低渗煤层定向多簇气相压裂瓦斯治理技术研究与实践

低渗煤层定向多簇气相压裂瓦斯治理技术研究与实践

贺讯

毕节中城能源有限责任公司，贵州 毕节 551700

摘要：气相压裂强化增透卸压抽采消突技术是瓦斯突出防治技术的新技术和新工艺。该技术理论基础可靠、工艺简单、本安可靠、效果显著，是高瓦斯突出煤矿瓦斯治理的有效技术措施。种瓦斯抽采技术，包括开采解放层、顶板高抽巷道、底板底抽巷道、水力压裂、水力冲孔、密集钻孔、深孔爆破压裂等。

关键词：低渗煤层定向多簇气相压裂；瓦斯治理技术；

前言：井下煤层多级定向气相压裂增透消突技术是把高能CO2 气体作为动力源瞬间作用于煤层，开启煤层原有闭合裂隙，并形成大量人工新生裂隙，造成较大范围的卸压造缝增透区域，在煤层中形成裂缝卸压圈。在裂隙卸压圈内，地应力场和瓦斯压力场得以改变和均化，促进瓦斯解吸和渗流，提高煤层透气性和瓦斯抽采量以及抽采速度，最终达到防治突出和实现安全生产的作用。

一、气相压裂机理

气相压裂增透机理： 气相压裂产生的裂隙是应力波和高压气体共同作用于煤体。①应力波在煤孔壁周围产生的切向拉应力，该拉应力大于煤体的抗拉强度，致使煤孔壁四周破裂形成新裂隙；②高压气体压裂后在孔壁四周形成静态的应力场，其持续发生作用时间比应力波时间长，使煤体产生的裂缝贯通于整个断裂面，扩展煤层瓦斯释放裂隙通道。气相压裂产生的应力波由中心向四周煤层传播，先作用于孔壁周围致使产生初始裂隙，而后在高压气体静压作用下使原生裂缝进一步延伸扩大，在裂隙尖端产生增强型的应力集中， 又因应力场的干扰作用，使已产生的裂隙再次扩展，在孔壁四周形成新的压缩粉碎圈、径向裂隙和环向裂隙交叉圈和增大的原生连通裂隙网，从而在孔中心及孔壁形成径向之字形交叉裂隙圈和裂隙网。气相压裂是气相低频压力波作用于煤体，形成长裂隙和较大规模提高渗透率，扩大钻孔有效抽放半径，打破煤层中瓦斯赋存压力平衡状态，提高钻孔瓦斯抽采浓度和抽采量，提高钻孔瓦斯抽采效率，有效降低工作面的瓦斯含量，确保正常回采期间上隅角瓦斯不超限报警，实现矿井快速瓦斯抽采达标。

低渗煤层定向多簇气相压裂瓦斯治理技术研究与实践

1.气相压裂技术增透效果的检验。（１）检验原理和方法。检验原理是通过同一试验区域，对试验前后煤层透气性系数及瓦斯流量衰减系数等相关数据进行分析，得出相应结论。比如，径向流量法、马克尼压力法、克利切夫斯基流量法，都是常见的增透效果的检验方法。在需要试验的煤层进行抽样，然后根据具体的煤层环境选择具体的方法进行检验。（２）增透效果的差异。地质构造会引起煤矿地质结构有所区别，造成气相压裂技术的作用效果有差异。在使用气相压裂技术几十天，有效抽采半径比使用气相压裂技术前的抽采半径要增大很多。短时间内，在钻孔施工后，煤层的瓦斯抽采量会增多，相对而言原始瓦斯的抽采量衰变就相对较慢。在使用气相压裂技术后，煤层中的透气性系数得到了明显提高。并且瓦斯在比较长的抽采时间下，能够保证抽采的质量和效率，这是因为用于施工的二氧化碳能在煤层中的煤体间形成裂缝，裂缝相互结合，增大了煤层透气性。

2.气相压裂技术方案。辅助进风掘进工作面施工1 个压裂钻孔，10 个辅助抽采钻孔。1）压裂钻孔参数。钻孔直径为Φ113 mm；钻孔深度为80 m；开孔高度为选择硬煤分层布置钻孔，一般距煤层顶板1.0～1.2 m；压裂孔角度为垂直掘进工作面，倾角煤层倾角+1°；压裂管20 根/ 孔；压裂时封孔器封孔深度10～12 m；压裂段为20～60 m；压裂钻孔两堵一注膨胀水泥封孔长度12～20 m，全程下筛管，如果由于客观原因无法达到设计封孔深度，效果考察时不予考察。2）辅助钻孔参数。钻孔直径为Φ113 mm；倾角煤层倾角+1°；压裂钻孔两堵一注膨胀水泥封孔长度12～20m，全程下筛管，如果由于客观原因，无法达到设计封孔深度，效果考察时不予考察。孔角度，遵循低压慢速，边进边退，缓慢推进原则；成孔之后用压风将煤粉吹出，钻孔干净、光滑。4）施工工艺顺序：详细记录打钻过程中的动力现象。孔施工过程中，全程下筛管，及时封孔联网抽采，对纯流量、支管路瓦斯抽采浓度和纯流量连续观测3～5 d 并进行数据监控。施工钻孔，进行气相压裂，压裂后钻孔全程下筛管，及时封孔联网抽采，并进行数据监测，包括单孔瓦斯抽采浓度、单孔瓦斯抽采纯流量、支管路瓦斯抽采浓度和纯流量。孔施工过程中后，全程下筛管，及时封孔联网抽采，对单孔瓦斯抽采浓度、单孔瓦斯抽采纯流量、支管路瓦斯抽采浓度和纯流量进行数据监控，连续观测7 d。与未采取压裂技术相比，使用二氧化碳气相压裂技术后，可以节约瓦斯抽采时间，提高生产。工作效率方面使用气相压裂技术可大大缩短瓦斯抽采时间，增大瓦斯抽采量，提高工作效率。

3.气相压裂前后瓦斯抽采参数测试分析和抽采效果考察。测定钻孔选取为常规钻孔，计算原始煤层透气性系数、钻孔瓦斯涌出衰减系数和百米钻孔瓦斯流为气相压裂钻孔，用来测定压裂后有效抽采半径， 计算压裂后透气性系数、钻孔瓦斯涌出衰减系数和百米钻孔瓦斯流量。压裂前后煤层透气性系数和测定钻孔瓦斯涌出衰减系数测定根据煤层径向流动理论结合测定的煤层原始瓦斯压力、煤层瓦斯含量计算其透气性系数，压裂后较压裂前煤层瓦斯基础参数中，煤层透气性系数提高了4~6 倍，瓦斯涌出衰减系数降低50%。压裂前后百米钻孔瓦斯流量和抽采半径测定，用多级流量计测量钻孔自然状态下测量钻孔流量，然后再转换成百米钻孔瓦斯流量。压裂后较压裂前煤层瓦斯基础参数中，百米钻孔瓦斯流量增加了2~5 倍，30 d 抽采半径增加了约1 倍。气相压裂可致裂影响范围在15 m 以上，达到了致裂煤体并加速释放煤层瓦斯效果。在高瓦斯、低渗煤层中进行气相压裂，有效地增大了煤层透气性系数、百米钻孔瓦斯流量和抽采半径及降低了瓦斯涌出衰减系数。

4.效果分析。气相压裂技术应用于掘进工作面后，消突和本煤层瓦斯快速抽采，抽采量比原来提高了70%以上，钻屑解吸指标钻屑量明显下降，钻孔施工阻力减小提高了钻孔施工质量和效率，增加了钻孔深度。气相压裂钻孔瓦斯抽采流量有大幅度提高；通过气相压裂后，减少钻孔施工过程中的动力现象，提高钻孔施工质量和效率，增加钻孔施工深度。通过气相压裂后，强化增透煤层，消除局部应力集中，降低了突出危险指标钻屑解吸指标钻屑量，保证巷道安全掘进。通过气相压裂均衡了掘进巷道瓦斯涌出，降低了瓦斯涌出不均系数，增加了巷道掘进单循环进尺，提高了掘进效率。气相压裂实现煤层卸压，消除掘进工作面前方局部应力集中带和平衡瓦斯压力场，形成大量煤层裂隙，提高煤层透气性。通过在压裂钻孔两侧实施辅助钻孔对巷道轮廓线区域瓦斯进行快速抽采，提高瓦斯抽采浓度、流量和抽采效率，最终实现消突和快速掘进。

结束语：煤是一种不可再生的化石燃料，虽然科技在不断进步，但它在工业燃料方面依旧占据较高地位，所以，燃煤的开采工业依旧没有衰落。煤矿中瓦斯等易燃有害气体的存在，增大了燃煤的开采难度。通过气相压裂使煤层卸压，消除局部应力集中，均衡瓦斯压力场，降低瓦斯压力，降低或消除突出危险性，实现掘进工作面连续掘进，安全生产。综上可知，气相压裂是高效瓦斯抽采技术，可确保煤矿安全生产，提高煤矿经济效益。

参考文献：

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