陳冬冬，王建利，賈秉義，席 杰

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)科技的不斷進(jìn)步，煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)總體穩(wěn)定、趨向好轉(zhuǎn)，煤礦百萬(wàn)噸死亡率由2005 年的2.76%降至2020 年的0.059%[1-2]。但我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害防治形勢(shì)依然嚴(yán)峻，每年發(fā)生較大以上瓦斯事故仍占全國(guó)煤礦較大以上事故起數(shù)和死亡人數(shù)的50%以上[3]，瓦斯災(zāi)害治理依然是煤礦安全生產(chǎn)工作的重點(diǎn)。高強(qiáng)度、集約化和智能化開(kāi)采已成為煤炭工業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)[4]，為滿(mǎn)足這一需求，煤礦災(zāi)害應(yīng)由局部治理轉(zhuǎn)向區(qū)域治理[5]。但我國(guó)碎軟煤層分布廣泛，占比約60%[6-7]，其具有強(qiáng)度低、滲透性差、瓦斯含量高、壓力大等特點(diǎn)[8-10]，導(dǎo)致成孔難、頂鉆、卡鉆與噴孔現(xiàn)象突出，特殊的瓦斯地質(zhì)條件決定了采用常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)瓦斯災(zāi)害區(qū)域超前與高效治理，該問(wèn)題一直是困擾煤礦企業(yè)的難題[11]，嚴(yán)重影響和制約礦井安全高效生產(chǎn)和現(xiàn)代智能化礦井建設(shè)。

針對(duì)碎軟低滲煤層瓦斯區(qū)域抽采難題，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了一些研究工作。地面煤層氣抽采方面，張群[12]、李彬剛[13]等以淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦8 號(hào)碎軟低滲煤層為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)了碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂煤層氣高效抽采技術(shù)，日產(chǎn)氣量突破1 萬(wàn)m3；但對(duì)于生產(chǎn)礦井而言，地面煤層氣抽采周期長(zhǎng)、投入高，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)解決生產(chǎn)區(qū)或準(zhǔn)備區(qū)的瓦斯問(wèn)題。煤礦井下實(shí)踐方面，孫四清等[14]針對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)碎軟低滲高突煤層開(kāi)展了井下長(zhǎng)鉆孔整體水力壓裂增透技術(shù)的工程試驗(yàn)，一次性整體壓裂煤孔段長(zhǎng)度達(dá)307 m，平均瓦斯抽采量2 173 m3/d；方俊等[15]研發(fā)了碎軟煤層空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備，在貴州青龍煤礦實(shí)現(xiàn)最大孔深385 m；劉建林等[16]開(kāi)發(fā)了碎軟煤層空氣泡沫復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，在宿州某礦完成232 m 的順煤層定向鉆孔。可見(jiàn)，井下瓦斯區(qū)域抽采仍處于初步探索試驗(yàn)階段，且鉆孔深度集中在200～400 m，對(duì)于實(shí)現(xiàn)400 m以上的深孔區(qū)域抽采還鮮有研究。因此，結(jié)合碎軟低滲煤層特殊的瓦斯地質(zhì)條件以及區(qū)域瓦斯治理的現(xiàn)實(shí)需求，尋求更大范圍、高效、超前的區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)是亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

筆者以碎軟、低滲、突出煤層較為發(fā)育和瓦斯災(zāi)害較為典型的韓城礦區(qū)為例，結(jié)合近幾年的研究成果，融合碎軟煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔高效成孔技術(shù)，并結(jié)合水力壓裂煤巖致裂區(qū)域增透技術(shù)綜合優(yōu)勢(shì)，探索實(shí)踐碎軟低滲煤層頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔水力壓裂區(qū)域瓦斯高效抽采新模式。

1 抽采模式與可行性

1.1 韓城礦區(qū)瓦斯地質(zhì)條件

韓城礦區(qū)位于陜西渭北石炭?二疊紀(jì)煤田東北段，表現(xiàn)為NW 向的緩傾單斜構(gòu)造。礦區(qū)東南部是主要構(gòu)造變形帶的集中區(qū)域，分布有韓城下峪口煤礦、桑樹(shù)坪煤礦、王峰煤礦等大型煤礦，其他區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)單。

礦區(qū)內(nèi)瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，主采的山西組3 號(hào)煤層屬于嚴(yán)重突出煤層，曾發(fā)生突出事件約150 次。3 號(hào)煤層平均厚度4.16 m，煤層頂板以細(xì)粒砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，底板以泥巖和粉砂巖為主，局部含3下煤層，與3號(hào)煤層平均間距4.10 m。3 號(hào)煤層原始瓦斯含量10 m3/t以上，瓦斯壓力最高達(dá)3.0 MPa，煤體堅(jiān)固性系數(shù)(f值)為0.1～0.3，煤層透氣性為0.072 9～0.229 0 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯初始體積分?jǐn)?shù)約10 %，抽采濃度衰減快，短期內(nèi)便降至1%～2%，屬于典型的碎軟低滲煤層。礦區(qū)瓦斯治理難度大，特別表現(xiàn)在順層深孔施工中，經(jīng)常發(fā)生頂鉆、夾鉆、噴孔等現(xiàn)象，一般鉆孔施工深度為100 m、局部?jī)H20～30 m[17]。

1.2 頂板鉆孔水力壓裂瓦斯抽采機(jī)理與模式

礦區(qū)3 號(hào)煤層頂板以細(xì)粒砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，具備施工頂板定向長(zhǎng)鉆孔條件，但頂板成孔后若沒(méi)有外部裂縫的有效聯(lián)通，擴(kuò)散較難進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)滲流，為此，采用頂板鉆孔水力壓裂產(chǎn)生溝通煤層的裂縫，在大流量、高壓水動(dòng)力條件下，煤層上覆巖層發(fā)生起裂、擴(kuò)展、延伸，所形成的人工裂縫與天然裂隙以及煤巖結(jié)合部的弱面有效貫通，煤巖體得以卸壓和增透，從而打破煤層原始應(yīng)力和瓦斯賦存狀態(tài)，為瓦斯解吸、擴(kuò)散和滲流創(chuàng)造有利條件。此外，頂板鉆孔實(shí)施層位經(jīng)水力致裂形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)縮短了瓦斯在煤層內(nèi)的擴(kuò)散距離，大范圍的煤層瓦斯以最短距離擴(kuò)散至頂板縫隙所形成的“網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”中，在瓦斯壓力的驅(qū)動(dòng)下，沿裂隙不斷運(yùn)移至鉆孔，并在負(fù)壓作用下快速抽出。

限于煤礦井下泵組能力和清水不加砂壓裂工藝，單一頂板鉆孔壓裂(不開(kāi)分支)存在裂縫規(guī)模小、卸壓后裂隙閉合等問(wèn)題，綜合考慮壓裂效果和抽采效果，提出“煤層頂板梳狀孔水力壓裂”區(qū)域瓦斯超前抽采模式，即煤層頂板布置梳狀鉆孔，以分支孔為導(dǎo)向，降低巖層起裂壓力并借助其發(fā)散效應(yīng)控制壓裂范圍，同時(shí)，分支孔直接作用于煤體，能夠有效增加壓裂段與巖體的接觸面積，綜合形成以分支孔為一級(jí)裂縫、破裂巖體為二級(jí)裂縫的多級(jí)滲流網(wǎng)絡(luò)通道，提高瓦斯產(chǎn)出速率和效率。煤層頂板梳狀鉆孔水力壓裂強(qiáng)化抽采瓦斯模式如圖1 所示。

圖1 頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔水力壓裂瓦斯抽采模式Fig.1 Gas drainage mode of hydraulic fracturing in roof

1.3 可行性分析

1.3.1 數(shù)值模擬

水力壓裂裂隙的擴(kuò)展方向除了受原始地應(yīng)力及縫槽的影響，也會(huì)因巖層物性參數(shù)、天然裂隙與天然弱面的接觸關(guān)系表現(xiàn)出不同的壓裂效果[18-20]。對(duì)于跨煤層和巖層的頂板梳狀孔水力壓裂，鉆孔分支孔延伸進(jìn)入煤層起導(dǎo)流作用，使絕大多數(shù)水力壓裂裂縫在煤層中延展。同時(shí)，考慮整個(gè)鉆孔壓裂效果，應(yīng)保證鉆孔主孔盡可能靠近煤層、減少無(wú)效進(jìn)尺，同時(shí)促使更多的壓裂裂縫由頂板擴(kuò)展延伸至煤層，這是保障模式效果的關(guān)鍵。為此，基于韓城礦區(qū)的地質(zhì)條件特征，采用數(shù)值模擬手段，探究壓裂裂縫在頂板巖層段中的起裂方向。通過(guò)有限元分析方法模擬分析煤巖體破裂過(guò)程，基本假設(shè)如下：煤體材料為各向同性的彈?脆性介質(zhì)，細(xì)觀基元離散后力學(xué)特性服從Weibull 分布；細(xì)觀基元為線(xiàn)彈性體，發(fā)生相變前后性質(zhì)不改變；介質(zhì)相變臨界值符合Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，忽略由裂隙迅速擴(kuò)張而引起的慣性力。

模擬結(jié)果(圖2)表明：當(dāng)注水壓力為10.2 MPa 時(shí)，鉆孔周?chē)_(kāi)始出現(xiàn)明顯裂縫，隨著注水壓力逐漸升高，鉆孔周?chē)瓜蛄芽p擴(kuò)展范圍逐漸增大，并逐步向下部(煤層)延展。

圖2 不同注水壓力下鉆孔裂縫形態(tài)Fig.2 Fracture morphology under different injection pressures

進(jìn)一步定量模擬泵注排量0.6 m3/min、清水壓裂液、壓裂液用量56 m3等壓裂參數(shù)下的頂板水力壓裂裂縫延展形態(tài)，模擬結(jié)果(圖3)表明，壓裂后形成的劈裂狀裂縫，垂向縫高大于水平向縫長(zhǎng)，壓裂后縫高可延伸18.46 m，壓裂點(diǎn)裂縫寬度為0.140 9 mm，說(shuō)明在一定層位下，壓裂裂縫可延展進(jìn)煤層。因此，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合定向鉆進(jìn)軌跡控制精度和鉆孔覆蓋未知區(qū)域地質(zhì)條件預(yù)測(cè)精準(zhǔn)程度，綜合確定梳狀鉆孔主孔施工層位控制在距離煤層5 m 左右。

圖3 水力壓裂裂縫展布模擬分析Fig.3 Simulation Analysis of fracture distribution

1.3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在韓城礦區(qū)王峰煤礦現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了煤層頂板梳狀鉆孔水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)可行性試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)3 號(hào)煤層厚度6.0 m，直接頂為粉砂巖、基本頂為中粗粒砂巖，煤層瓦斯含量13.74 m3/t、煤層瓦斯壓力3.0 MPa，采用后退式分支孔工藝，施工主孔1 個(gè)、分支孔4 個(gè)，主孔長(zhǎng)261 m、總進(jìn)尺344 m，封孔深度60 m，即鉆孔壓裂段長(zhǎng)度為201 m。試驗(yàn)采用整體壓裂工藝，壓裂液用量874.79 m3。泵注壓力變化如圖4 所示，壓力曲線(xiàn)整體呈鋸齒狀上下波動(dòng)，同時(shí)伴隨局部泵注壓力的突然、明顯下降，反映出巖層微裂隙的“起裂–擴(kuò)展延伸”行為并伴隨頂板巖層的明顯破裂。壓裂后86 d，鉆孔平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)42.11%，鉆孔瓦斯抽采純量為8.25～21.41 m3/min、平均17.02 m3/min (圖5)，是同區(qū)域采用穿層鉆孔水力沖孔瓦斯抽采純量的12.48 倍，驗(yàn)證了碎軟煤層頂板梳狀鉆孔水力壓裂實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采的可行性。

圖4 泵注壓力變化曲線(xiàn)Fig.4 Variation curve of fracturing pump pressure

圖5 鉆孔瓦斯量參數(shù)變化曲線(xiàn)Fig.5 Variation curves of gas drainage data parameters

2 關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方式證實(shí)模式可行性，但預(yù)期達(dá)到覆蓋500 m 區(qū)域的壓裂抽采仍面臨一系列的技術(shù)難題，為此，通過(guò)實(shí)踐形成了地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)分析、分段水力壓裂工藝、封隔器遇阻解卡和壓裂范圍連續(xù)探查等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)分析技術(shù)

地質(zhì)條件精準(zhǔn)分析是指導(dǎo)鉆孔層位和布孔形式重要依據(jù)。由于煤層頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔覆蓋范圍大，僅依靠地質(zhì)勘查鉆孔已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需要。因此，提出了設(shè)計(jì)階段集三維地震、鉆孔柱狀、已有巷道揭露等數(shù)據(jù)綜合分析預(yù)測(cè)，在施工過(guò)程中集多源信息融合的地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)分析技術(shù)，對(duì)分支孔探查不斷修正，保證施工層位能夠控制在距離煤層5 m 左右。

主要思路為：以地質(zhì)勘探鉆孔繪制的采掘平面圖和地質(zhì)剖面預(yù)測(cè)圖為基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域三維地震解釋資料以及井下鄰近已開(kāi)拓區(qū)域的實(shí)際測(cè)量資料，對(duì)三維地震資料進(jìn)行重新解譯，分析研究鉆孔實(shí)施區(qū)域的地質(zhì)條件，主要為煤層厚度、構(gòu)造分布、煤層頂?shù)装甯叱痰鹊刭|(zhì)信息，以此為依據(jù)，開(kāi)展煤層頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)與工程施工，在實(shí)施中，根據(jù)各分支孔實(shí)際探查的煤層頂板高程數(shù)據(jù)，驗(yàn)證并進(jìn)一步修正鉆孔前方的地質(zhì)信息，達(dá)到鉆孔軌跡的精準(zhǔn)控制。

2.2 分段水力壓裂技術(shù)

要在孔深500 m 鉆孔中實(shí)施水力壓裂，現(xiàn)有整體壓裂技術(shù)面臨泵注能力不匹配及壓裂不均衡等問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，提出將定向深孔分為多段獨(dú)立實(shí)施壓裂的思路，研制出深孔孔內(nèi)定點(diǎn)和分段水力壓裂工具，該套工具實(shí)現(xiàn)了煤巖層鉆孔任一點(diǎn)封隔和壓裂，能夠有效封隔非目標(biāo)層段、降低非必要的地層濾失[11,21]。并根據(jù)不同需求，研發(fā)提出不動(dòng)管柱式和拖動(dòng)式兩種分段壓裂工藝。不動(dòng)管柱式分段壓裂工具串組合主要由導(dǎo)向、單向閥、壓差滑套和投球滑套、解卡器、高壓油管和安全孔口組成。拖動(dòng)式分段水力壓裂工具組合主要由導(dǎo)向、底座、節(jié)流器、封隔器、解卡器、高壓油管和安全孔口等組成。

2.3 封隔器遇阻解卡技術(shù)

對(duì)于裸眼壓裂而言，由于地層孔隙和裂隙的客觀存在，封隔器在壓裂實(shí)施過(guò)程中，受到其外端自由面和內(nèi)端高壓水壓差的影響，經(jīng)常出現(xiàn)孔口淋水和流水等封隔效果不佳的現(xiàn)象，致使高壓水?dāng)y帶的煤巖屑在封隔器內(nèi)端沉積。封隔效應(yīng)一旦卸除，沉積的煤巖屑將迅速流向封隔器與孔壁之間的環(huán)空空間，導(dǎo)致封隔器被卡，造成孔內(nèi)壓裂施工事故。該類(lèi)孔內(nèi)事故處理難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，常規(guī)方法往往造成孔內(nèi)壓裂管柱折斷，導(dǎo)致壓裂工程中斷失敗、損失較大，特別是拖動(dòng)式壓裂工藝更是如此。

針對(duì)煤層頂板巖層裸眼分段壓裂工藝特點(diǎn)，研發(fā)出封隔器解卡裝置及工藝方法。解卡裝置由低密度球、閥體、球座、彈簧、下接頭等部件組成，如圖6 所示。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遇阻封隔器的緊急、快速和有效洗孔解卡作業(yè)，設(shè)備簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單、風(fēng)險(xiǎn)可控。已實(shí)現(xiàn)梳狀長(zhǎng)鉆孔封隔器遇阻深度346 m 的成功解卡，有效避免了經(jīng)濟(jì)損失。

圖6 封隔器遇阻解卡裝置Fig.6 Packer blocking release device

2.4 壓裂影響范圍連續(xù)探查技術(shù)

針對(duì)長(zhǎng)鉆孔水力壓裂影響范圍難以連續(xù)準(zhǔn)確測(cè)定的問(wèn)題，引入鉆孔瞬變電磁探查技術(shù)，對(duì)長(zhǎng)鉆孔水力壓裂影響范圍進(jìn)行軸向連續(xù)探查。鉆孔瞬變電磁探測(cè)原理是將發(fā)射線(xiàn)框與接收探頭一同送入鉆內(nèi)，沿鉆孔軌跡逐點(diǎn)進(jìn)行三分量測(cè)量，即X、Y、Z空間直角坐標(biāo)系，通過(guò)沿鉆孔方向的垂直分量Z的二次場(chǎng)分析鉆孔周?chē)赡艽嬖诘牡妥璁惓^(qū)，通過(guò)垂直于鉆孔且相互正交的兩組水平分量X、Y的二次場(chǎng)分析異常相對(duì)于鉆孔的空間方位，最終形成以鉆孔為中心、徑向一定距離范圍內(nèi)的圓柱形探測(cè)區(qū)域[22]。

鉆孔瞬變電磁探查鉆孔壓裂前后地層視電阻率，判識(shí)鉆孔徑向范圍內(nèi)地層含水性的變化，將壓裂前地層視電阻率平均值作為背景場(chǎng)，在壓裂后的探測(cè)成果中減去背景場(chǎng)，提取出純異常場(chǎng)，以此確定水力壓裂的影響范圍。計(jì)算成果如圖7a 所示，圖中綠色部分為低值異常區(qū)，顏色越深表明電阻率向低值變化越大，白色區(qū)域?yàn)殡娮杪首兓^小區(qū)域。該種方式能夠?qū)崿F(xiàn)沿鉆孔軸向連續(xù)探測(cè)徑向一定范圍內(nèi)壓裂的均衡性和主要縫網(wǎng)發(fā)育方向(圖7b)。

圖7 壓裂影響范圍連續(xù)探查Fig.7 Continuous detection results of fracturing influence area

3 工程實(shí)踐

在韓城礦區(qū)桑樹(shù)坪二號(hào)井3 號(hào)煤層實(shí)施了2 孔次的頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂區(qū)域瓦斯抽采工程實(shí)踐。試驗(yàn)地點(diǎn)地層為一走向NE?NEE、傾向NW 的單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層厚度5.97 m，堅(jiān)固性系數(shù)(f值)為0.1～0.5，原始瓦斯含量為6.75～9.80 m3/t，煤層直接頂為灰黑色粉砂巖，較致密堅(jiān)硬。鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)均位于3 號(hào)煤層，由煤層進(jìn)入直接頂穩(wěn)定巖層，采用前進(jìn)式開(kāi)分支工藝，分支孔間距60 m，孔徑98 mm。

1 號(hào)鉆孔總進(jìn)尺1 188 m，主孔長(zhǎng)588 m、開(kāi)8 個(gè)分支，采用地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)主孔軌跡控制距3 號(hào)煤層2.0 m 左右、最大3.28 m，如圖8 所示。采用不動(dòng)管柱分段壓裂工藝，完成4 段壓裂，累計(jì)壓裂液用量2 012 m3，最大泵注壓力8.74 MPa，探查壓裂影響范圍為20～40 m。壓裂后，鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均為41.27 %，瓦斯抽采純量1.08 m3/min (圖9)，百米鉆孔瓦斯抽采純量是常規(guī)順層預(yù)抽措施的4.8 倍，抽采120 d，瓦斯抽采有效半徑達(dá)9.0 m。2 號(hào)鉆孔總進(jìn)尺921 m，主孔長(zhǎng)486 m、開(kāi)5 個(gè)分支孔，采用拖動(dòng)式分段水力壓裂和遇阻加卡工藝，累計(jì)壓裂6 段，壓裂液用量1 586 m3、最大泵注壓力18.5 MPa，壓裂范圍探測(cè)深度381 m、壓裂影響半徑達(dá)35 m (沿鉆孔徑向范圍均能達(dá)到20 m 以上，圖10)。壓裂后，鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均為48.5%、平均抽采純量1.6 m3/min。實(shí)踐表明，兩種分段水力壓裂工藝均取得較好的瓦斯抽采效果。

圖8 1 號(hào)鉆孔水力壓裂剖面Fig.8 Actual trajectory and hydraulic fracturing of No.1 borehole

圖9 1 號(hào)鉆孔瓦斯抽采量變化曲線(xiàn)Fig.9 Changing curve of drainage parameters of No.1 borehole

圖10 2 號(hào)鉆孔軸向壓裂影響范圍連續(xù)探查成果Fig.10 Fracturning range continuous detection results of No.2 borehole

4 規(guī)?；瘔毫褢?yīng)用思路

4.1 碎軟煤層大區(qū)域瓦斯抽采

在生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)超前實(shí)施瓦斯治理巷道工程，如采區(qū)大巷、采區(qū)邊界巷、局部頂(底)抽巷等，利用頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔作為煤層增透兼做瓦斯預(yù)抽鉆孔，根據(jù)壓裂影響范圍確定壓裂鉆孔間距，實(shí)現(xiàn)碎軟煤層大區(qū)域均衡增透。在壓裂鉆孔之間，實(shí)施大區(qū)域頂板梳狀煤層接續(xù)長(zhǎng)鉆孔(圖11 中A?A剖面)，提前2～3 年(甚至更長(zhǎng))預(yù)抽多個(gè)采掘工作面區(qū)域的煤層瓦斯，達(dá)到超前降低或消除碎軟煤層瓦斯危險(xiǎn)性、減少采掘階段瓦斯治理工程投入的目的，實(shí)現(xiàn)工作面連續(xù)掘進(jìn)和回采作業(yè)，解決碎軟突出煤層礦井接續(xù)緊張問(wèn)題，系統(tǒng)工程布置如圖11 所示。

圖11 碎軟煤層大區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)思路Fig.11 Technical idea of gas drainage in large area

4.2 高瓦斯壓力碎軟強(qiáng)突煤層遠(yuǎn)程區(qū)域抽采卸壓

貴州、淮南、淮北、豫西等碎軟煤層分布的高突瓦斯區(qū)實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力已達(dá)6.61 MPa[23]，并且有相當(dāng)一部分礦井開(kāi)拓區(qū)域內(nèi)煤層原始瓦斯壓力已超過(guò)3.0 MPa。該區(qū)域采取頂板或底板巷穿層鉆孔措施存在不符合《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第六十四條規(guī)定，且鉆孔噴孔嚴(yán)重、施工進(jìn)度慢等問(wèn)題。為此，可利用本文模式形成的區(qū)域抽采技術(shù)，在已形成的煤巷或頂(底)板巖巷中實(shí)施煤層頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔水力壓裂超前抽采，實(shí)現(xiàn)高瓦斯壓力強(qiáng)突碎軟煤層的遠(yuǎn)程區(qū)域抽采卸壓，使得未采掘區(qū)域的煤層瓦斯壓力降至3.0 MPa以下甚至更低，符合細(xì)則要求，如圖12 所示。卸壓后，穿層鉆孔施工效率大幅提高，抽采時(shí)，可進(jìn)一步發(fā)揮水力壓裂的增透效應(yīng)，提高瓦斯抽采效率。

圖12 高瓦斯壓力碎軟強(qiáng)突煤層遠(yuǎn)程區(qū)域抽采卸壓技術(shù)思路Fig.12 Remote regional drainage and pressure relief in soft and strong outburst coal seam with high gas pressure

5 結(jié) 論

a.研究提出了碎軟低滲單一開(kāi)采煤層頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔水力壓裂區(qū)域瓦斯高效抽采模式，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法闡明了煤層頂板梳狀鉆孔水力壓裂裂縫延展規(guī)律、抽采機(jī)理和泵注壓力曲線(xiàn)特征，驗(yàn)證了模式可行性。建立了集地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)分析、分段水力壓裂、封隔器遇阻解卡和壓裂范圍連續(xù)探查于一體的頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔裸眼分段水力壓裂關(guān)鍵技術(shù)體系。

b.在韓城礦區(qū)桑樹(shù)坪二號(hào)井3 號(hào)煤層頂板實(shí)施了2 孔次的梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂區(qū)域瓦斯抽采工程應(yīng)用。1 號(hào)鉆孔主孔長(zhǎng)588 m、開(kāi)8 個(gè)分支，主孔距3 號(hào)煤層2.0 m 左右，壓裂4 段，壓裂影響范圍達(dá)20～40 m，鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均為41.27%、瓦斯抽采純量1.08 m3/min，是常規(guī)鉆孔的4.8 倍，120 d 瓦斯抽采有效半徑可達(dá)9.0 m。2 號(hào)鉆孔主孔長(zhǎng)486 m、開(kāi)5 個(gè)分支，壓裂6 段，壓裂范圍探測(cè)深度381 m、壓裂影響半徑達(dá)35 m；鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均為48.5%、瓦斯抽采純量1.6 m3/min。

c.該技術(shù)模式實(shí)現(xiàn)了碎軟煤層瓦斯區(qū)域高效抽采，突破了碎軟煤層井下長(zhǎng)距離、大范圍瓦斯預(yù)抽的技術(shù)瓶頸，適用于碎軟煤層大區(qū)域瓦斯抽采以及高瓦斯壓力碎軟強(qiáng)突煤層遠(yuǎn)程區(qū)域抽采卸壓等規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用，提出了兩種規(guī)?；瘧?yīng)用的技術(shù)思路。在規(guī)?；瘔毫褢?yīng)用中，需要對(duì)模式的有效抽采卸壓范圍、煤層增滲提升程度與均衡性以及長(zhǎng)時(shí)間(2～3 年)抽采下瓦斯抽采半徑等方面進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究和考察。