以上,瓦斯抽采純量提升150%以上,取得顯著的瓦斯治理效果。