基于水力压裂增进煤层瓦斯抽采效率

基于水力压裂增进煤层瓦斯抽采效率

张忠磊

贵州省煤矿设计研究院有限公司 贵州贵阳 550025

摘要：文章以某矿井作为研究对象，对水力压裂技术工艺的改进过程进行分析。结果表明，经过改进之后，水力压裂技术的效果更好，使矿井煤层瓦斯的抽采效率获得大幅度提升。

关键词：煤层；瓦斯抽采；水力压裂

水力压裂是一项较为成熟的煤矿井下瓦斯治理技术，通过该技术的应用，除了能够增加瓦斯排放量之外，还能使煤体的透气性进一步增大，这样不但可以缩短井下作业面瓦斯的抽采时间，而且瓦斯的抽采效率也会大幅度提升，有利于煤矿瓦斯治理成本的降低。正因如此，使得该技术在煤矿中得到广泛应用。为了增进水力压裂的抽采效率，可对该技术进行优化改进。借此下面就基于水力压裂增进煤层瓦斯抽采效率展开分析探讨。

1煤矿井下基本情况

某矿井的设计生产能力为120万吨，该矿井所在矿区的地质构造相对比较复杂，两个主采煤层K1和K4均为瓦斯突出煤层，平均厚度分别为2.2m和0.8m，倾角为18-35°。该矿井的煤层归属于自然发火的范畴，由此使得煤尘具有了爆炸性的特点，每年的4-6月，为自然发火期，井下作业面最大瓦斯含量为23.89m³/min，瓦斯压力为3.8MPa。其中K1和K4煤层的透气性系数分别为1.01×10^-4～4.96×10^-3㎡/MPa².d和3.05×10^-4～1.48×10^-2㎡/MPa².d。该矿井在煤层瓦斯抽采中采用的是水力压裂技术，成功钻孔的数量为21个，瓦斯抽采浓度得到小幅度提升，达标时间随之缩短。然而，由于受到封孔经验不足影响，使得压裂判定标准未能形成统一的依据，加之受到其它因素的影响，导致压裂区域未能达到预期中的抽采效果。因此，为在现有的基础上，增进井下瓦斯的抽采效率，决定对水力压裂进行工艺优化。

2基于水力压裂增进煤层瓦斯抽采效率

2.1水力压裂工艺改进

通过对现有水力压裂技术存在的问题进行分析总结之后，明确了该技术工艺的改进方向，具体如下：对封孔工艺进行优化改进，将水泥与水的比例改为1.5:1（原工艺为2:1）；对压裂方式进行改进，将常规改为间断性压裂；采用压抽一体式钻孔，借此来增进井下瓦斯的抽采效果。

2.1.1压裂装备

在进行水力压裂技术试验的过程中，选用的乳化泵为WRB200/31.5型，高压泵为BYW1100/50型，除此之外，还有钻孔、封孔以及压力设备等。压裂泵的参数设定情况如表1所示。

表1 压裂泵的参数设置

2.1.2设备连接

乳化泵的设置在反向门外，在乳化泵的进水侧安设流量表，将井下的供水管与高压注水泵水箱的进水口进行可靠连接，水箱的出水口用专用的胶管与高压注水泵进行连接，处于压裂孔孔口的高压注水管应当安设高压阀和卸压阀。压裂设备的连接情况如图1所示。

图1 水力压裂设备连接示意图

2.1.3布置压裂孔

从布置在煤层底板的巷道当中，选取出顶板条件好、赋存稳定性高、没有明显地质构造的巷道段，对水力压裂孔进行布置。压裂孔的角度可以按照岩柱进行选择，保证钻孔的总深度在16m以上。K1和K4煤层的压裂孔倾角均设计为20-30°，石门压裂孔的倾角设计为10°，夹角全部为0°。

2.1.4压裂孔施工

在对压裂孔进行施工时，选择矿用钻机，型号为ZYG-750，利用75mm的钻头，配合取芯管，对煤层进行取样，然后使用94mm的钻头进行扩孔，钻孔穿煤层顶板1.0m。需要对煤层原始瓦斯的含量、水分等指标进行测定。

2.1.5封孔工艺

水力压裂管采用的是无缝钢管，内径为25mm，管壁厚度4.0mm，长度为2.0m。在第一根管的周边钻8.0mm的筛孔，并在最后一根管的尾端焊接内径为25mm的高压直通接头与高压胶管进行连接。注浆管与返浆管均为内径19mm的钢管，长度为2.0m，通过直接头进行连接。采用A、B胶+水泥砂浆相联合的方式进行封孔，而水泥砂浆封孔完毕后，应当在72h后，及时进行水力压裂。

2.1.6水力压裂的实施

（1）当封孔完成72h之后，便可进行水力压裂，作业前，应当检查高压管路，看连接是否可靠，确认无任何问题后，便可开始压裂。在压裂的的过程中，乳化泵操作人员将压力从10MPa开始，每隔10min升高5MPa，并由专人负责统计乳化泵的压力变化和注入水量，直至注水泵的压力升至30MPa。

（2）相关研究结果表明，水力压裂时间主要与注水压力和注水量等参数有关。在进行注水的过程中，煤体会被逐渐压裂破坏，在这一前提下，各种空隙会不断进行沟通，此时的高压水会在已沟通的裂隙之间自由流动，同时注水压力及注水量等参数也会随之发生不断地变化，可以根据压力及流量的变化，对注水时间进行确定。如果在稳定一段时间以后，压力呈现出迅速下降的态势，并且在持续加压时，压力没有明显的上升迹象，或者检验孔及压裂点巷道内有大量水压出时，则说明压裂孔已完成压裂，此时即可停泵。

2.2煤层瓦斯抽采效率

（1）经过改进后的水力压裂技术工艺在K1煤层中进行实施，成功压裂6个孔，经考察后得出如下结果：压裂区穿层钻孔抽采单孔浓度达到45-98%，瓦斯抽采浓度较未改进之前提高23-76%，区域瓦斯抽采总点浓度达到65%，提高25%，压裂孔最大抽采单孔纯量达到0.085m³/min，较未压裂孔提高61倍，瓦斯抽放量提高6.2倍。

（2）在K4煤层施工穿层钻孔并接抽采，水力压裂后施工的钻场数量为112个，该煤层采取改进后的水力压裂技术后，井下作业面瓦斯抽放浓度提高13-40%，总点抽放浓度提高12%，单孔平均抽放纯度提高12.5倍。其中北风巷在实施水力压裂段掘进时，瓦斯抽采浓度基本稳定在15%以上，抽采达标时间从原本的25d，缩短为10-15d，经检查并未发现瓦斯防突指标超标的现象。

3结论

综上所述，水力压裂技术在煤矿井下煤层瓦斯抽采中的应用，提升了瓦斯的抽采效果。通过对该技术的优化改进，使得瓦斯抽采效率得到增进，瓦斯的抽采成本随之大幅度降低，给煤矿带来巨大的经济效益。在未来一段时期，应当重点加大对水力压裂技术的研究力度，并对现有的技术工艺进行不断地改进和完善，从而使其能够更好地为煤矿井下瓦斯抽采服务。

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